Functionele magnetische resonantie beeldvorming, of fMRI, heeft onze kijk op de hersenen veranderd, waardoor onderzoekers gebieden kunnen lokaliseren die verband houden met alles, van depressie en dementie tot schaken en seks.

Zijn belangrijkste beperking, echter, is resolutie:zelfs de krachtigste scanners, met behulp van sterke 7 tot 10 Tesla-magneten (7T tot 10T), kan vaak alleen activiteit lokaliseren binnen een gebied van enkele millimeters aan een kant - ter grootte van een rijstkorrel - dat zo'n 100, 000 individuele neuronen die verschillende dingen doen.

Om in te zoomen op kleinere groepen neuronen, Universiteit van Californië, Berkeley-onderzoekers hebben fMRI-technieken en -instrumenten opnieuw uitgevonden om de resolutie met een factor 20 te verhogen. Ze zullen een nieuwe BRAIN Initiative-subsidie ​​​​van $ 13,43 miljoen van de National Institutes of Health gebruiken om de NexGen 7T tegen 2019 te bouwen om beelden met de hoogste resolutie van de hersenen te leveren ooit verkregen, in staat om zich te concentreren op een gebied ter grootte van een maanzaad.

"Onze innovatie in MRI-technologie vereist een totaal herontwerp van bijna alle scannercomponenten, niet alleen een stapsgewijze verandering, " zei hoofdonderzoeker David Feinberg, een adjunct-professor in het Helen Wills Neuroscience Institute aan de UC Berkeley en president van Advanced MRI Technologies. "De beeldvorming met veel hogere resolutie zal de barrières voor de grootte bij het afbeelden van de cortex overwinnen en zou moeten leiden tot nieuwe ontdekkingen in het menselijk brein, hopelijk met grote medische impact."

Met de mogelijkheid om activiteit te lokaliseren tot binnen een volume van 0,4 millimeter aan een kant, ze zullen functionele regio's kunnen afbeelden waarin de meeste neuronen bij hetzelfde type verwerking zijn betrokken. De afmetingen zijn essentieel omdat de buitenste laag van de hersenen, de hersenschors, bestaat uit herhalende microschakelingen in de vorm van kolommen van neuronen die 0,4 millimeter aan een kant en 2 millimeter lang zijn. In de visuele cortex, bijvoorbeeld, elke kolom reageert op een specifiek kenmerk van de zintuiglijke wereld, zoals de verticale randen van objecten in tegenstelling tot de horizontale randen.

De MRI met ultrahoge resolutie kan op deze kolommen inzoomen en hun activiteit registreren, en ze zullen deze kolommen gemakkelijker verbinden met studies van de activiteit van individuele neuronen.

"Dit is een revolutionaire vooruitgang, " zei Ehud Isakov, directeur van het Helen Wills Neuroscience Institute en hoogleraar moleculaire en celbiologie. "Het zou de studies van de menselijke hersenfunctie en circuits op de fijnste schaal brengen door in de fundamentele corticale microschakeling te kijken en, dus, maken het mogelijk om niet-invasieve analyse van de menselijke hersenfunctie te relateren aan invasieve dierstudies van cellen en lokale circuits op een manier die nooit eerder mogelijk was."

Bloedstroom volgen

Functionele MRI (fMRI) werkt door zuurstofrijk bloed te volgen terwijl het door de hersenen beweegt. Actieve neuronen hebben meer zuurstof nodig om brandstof te verbranden en vereisen dus de levering van meer zuurstofrijk bloed.

Klinische MRI wordt meestal gebruikt om te zoeken naar afwijkingen in de bloedstroom in de hersenen; fMRI wordt voornamelijk gebruikt om hersenfunctie te onderzoeken, het lokaliseren van gebieden die actief zijn tijdens processen zoals waarneming of memoriseren.

De ruimtelijke resolutie van fMRI-opnames hangt af van de variatie of gradiënt van het magnetische veld en indirect van de grootte van de detectoren, dat zijn spoelen van draad die rond het hoofd zijn opgesteld om zwakke signalen op te vangen. Terwijl klinische MRI's grote spoelen nodig hebben om diep in de hersenen beelden te maken, Feinberg ontwierp een fMRI-systeem met een veel groter aantal kleinere spoelen die een veel sterker signaal leveren, wat de hogere resolutie in het buitenoppervlak van de hersenen oplevert die nodig is om de belangrijkste lagen van de cortex te identificeren.

