原标题:Nature：世界最强MRI，清晰度超乎想象！
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谷 君 说
世界上最强大的核磁共振成像仪位于美国国家高磁场实验室中，该成像仪的磁通量为21.1T，内部直径仅有10.5厘米，不能用于人体研究。
最强核磁共振成像仪
文/ T.Shen
图片来源：Centre for Advanced Imaging, The University of Queensland
2017年12月，在美国明尼阿波里斯市一个寒冷的早晨，一名男性走进了一个研究中心（该研究中心此前只有猪进去过）。
随后，他冒险进入了全球最强的一台核磁共振成像仪中来对其全身进行扫描。
他换上了医院的长袍，研究人员确保他身上没有任何金属物质，包括戒指、金属植入物或者心脏起搏器等。
因为任何金属可能都会被强大的10.5特斯拉核磁共振成像仪所撕裂。
这台全球最强的核磁共振成像仪的质量约是波音737飞机的3倍，而且其磁场强度比当今临床使用的高强成像仪要高出50%。
就在几天前，这名男子通过了一系列检查，包括对其平衡感的基准测试，以确保能够恰当地评估其因接触磁铁而产生的眩晕程度。
在明尼苏达大学的磁共振研究中心，这名男子躺进了4米长的检查仓中，周围被110吨磁铁和600吨铁所屏蔽隔离。
研究人员对该名男子的臀部进行了长达1小时的成像，对其薄软骨组织的成像质量将会展示这台核磁共振成像仪的分辨率。
研究中心的主任Kamil Ugurbil等待这一天的到来已经很多年了。
2013年，这台机器终于被交付使用了，在研究者Ugurbil及其同事将首位患者送入检查仓之前，他们克服了大量困难。
当显示屏上出现了患者机体保护髋臼的极薄软骨的复杂细节后，研究者表示，我们非常高兴，我们所付出的努力也并没有白费。
这台价值1400万美元的成像仪世界上为数不多的强大成像仪，其将核磁共振成像技术的磁力强度又推向了一个新的高度。
高强度的成像仪近年来逐渐兴起，目前在世界各地的实验室中已经有几十台7T的成像仪了。
超高场（磁场强度）成像仪的吸引力是显而易见的，磁场越强，其信噪比越高，同时，意味着对物体的成像分辨率更高或成像速度更快。
在3T时MRI成像仪能够解析1毫米大小的大脑结构。而在一台7T强度的成像仪下该分辨率就能达到0.5毫米。
这就足以识别人类大脑皮层内部的功能单元。或许还能够观察到人类大脑中神经元连接之间的信息流。
研究人员表示，7T的成像仪如今已经能在神经科学和临床应用方面帮助研究人员取得很多研究进展。
临床医生可以更加准确快速地利用电极进行深部脑刺激疗法，还有可能更早地帮助患者发现骨关节炎。
研究者Ravi Menon表示，高强度的成像仪或许能为我们研究人类完整的大脑提供一扇强有力的窗户。
图片来源：University of Minnesota
我们能够创造高端的成像仪
自从上世纪70年代中期，第一台人体成像仪问世以来，核磁共振技术的基本原理基本没有太大变化。
核磁共振技术的核心仍然是一个管状样的超导磁铁，其能产生一种静态电场，对水分子内部的氢质子进行重新排列。
一旦这些质子排列完成，成像仪中的线圈就会发射出短时间的射频波，从而导致质子在磁场中摆动。
当无线电波“爆炸”结束，质子就会释放能量，从而发出微弱的无线电波回声。
并被接收线圈探测到，这时候就能提供大脑和其它组织的解剖图谱。
磁场越强，排列的质子比例就越大，它们之间能量的差别就越大，其产生的信号就能更好地被检测到。
但磁场强度的每一次跳跃都会伴随一些不确定性出现。
在核磁共振技术诞生初期，很多科学家就认为0.5T是核磁共振技术的最大磁场强度。
他们认为，活体组织的离子导电性或阻断无线电波渗透入机体内部。
随后20世纪80年代，出现了1.5T的临床成像仪，2002年3-T成像仪获得批准。首批7-T研究成像仪也于1999年问世。
图片来源：pinterest
成像仪的磁场强度从3T提高到7T常常会让研究人员面临诸多挑战，出现生物学上的副作用虽然只是暂时的。
随着磁场强度的增加，氢核也会在较高频率下发生共振，超高强度的成像仪就必须使用较短的波长。
从而就会使得更高能量的射电脉冲推动质子摆动。
同时人体组织也会从这些波中吸收更多的能量。
为了避免制造热点并产生可用图像，这种能量必须尽可能地在检测仓中变得平滑，为此研究人员设计了很多策略。
比如研究人员就使用可单独调节的发射器来产生脉冲等。
7T强度的成像仪能通过揭示小于1毫米的结构来为研究人员开启研究人类活体大脑的新视野。
在被揭示的结构中有6层大脑皮层，3毫米厚得到大脑外层区域主要负责人类高水平的认知能力。
