人类皮层下结构的高分辨率结构性磁共振成像 在体 内 和死后
2015年12月30日
本文介绍了一种用于确定为分辨皮层下结构所需采集并平均的最少图像数量的实验方案，并检验在无生理噪声干扰的情况下是否能够分辨外侧膝状体（LGN）的各个个体层次。
本实验的总体目标是测试结构磁共振成像（MRI）的分辨率极限，以分辨并比较死后及活体人脑中的皮层下结构。我们实验室的研究涉及在患者群体中研究微小的皮层下核团。由于这些核团体积微小且在脑内存在重复结构，因此难以开展研究。
我们开发了一种可在死后及活体人脑中解析这些皮层下结构的方案。该技术的优势在于缩短了扫描时间，在临床应用中具有实用价值。磁共振成像的分辨率受限于噪声，因此我们希望确定其最终能达到的分辨率极限。
在消除最主要的噪声来源（即受试者头部运动、脉搏和呼吸）的情况下，使用配备32通道头部线圈的3 T MRI扫描仪获取本方案中所述的所有成像数据。在本视频中，采用西门子MAGNETOM TRIO 3 T MRI扫描仪演示研究参与者的成像操作步骤。务必首先进行MRI安全筛查。
然后，向参与者说明神经影像扫描方案的详细信息，并在为其准备扫描的同时，让其签署患者知情同意书。将耳塞插入参与者的耳中，随后使用垫子固定其头部，以尽量减少头部运动。
在对离体脑进行成像扫描时，确保脑组织在神经影像学检查前已固定，并置于一个密封的防水袋或容器中，且该容器可适配磁共振成像（MRI）头部线圈。将脑组织放入头部线圈时，使其Z轴与扫描仪孔道方向一致，脑干朝向扫描床的足端。同时在脑组织周围放置真空垫以提供额外支撑。
扫描前，请在左上角选择患者标签。使用注册标签填写相应的受试者信息。然后在检查浏览器标签中点击检查标签。
首先，在设置窗口中创建一个新的 LOCALIZER 扫描序列，使用常规对比度和分辨率选项卡输入如屏幕上所示的参数。接下来，创建一个新的序列，用于获取高分辨率质子密度加权扫描图像。按照屏幕上所示的参数，将该序列设置为冠状位方向。
将带宽降至尽可能低，以最大化信噪比。为缩短扫描时间，选择18个厚度为1毫米的切片，视野为160毫米。接下来，将用于获取质子密度图像的切片选择框覆盖在定位像上。
确保覆盖丘脑内的皮层下核团以及周围结构。然后开始扫描，以可靠地识别皮层下结构。使用这些参数采集五次运行数据。
进行死后脑成像时，遵循相同的扫描方案，仅需一次总时长约三分钟的扫描即可可靠地识别皮层下结构。为分析数据，请使用免费提供的 FSL 软件。首先打开一个终端窗口。
然后将扫描仪生成的每个质子密度容积的原始 DICOM 文件转换为 nifty 格式。在命令行中，输入命令 scene here，DCM 转 NII，后跟每幅图像的目录，然后运行。接下来，获取原始质子密度扫描的参数。
然后创建一个高分辨率的空白图像目标体积，其体素大小为这些参数的一半。在任意文本编辑程序中执行此操作时，首先使用单位矩阵定义变换（如此处所示），并将其保存为名为 identity.dot.matt 的文本文件。接下来，使用 flirt 命令应用该变换，对每个原始运行数据进行上采样，使总分辨率提高一倍。
这将生成一个 10×24 的矩阵，并使每个维度的体素尺寸减半。现在将所有高分辨率图像移动到一个新文件夹中。然后，对每位受试者，将所有采用 UPS 采样的质子密度图像拼接成一个单一的四维文件。
使用 FSL 的 merge 命令进行运动校正，处理这些拼接后的文件。使用 URT 命令选择四阶段校正，该方法采用同步插值作为进一步的优化步骤，以提高准确性。接下来，使用 FSL 数学运算生成三维平均图像。
然后使用 FSL view 命令可视化最终结果，即三维高分辨率图像。接下来创建感兴趣区域（也称为 ROIs）。使用 FSL view 加载高分辨率图像。
然后在工具选项卡中，选择单张图像选项卡以放大视图，便于绘制感兴趣区域（ROI）。接下来，点击文件选项卡，随后选择创建掩膜，在感兴趣区域内绘制一条线并保存。最后，使用 AF acne 的 3D 掩膜导出命令提取刚刚创建的 ROI 掩膜的图像、强度值及位置信息。
结果将以文本文件形式输出，可用于进一步分析。该系列图像比较了活体与死后脑组织的体积平均值。注意，死后脑组织在单次质子密度加权扫描中即可清晰显示皮层下结构的明确分界，而活体脑组织则需要至少五次平均图像才能达到相同的细节水平。此活体脑图像的冠状切面清晰地勾画出外侧膝状体（LGN）及其他皮层下结构；在此，我们还展示了同一脑组织在相同扫描会话中、采用相同成像参数、对40次质子密度加权图像进行平均后的另一切面图像。
该死后脑切片通过一次质子密度容积扫描获得，能够清晰显示皮层下结构，包括左右外侧膝状体（LGN）。此切片展示了在同一扫描参数下平均100次质子密度容积扫描后的死后脑组织图像。放大视图清晰地显示出皮层下结构的边界。
