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100 小時不間斷的核磁共振掃描,人類獲得史上最完整的大腦 3D 圖像!

100 小時不間斷的核磁共振掃描,人類獲得史上最完整的大腦 3D 圖像!

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人類大腦圖像。圖片來源:Coma Recovery Lab

人類的大腦運作複雜,許多部分對人類來說仍是謎團。近日,麻省總醫院(MGH)的研究人員透過超級 7T 核磁共振掃描儀,對一個女性大腦進行長達 5 日的掃描,得到史上最詳細的人類大腦 3D 圖像。

科學家對死亡人腦做核磁共振掃描,獲得史上最清晰的人腦 3D 圖像

該大腦屬於一名死於病毒性肺炎的 58 歲女性,當事人同意捐贈做為科學研究。由於該女性沒有神經方面的病史,也不是死於神經疾病,因此科學家認為該大腦是健康的。

研究人員對大腦標本進行約 100 小時的核磁共振掃描,獲得了人類史上最完整的高解析度圖像,展現了杏仁核等大腦結構的細節,提供科學家做腦部生理學與疾病研究的重要資訊。

核磁共振的限制:組織溫度升高、大腦活動影響圖像清晰度

核磁共振的原理是,藉由電磁波脈衝引發人體內的氫原子核共振,吸收電磁波能量。停止脈衝之後,氫原子核會將能量釋放出來,接收器就可以監測這些能量,電腦處理後,就是我們看到的核磁共振圖像。

雖然核磁共振不需要讓病人服用造影劑,沒有輻射問題,還可以得到清晰的各式切面圖像,但卻會造成組織溫度升高;如果要得到更高解析度的圖像,磁場需要加大,組織溫度上升得更多。

除了溫度問題,人類也很難保持固定姿勢,忍受長時間的核磁共振掃描。此外,人類大腦的不自覺活動(例如動手指頭,甚至是呼吸)也會影響核磁共振圖像,讓圖像變模糊。

掃描進行 5 天,產生高達 8 TB 的數據

為了得到更完整、清晰且詳細的大腦 3D 圖像,波士頓麻省總醫院使用已死亡的大腦進行掃描研究。該大腦死後一直被安置在 10% 的福馬林中。

研究開始前,研究人員將大腦放入特製的球形聚氨酯盒子,讓大腦保持固定,並讓氣泡逸出。接著大腦被送入 7T 超強核磁共振掃瞄儀中,進行了長達 5 天的掃瞄。

研究人員使用不同的翻轉角度(FA15°、FA20°、FA25°、FA30°)產生多個合成體,每個合成體提供了不同的組織對比度,產生一個超過 8TB 的數據集,然後透過程式,將這些數據重建、合成,獲得 100 微米解析度的高品質大腦 3D 圖像。

研究人員表示,這些圖像是人類前所未有的 3D 大腦神經學剖面圖。為了提升該研究資源的應用,研究人員正將數據轉換為標準立體定位和空間,並將完整大腦圖像的影片與數據公開發布,提供科學家做更多的腦神經與疾病方面的研究,用於臨床應用,期望人類可以找到更優良的方式,對抗腦部相關的疾病。

腦幹、內側額葉與小腦前部的圖像。圖片來源:B.L. EDLOW ET AL/BIORXIV.ORG 2019

參考資料來源:
1.《Nature》:〈The world’s strongest MRI machines are pushing human imaging to new limits
2.《ScienceNews》:〈A 100-hour MRI scan captured the most detailed look yet at a whole human brain
3.《DeepTech 深科技》:〈 麻省总医院出炉迄今最完整人类大脑三维图像,数据集超过 8TB
(本文提供合作夥伴轉載。圖片來源:Coma Recovery Lab

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