Julie Brefczynski-Lewis, en neurovetare vid West Virginia University, placerar en hjälmliknande PET-skanner på ett forskningsämne. Mobilskannern - utformad för studier av mänsklig interaktion, rörelsestörningar, och mer-baseras på en skanner som utvecklats vid Brookhaven Lab för hjärnavbildningsstudier i fritt rörliga djur. Kredit:US Department of Energy
Patienter som genomgår en positronemissionstomografi (PET) -skanning i dagens skrymmande, munkformade maskiner måste ligga helt stilla. På grund av detta, forskare kan inte använda skannrarna för att avslöja kopplingar mellan rörelse och hjärnaktivitet. Vad händer där uppe när vi nickar instämmande eller skakar hand? Hur skiljer sig hjärnan hos människor som kämpar för att gå efter en stroke från dem som kan?
För att ta itu med frågor som dessa, Julie Brefczynski-Lewis, en neurovetare vid West Virginia University (WVU), har samarbetat med Stan Majewski, en fysiker vid WVU och nu vid University of Virginia, att utveckla en miniatyriserad PET -hjärnskanner. Skannern kan "bäras" som en hjälm, låta forskningsämnen stå och göra rörelser när enheten skannar. Denna Ambulatory Microdose Positron Emission Tomography (AMPET) -skanner kan starta nya psykologiska och kliniska studier om hur hjärnan fungerar när den påverkas av sjukdomar från epilepsi till beroende, och under vanliga och dysfunktionella sociala interaktioner.
"Det finns så många möjligheter, "sa Brefczynski-Lewis, "Forskare kan använda AMPET för att studera Alzheimers eller traumatiska hjärnskador, eller ens vår känsla av balans. Vi vill skjuta gränserna för bildrörlighet med den här enheten. "
Idén utlöstes av en skanner som utvecklats för att studera råttor, ett projekt startade 2002 vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory. Majewski, en högenergifysiker genom utbildning, fick ursprungligen vind i Brookhavens "RatCAP" -projekt eftersom han sprang i samma fysikerkretsar som flera av RatCAP -gruppmedlemmarna.
"Jag fick reda på vad mina vänner och kollegor på Brookhaven gjorde, "sa Majewski, "och bestämde sig för att bygga samma typ av apparat för människor."
Brookhaven början
The Rat Conscious Animal PET, eller RatCAP, scanner är en 250 gram ring som passar runt huvudet på en råtta, upphängda av fjädrar för att stödja sin vikt och låta råttan skynda omkring när enheten skannar. Nora Volkow, chef för Brookhavens Life Science -avdelning vid den tiden, kom på idén att avbilda hjärnan hos vakna och rörliga djur.
"Jag ville göra PET -skanningar på djur utan att behöva använda narkos, "sade Volkow, som nu är chef för National Institute on Drug Abuse. Till skillnad från människor, djur kan inte bli tillsagda att helt enkelt ligga stilla i en skanner. Men bedövningen som krävs för att få dem att ligga stilla leriga resultaten. "Det påverkar distributionen av PET -radiospåraren och hämmar neuroner, Sa Volkow. En bärbar skanner, dock, skulle röra sig med djurets hjärna och eliminera behovet av anestesi (se HUR PET fungerar). Volkow tog hjälp av Brookhaven -forskare och ingenjörer för att förverkliga idén.
Spårningspartiklar
Lyckligtvis, det finns en stor överlappning mellan medicinsk bildbehandling och kärnfysik, ett ämne där Brookhaven Lab är världsledande. I dag, fysiker på labbet använder teknik som liknar PET -skannrar på Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), där de måste spåra partiklarna som flyger ur kollisioner med nära ljus mellan laddade kärnor. PET-forskning på labbet går tillbaka till början av 1960-talet och inkluderar skapandet av den första enkelplansscannern samt olika spårmolekyler.