每一层都非常特殊，一种负责处理来自大脑其它区域的信息输入，一些则进行信息处理并将处理结果传递到大脑的其它部分中。
如今成像仪的强度跨越到7T能够让研究人员测定不同大脑皮层的相对活性，进而就能阐明大脑信息的传递机制。
这或许就是3T或1.5T成像仪时代的巨大进步。
如今在人类机体中使用7T磁通量的成像仪，研究人员将会得到以前无法看到的一幅人类记忆的图像。
研究人员希望能对人类大脑的柱状组织进行深入研究，大脑的皮层柱结构被认为会发挥计算的能力。
仅有500微米大小，但皮层柱垂直于大脑皮质层，且能通过中间层来进行互相通信，如果成像仪能在柱状水平下测定大脑的活性。
那么，科学家们就能够对单个神经元的计算得出结论，这将会让人非常激动。
7T磁通量的成像仪能够更好地帮助测定大脑的连接性，研究人员旨在完全绘制出大脑神经元间的连接。
他们利用3T和7T的成像仪对184名个体进行了扫描。
相比3T而言，在7T磁通量下，研究者能够检测到神经元之间的沟通以及较多的神经网络。
这或许对于未来研究人员准确预测人类疾病至关重要。
研究者Ugurbil表示，目前这些磁共振成像仪在临床诊断和疗法开发上展现出了巨大潜力。
用于治疗帕金森疾病的深度大脑刺激通常是将电极插入到患者大脑的丘脑底核中。
而丘脑底核是大脑基底核的一部分，核磁共振成像技术能够帮助外科医生定位电极的准确位置。
一旦电极就位后就会被激活，来观察是否其击中了正确的目标。
利用1.5T和3T的成像仪似乎有点试探的意思，如果电极没有被置于正确的位置，研究者或许就需要取出电极并将其置于不同的地方。
而每次都有可能撞击血管导致出血的发生。
而利用7T磁通量的成像仪所得到的图像就能消除所有干扰，当你看到目标时只需要一次渗透就能得到最终结果。
利用7T成像仪能够帮助解析更多多发性硬化症的症状和疾病进展机制。
并且，用于治疗该病的药物也能够帮助减缓患者机体运动缺陷的进展，同时还能确保患者的预期寿命和生活质量。
图片来源：Rolf Pohmann/Max-Planck-Institute for Biological Cybernetics
7T磁场强度以上呢？
世界上最强大的核磁共振成像仪位于美国国家高磁场实验室中，该成像仪的磁通量为21.1T，内部直径仅有10.5厘米，不能用于人体研究。
研究者Schepkin及其同事利用该成像仪对小动物进行相关研究。
他们利用这种成像仪对大鼠大脑肿瘤中的钠离子浓度进行了扫描研究。
结果表明，肿瘤中钠的存在能指示肿瘤对化疗的耐受性。
研究者Schepkin说道，刚开始我们在使用成像仪上缺失有一些犹豫，我们能够遵守一种规则，即没有人能单独地在成像仪附近工作。
如今这一规定不再适用了，但研究小组依然严格遵守“不使用金属”的政策。
去年5月，法国NeuroSpin研究中心用作11.7T成像仪的5米直径的磁铁已经交付使用。该扫描仪将于2022年首次对人类大脑进行扫描研究。
有些研究人员推测，这些成像仪所产生的热量可能会带来很大的问题。
操作14T以上的成像仪或许会使得大脑的神经传导减慢，刺激周围神经或破坏DNA。
尽管研究人员表示，甚至在21.1T的磁场强度下也并未在动物机体中观察到上述影响。
在某一时刻，磁场强度或许会达到一个机极限，当超过这个极限时我们或许就不能不损伤身体了。
参考资料：
【1】The world’s strongest MRI machines are pushing human imaging to new limits
Anna Nowogrodzki， 31 OCTOBER 2018
【2】Samuel J.D. Lawrence，Elia Formisano， Lars Muckli， et al. Laminar fMRI： Applications for cognitive neuroscience， NeuroImage 4 July 2017， doi：10.1016/j.neuroimage.2017.07.004
【3】Researchers awarded millions in CIHR funding
【4】Victor D. Schepkin，Fabian Calixto Bejarano，Thomas Morgan， et al. In vivo magnetic resonance imaging of sodium and diffusion in rat glioma at 21.1 T. Magn. Reson. Med. 11 July 2011 doi：10.1002/mrm.23077
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