Funktionell magnetisk resonanstomografi, eller fMRI, har förändrat vår syn på hjärnan, ger forskare möjlighet att peka ut områden som är förknippade med allt från depression och demens till att spela schack och ägna sig åt sex.

Dess viktigaste begränsning, dock, är upplösning:Även de mest kraftfulla skannrarna, använder starka 7 till 10 Tesla-magneter (7T till 10T), kan ofta bara lokalisera aktivitet inom en region som mäter flera millimeter på en sida - storleken på ett riskorn - som omfattar cirka 100, 000 individuella neuroner som gör en mängd olika saker.

För att zooma in på mindre grupper av neuroner, University of California, Berkeley-forskare har omarbetat fMRI-tekniker och -instrument för att öka upplösningen med en faktor 20. De kommer att använda ett nytt 13,43 miljoner USD BRAIN Initiative-anslag från National Institutes of Health för att bygga NexGen 7T senast 2019 för att ge de högsta upplösningsbilderna av hjärnan någonsin fått, kunna fokusera på en region lika stor som ett vallmofrö.

"Vår innovation inom MRI-teknik kräver en total omdesign av nästan alla skannerkomponenter, inte bara en stegvis förändring, " sa ledande forskare David Feinberg, en adjungerad professor vid Helen Wills Neuroscience Institute vid UC Berkeley och president för Advanced MRI Technologies. "Den mycket högre upplösningsavbildningen kommer att övervinna storleksbarriärer vid avbildning av cortex och bör leda till nya upptäckter i den mänskliga hjärnan, förhoppningsvis med stor medicinsk påverkan."

Med förmågan att lokalisera aktivitet inom en volym på 0,4 millimeter på en sida, de kommer att kunna avbilda funktionella regioner där de flesta neuroner är involverade i samma typ av bearbetning. Måtten är nyckeln eftersom hjärnans yttre lager, hjärnbarken, består av återkommande mikrokretsar i form av kolumner av nervceller som är 0,4 millimeter på en sida och 2 millimeter långa. I den visuella cortex, till exempel, varje kolumn svarar på ett specifikt särdrag i sinnesvärlden, såsom de vertikala kanterna på föremål i motsats till de horisontella kanterna.

Den ultrahögupplösta MRI kommer att kunna zooma in på dessa kolumner och registrera deras aktivitet, och de kommer lättare att koppla samman dessa kolumner med studier av aktiviteten hos enskilda neuroner.

"Detta är ett revolutionärt framsteg, sade Ehud Isacoff, direktör för Helen Wills Neuroscience Institute och professor i molekylär- och cellbiologi. "Det skulle föra studierna av mänsklig hjärnfunktion och kretsar till den finaste skalan genom att titta in i den grundläggande kortikala mikrokretsen och, Således, gör det möjligt att relatera icke-invasiv analys av mänsklig hjärnfunktion till invasiva djurstudier av celler och lokala kretsar på ett sätt som aldrig tidigare varit möjligt."

Spåra blodflödet

Funktionell MRT (fMRI) fungerar genom att spåra syresatt blod när det rör sig genom hjärnan. Aktiva neuroner kräver mer syre för att bränna bränsle och kräver därför leverans av mer syresatt blod.

Klinisk MRT används vanligtvis för att leta efter abnormiteter i blodflödet i hjärnan; fMRI används främst för att undersöka hjärnans funktion, lokalisera områden som är aktiva under processer som perception eller memorering.

Den rumsliga upplösningen av fMRI-inspelningar beror på variationen eller gradienten av magnetfältet och indirekt på storleken på detektorerna, som är spolar av tråd anordnade runt huvudet för att fånga upp svaga signaler. Medan klinisk MRI kräver stora spolar för att avbilda djupt i hjärnan, Feinberg designade ett fMRI-system med ett mycket större antal mindre spolar som ger en mycket starkare signal, vilket ger den högre upplösningen i den yttre ytan av hjärnan som behövs för att identifiera nyckellager i cortex.