"Båda fälten tänker på samma saker - hur fotodetektorerna fungerar, hur de skimrande kristallerna fungerar, hur elektroniken fungerar, "sa Brookhaven -fysikern Craig Woody." PET -skannrar, samt CT [datortomografi] och MRT [magnetisk resonansavbildning], används av läkare men de är byggda av detektorfysiker. "
Vedartad, som nu arbetar med en ny partikeldetektor för RHIC, ledde RatCAP -projektet med David Schlyer och Paul Vaska. Just då, Schlyer och Vaska var chef för Brookhavens cyklotronverksamhet och för PET -fysik, respektive. Schlyer är nu forskare emeritus vid Lab och Vaska är professor i biomedicinsk teknik vid Stony Brook University.
Den Brookhaven-utvecklade skannern, kallad "RatCAP, "gjorde det möjligt att skanna djur utan bedövning. Medlemmar av RatCAP-teamet 2011 visade en hjärnskanning och apparaten som innehar den ringformade detektorn:(främre raden, från vänster) Paul Vaska, Craig Woody, Daniela Schulz, Srilalan Krishnamoorthy, Bosky Ravindranath, (bakre raden, från vänster) Sean Stoll, David Schlyer, Sri Harsha Maramraju, Martin Purschke, Fritz Henn, och Paul O'Connor. Kredit:US Department of Energy
Vid utformningen av den småskaliga skannern, laget använde de senaste framstegen inom detektorteknik. Till exempel, de använde täta kristaller för att omvandla gammafotonerna som genereras av positron-elektroninteraktioner till synligt ljus, tillsammans med små ljusdetekterande sensorer som kallas lavinfotodioder. De använde också särskild elektronik utvecklad på Brookhaven och inbyggd i den kompakta, lätt PET -detektor. Att hänga upp strukturen på långa fjädrar hjälpte till att stödja dess vikt så att råttor kunde "bära" skannern medan de lätt rör sig.
"Det var ett mycket samarbete, "sa Schlyer, som producerade de radioisotoper som behövs för skanningarna. "Vi hade människor från fysiken, biologi, kemi, medicin, och elektroteknik. "
Från råttor till hattar
Ord kom ut om RatCAP när forskarna presenterade sina framsteg vid konferenser och möten. Stan Majewski, sedan vid DOE:s Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab), uppmärksammade. Han hade arbetat med nya metoder för bildbehandling av bröstcancer, tillämpa sin högenergifysikdetektors expertis på det medicinska området.
"Jag hade känt Stan länge - vi arbetade tillsammans på CERN, det europeiska kärnfysiska laboratoriet, "sa Woody." Jag måste ge honom kredit eftersom han ständigt sa "du borde verkligen göra medicinsk fysik." "
Majewski noterade att Jefferson Labs ledning var mycket stödjande för projektet och gav lite fröpengar även efter att han flyttade till WVU för att göra mer arbete med medicinsk bildbehandling. Medan han utökade idéerna om RatCAP och byggde en prototyp bärbar PET -hjärnbildare för människor.
"Ett mobilt hjärnavbildningsverktyg har tillämpningar inom psykologisk forskning och klinisk användning, "Sa Majewski." Du kan göra avbildning vid epilepsi vid sängen, till exempel, och se vad som händer i hjärnan under ett anfall. "
Majewskis prototyp "Hjälm_PET", patenterad 2011, använda kiselfotomultiplikatorer - en nyare, lika kompakt men effektivare fotodetektor än lavinfotodioderna som används i RatCAP.
"Stan såg potentialen i RatCAP och tog den vidare, sa Woody.
Patentritningen av prototypen satt på Majewskis skrivbord vid WVU när Brefczynski-Lewis, en neurovetare, gick in. Ritningen av en hjälmformad detektor på en upprättstående person fångade hennes uppmärksamhet.