De nieuwe scanner geeft neurowetenschappers de mogelijkheid om zich te concentreren op corticale lagen waar de meeste neuronale circuits zich bevinden, en om grootschalige circuits die verschillende hersengebieden met elkaar verbinden, beter te identificeren.

Feinberg en zijn collega's gaan samenwerken met Siemens, een wereldleider in de productie van MRI-scanners, niet alleen om componenten te bouwen voor het nieuwe fMRI-systeem, maar om ervoor te zorgen dat het ontwerp snel kan worden opgevoerd om scanners van de volgende generatie te produceren voor onderzoekers over de hele wereld.

"Dit is een nieuw soort partnerschap dat een ongekende verspreiding van kennis en innovatie naar de onderzoeksgemeenschap mogelijk zal maken, ' zei Isakov.

Feinberg, een natuurkundige, gaat samenwerken met Chunlei Liu, een universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica die gespecialiseerd is in MR-beeldvorming; Jack Gallant, een professor in de psychologie die met Feinberg heeft samengewerkt om nieuwe manieren te testen om informatie uit de huidige fMRI's te extraheren; Ana Arias, een hoogleraar EECS en een expert op het gebied van flexibele elektronica; Michael Lustig, een universitair hoofddocent van EECS die nieuwe manieren ontwikkelde om MRI-scanning te versnellen; Michaël Zilver, een professor in optometrie die fMRI gebruikt om de visuele gebieden van de hersenen te bestuderen en hoe neuronale verwerking in deze gebieden wordt beïnvloed door aandacht en perceptueel leren; en Pratik Mukherjee, een klinische neuroradioloog en hoogleraar radiologie en bio-engineering aan de UCSF en het San Francisco Veterans Administration Hospital, die hoopt de nieuwe fMRI te gebruiken om traumatisch hersenletsel te begrijpen en te behandelen, autisme en epilepsie.

Andere belangrijke medewerkers zijn onderzoekers van de afdeling Radiologie van de Harvard University/Massachusetts General Hospital, waaronder Kawin Setsompop, een ingenieur die baanbrekende technologie voor beeldversnelling heeft ontwikkeld; Laurens Wald, een fysicus die spoeltechnologie ontwerpt en integreert; en Jonathan Polimeni, een wetenschapper gericht op hoge resolutie fMRI.

"De verbeterde resolutie komt van innovaties in hardwareontwerp, scannercontrole en beeldberekening, " zei Liu, de projectleider.

galant, Liu en Silver zijn ook lid van het Helen Wills Neuroscience Institute en het Berkeley Brain Initiative.

Berkeley en MRI

"Het resultaat van deze ultrahoge resolutie fMRI zal het meest geavanceerde beeld zijn van hoe eigenschappen van de geest, zoals perceptie, geheugen en bewustzijn, voortkomen uit hersenoperaties, " zei Feinberg. "Het vermogen om verstoringen in hersenstructuren en -functies waar te nemen, zal de diagnose en het begrip van neurologische en neurodegeneratieve ziekten radicaal bevorderen."

UC Berkeley is betrokken geweest bij de ontwikkeling van MRI sinds kort nadat nucleaire magnetische resonantie voor het eerst werd ontdekt in de jaren 1940. Wijlen UC Berkeley-natuurkundige Erwin Hahn deed verschillende belangrijke ontdekkingen, inclusief het spin-echo-effect, dat leidde tot moderne MRI.

Hahn beschreef de principes van het creëren van een gradiëntechosignaal door snel een magnetische gradiënt te schakelen, en gradiëntecho werd de basis van echo planar imaging (EPI), nu hoofdzakelijk gebruikt voor alle fMRI, aldus Feinberg. EPI, die snapshot-filmframes van de hersenen maakt om fMRI uit te voeren, werd uitgevonden door Sir Peter Mansfield, die in 2003 de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde deelde voor het ontwikkelen van MRI.

De BRAIN Initiative-prijs voor Feinberg is de grootste van vier vijfjarige subsidies van in totaal $ 39,7 miljoen die vorige week zijn aangekondigd door het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, toegekend aan onderzoekers die niet-invasieve beeldvormingshulpmiddelen ontwikkelen om het menselijk brein te bestuderen

"Elk project is gebaseerd op nieuwe concepten, die het soort hulpmiddelen vertegenwoordigen dat we nodig hebben voor de toekomst van niet-invasieve beeldvorming voor de neurowetenschappelijke gemeenschap, " zei Guoying Liu, directeur van het MRI-programma van het NIBIB.