Den nya skannern kommer att ge neuroforskare möjligheten att fokusera på kortikala lager där de flesta neuronala kretsar finns, samt att bättre identifiera storskaliga kretsar som förbinder olika delar av hjärnan.

Feinberg och hans kollegor kommer att samarbeta med Siemens, världsledande inom tillverkning av MRI-skannrar, inte bara för att bygga komponenter för det nya fMRI-systemet, men för att säkerställa att designen snabbt kan ökas för att producera nästa generations skannrar för forskare runt om i världen.

"Detta är en ny typ av partnerskap som kommer att möjliggöra en aldrig tidigare skådad spridning av kunskap och innovation till forskarvärlden, " sa Isacoff.

Feinberg, en fysiker, kommer att slå sig ihop med Chunlei Liu, en docent i elektroteknik och datavetenskap som är specialiserad på MR-avbildning; Jack Gallant, en professor i psykologi som har samarbetat med Feinberg för att testa nya sätt att utvinna information från dagens fMRI; Ana Arias, en professor i EECS och en expert på flexibel elektronik; Michael Lustig, en docent i EECS som utvecklade nya sätt att påskynda MRT-skanning; Michael Silver, en professor i optometri som använder fMRI för att studera de visuella områdena i hjärnan och hur neuronal bearbetning i dessa områden påverkas av uppmärksamhet och perceptuell inlärning; och Pratik Mukherjee, en klinisk neuroradiolog och professor i radiologi och bioteknik vid UCSF och San Francisco Veterans Administration sjukhus, som hoppas kunna använda den nya fMRI för att förstå och behandla traumatisk hjärnskada, autism och epilepsi.

Ytterligare viktiga samarbetspartners inkluderar forskare vid Harvard University/Massachusetts General Hospital Radiology Department, inklusive Kawin Setsompop, en ingenjör banbrytande bildaccelerationsteknik; Lawrence Wald, en fysiker som designar och integrerar spolteknologi; och Jonathan Polimeni, en forskare fokuserad på högupplöst fMRI.

"Den förbättrade upplösningen kommer från innovationer inom hårdvarudesign, skannerkontroll och bildberäkning, sa Liu, projektmedledaren.

Galant, Liu och Silver är också medlemmar i Helen Wills Neuroscience Institute och Berkeley Brain Initiative.

Berkeley och MRI

"Resultatet av denna ultrahögupplösta fMRI kommer att vara den mest avancerade synen hittills på hur sinnets egenskaper, såsom uppfattning, minne och medvetande, kommer från hjärnoperationer, "Förmågan att observera störningar i hjärnans strukturer och funktioner kommer radikalt att främja diagnosen och förståelsen av neurologiska och neurodegenerativa sjukdomar."

UC Berkeley har varit involverad i utvecklingen av MRI sedan kort efter att kärnmagnetisk resonans först upptäcktes på 1940-talet. Den bortgångne UC Berkeley-fysikern Erwin Hahn gjorde flera viktiga upptäckter, inklusive spin-ekoeffekten, som ledde till modern MRT.

Hahn beskrev principerna för att skapa en gradientekosignal genom att snabbt växla en magnetisk gradient, och gradienteko blev grunden för echo planar imaging (EPI), används nu huvudsakligen för all fMRI, sa Feinberg. EPI, som gör snapshot-filmrutor av hjärnan för att utföra fMRI, uppfanns av Sir Peter Mansfield, som 2003 delade Nobelpriset i fysiologi eller medicin för att utveckla MRT.

BRAIN Initiative-priset till Feinberg är det största av fyra femåriga anslag på totalt 39,7 miljoner USD som tillkännagavs förra veckan av National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, tilldelas forskare som utvecklar icke-invasiva bildbehandlingsverktyg för att studera den mänskliga hjärnan

"Varje projekt är baserat på nya koncept, representerar de typer av verktyg vi behöver för framtiden för icke-invasiv bildbehandling för neurovetenskapssamhället, sa Guoying Liu, chef för MRI-programmet vid NIBIB.