此处展示了体内左侧和右侧LGN以及死后左侧和右侧LGN的线强度分布图。体内的数据采用了40次最大平均值，死后的数据采用了100次平均值。在死后脑组织中，未观察到可归因于体内脑组织分层结构的强度变化。
信号强度存在差异，这可归因于不同层次。观看本视频后，您应能充分理解如何遵循该优化方案，以获取皮层下区域的高分辨率溶液和质子密度图像；一旦掌握此方法，便可应用于临床环境，对活体人类进行扫描时可将扫描时间缩短至15分钟以内，对死后脑组织进行扫描时可缩短至3分钟以内。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本研究提出了一种实验方案，旨在确定为分辨人脑中皮下结构所需采集并平均的最少图像数量。该方案特别测试了在最小化生理噪声的同时，区分外侧膝状体核（LGN）各个独立层次的能力。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 结构磁共振成像
- 皮层下结构
背景
- 皮层下核团体积较小，研究难度较大。
- 研究多集中于患者群体以了解这些结构。
- MRI 的分辨率限制可能妨碍对这些核团的研究。
- 缩短扫描时间有利于临床应用。
研究目的
- 测试结构 MRI 的分辨率极限。
- 比较死后与活体大脑中的皮层下结构。
- 开发一种能有效分辨这些结构的成像方案。
使用方法
- 结构磁共振成像技术。
- 图像的配准与平均处理。
- 生理噪声影响的评估。
- 死后脑组织与活体脑组织研究结果的比较。
主要结果
- 该方案成功解析了皮层下结构。
- 可区分外侧膝状体核的各个分层。
- 扫描时间显著缩短。
- 研究结果有助于理解磁共振成像的空间分辨率极限。
结论
- 该方案的建立有助于对皮层下结构的研究。
- 它为临床磁共振成像应用提供了一种有效的方法。
- 后续研究可在此发现的基础上进一步改进成像技术。
常见问题
行业重要性概述
人类皮层下区域的高分辨率结构磁共振成像能够精确描绘出微小核团，直接影响早期发现和转化神经科学研究的进程。通过确定尸检和活体条件下成像的分辨率极限与噪声约束，本方案为皮层下靶点识别及定量生物标志物开发提供了可预测的置信依据。该方法通过明确对机制性风险降低至关重要的解剖边界，支持在神经治疗产品组合推进过程中进行风险调整决策。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 为神经精神疾病和神经退行性疾病研究中的靶点验证提供皮层下结构完整性的检测手段。
- 通过为小型核团提供高分辨率解剖参考数据，减少机制上的不确定性。
- 支持在选择与疾病相关的皮层下靶点进行深入研究时，提升预测的可信度。
筛选与检测方法开发
- 有助于为下游基于成像的检测制备经过验证的感兴趣解剖区域。
- 提高不同研究间皮层下感兴趣区域勾画的可重复性和标准化水平。
- 实现对定义核团中信号强度和体积等因变量的定量测量。
转化与临床前研究
- 通过实现跨物种和跨模态比较，将成像结果与转化生物标志物策略相整合。
- 支持从发现阶段的成像到皮层下靶点的临床前验证的连续性研究。
- 通过明确与疾病模型相关的解剖学终点，支持基于风险评估的推进策略。
流程与工作流整合
该方案通过提供一种用于高分辨率皮层下成像的标准化方法，融入从发现到临床前研究的连续过程，支持假设检验和定量分析。
- 发现生物学：支持皮层下靶点存在性及解剖学差异的零假设检验。
- 筛选：为基于感兴趣区域（ROI）的筛选工作流程提供可重复、定量的成像输出。
- 分析：实现不同实验条件和队列间信号强度与体积的统计学比较。
- 转化研究：整合活体与死后成像，用于生物标志物对齐及模型验证。
- 企业级复用：建立可重复使用的皮层下结构研究成像与分析流程。
运营与企业影响
- 科学价值：提高对皮层下靶点验证的预测可信度和解剖学精度。
- 操作价值：标准化成像方案，缩短临床和科研环境中的扫描时间。
- 战略价值：通过明确解剖学终点并降低生物学风险，支持更优的决策判断。
- 项目组合影响：支持针对皮层下结构的神经治疗项目的基于风险调整的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备高场强磁共振成像操作和神经解剖学感兴趣区域勾画的专业知识。
- 需要使用先进的磁共振成像硬件和开源图像分析工具（例如 FSL）。
- 要求跨团队对成像参数和感兴趣区域定义进行标准化。
- 针对不同的皮层下区域或疾病模型，可能需要进行适应性调整。
- 在活体应用中，必须考虑生理噪声和扫描时长的限制。