"Jag hade alltid störts av den här mittzonen i hjärnan som du inte kunde nå med andra bildtekniker, "sa hon." Med elektroencefalografi (EEG) kan du inte nå djupa hjärnstrukturer, men med PET och MR kan du inte ha rörelse. Jag trodde att Stans enhet skulle kunna fylla denna nisch. "
Efter att ha byggt den första prototypen på WVU, de två forskarna började använda Helmet_PET för att avbilda hjärnan hos frivilliga patienter. Efter att Majewski överförts till University of Virginia utvecklade teamet en nyare modell av enheten, numera känd som AMPET. Den nuvarande bildhättan är utformad för att skanna en stående person och är ansluten till ett överliggande stöd, möjliggör viss rörelse.
Nora Volkow, som ledde ett världsberömt hjärnavbildningsprogram på Brookhaven Lab, kom på idén till RatCAP. Hon är nu chef för National Institute on Drug Abuse. Kredit:US Department of Energy
AMPET har stor likhet med en av de första PET -skannrarna som byggdes vid Brookhaven, smeknamnet "hårtork".
"Idéerna har liksom gått runt, "sade Schlyer." Det som har förändrats är tekniken som gör dessa enheter möjliga. "
AMPET-teamet hoppas snart kunna börja utveckla en helhjärnskanner-en som täcker hela huvudet snarare än att undersöka en horisontell sektion på fem centimeter, som den nuvarande ringen.
Mikrodos har stor potential
Eftersom AMPET sitter så nära hjärnan, den kan "fånga" mer av fotonerna från radiospårarna som används i PET än vad större skannrar kan. Det betyder att forskare kan administrera en lägre dos av radioaktivt material och ändå få en bra biologisk ögonblicksbild. Genom att fånga fler signaler kan AMPET också skapa bilder med högre upplösning än vanligt PET.
Men viktigast av allt, PET -skanningar gör det möjligt för forskare att se längre in i kroppen än andra bildverktyg. Detta låter AMPET nå djupa neurala strukturer medan forskningsämnena är upprätt och rörliga.
"Många av de viktiga sakerna som händer med känslor, minne, och beteendet är långt djupt mitt i hjärnan:de basala ganglierna, hippocampus, amygdala, "Sa Brefczynski-Lewis.
Ur en psykologs eller neurovetares perspektiv, AMPET kan öppna dörrar till en mängd olika experiment, från att utforska hjärnans reaktioner på olika miljöer till de mekanismer som är involverade i att argumentera eller vara kär.
Brefczynski-Lewis beskrev sätt att använda AMPET för att studera hjärnaktiviteten som ligger till grund för känslor. "För närvarande gör vi tester för att validera användningen av virtual reality -miljöer i framtida experiment, "sa hon. I denna" virtuella verklighet, "volontärer skulle läsa från ett manus som var avsett att göra ämnet arg, till exempel, när hans eller hennes hjärna skannas.
Inom den medicinska sfären, skanningshjälmen kan hjälpa till att förklara vad som händer under läkemedelsbehandlingar, eller belysa rörelsestörningar.
"Det finns en underpopulation av Parkinsons patienter som har stora svårigheter att gå, men kan cykla enkelt och utan att tveka, "sa Schlyer, som också är adjungerad professor vid radiologiska avdelningen vid Weill Cornell Medical College, där han studerar Parkinsons. "Vad händer i deras hjärnor som gör dessa två aktiviteter så olika? Med den här enheten kan vi övervaka regional hjärnaktivering när patienter går och cyklar, och eventuellt svara på den frågan. "
Brefczynski-Lewis noterade, "Vi har framgångsrikt avbildat hjärnan hos någon som går på plats. Nu är vi redo att bygga en laboratorieklar version. Det har varit en spännande resa-att avslöja behoven hos olika neurovetenskapsmän och utveckla den här enheten som vi hoppas att någon gång kommer att möta dessa behov , och hjälp i vår strävan att förstå hjärnan. "
RatCAP -projektet vid Brookhaven finansierades av DOE Office of Science. RHIC är ett DOE Office of Science User Facility för kärnfysisk forskning.