去年12月，在明尼阿波利斯的一个寒冷的早晨，一个人走进一个研究中心进行冒险，那里以前只有猪走过：走进了用来扫描人体的最强磁共振成像（MRI）机器。
首先，他换上了医院的长袍，研究人员确保他身上没有金属：没有穿孔，环，金属植入物或起搏器。强大的10.5特斯拉磁铁可重拾任何金属，其重量几乎是波音737飞机的3倍，比已批准用于临床的最强磁铁的强度高出整整50％。几天前，他通过了一项检查，包括对自己的平衡感进行基线测试，以确保可以正确评估因接触磁铁而引起的头晕。在明尼苏达大学磁共振研究中心的MRI室中，他躺在一个4米长的管子中，该管子被110吨磁体和600吨铁屏蔽层包围着，一个小时的髋关节成像价值，软骨薄弱会测试机器分辨率的极限。
中心主任卡米尔·乌古比（Kamil Ugurbil）一直在等待这一天。磁铁面临长时间的延迟，因为需要填充的液氦供不应求。机器最终交付后，在2013年的冰点以下，经过了四年的动物测试并提高了田间实力，之后Ugurbil和他的同事才乐意接受第一批人的运送。即使那样，他们还是不知道自己所看到的。但这值得等待：当扫描在屏幕上实现时，精细的分辨率揭示了保护臀部髋关节的极薄软骨的复杂细节。乌古比尔说：“这是非常令人兴奋和非常有益的。”
这项耗资1400万美元的扫描仪是全球极少数将MRI推向新的磁强度极限的扫描仪之一。如今，医院通常使用场强为1.5英寸或3英寸的机器。但是超高场扫描仪正在上升。世界各地的研究实验室中已经有数十台7-T机器，去年，美国和欧洲都已批准将第一台7-T机器用于临床。在最末端是为人类设计的三台扫描仪，其扫描范围超过10英尺。除明尼苏达大学的机器外，研究人员还准备为两台11.7-T设备进行首次人体测试：一台巨大的设备用于在巴黎郊外CEA Saclay的NeuroSpin中心进行全身扫描，另一台较小的设备用于在巴黎进行脑部扫描。位于马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究院（NIH）。德国，中国和韩国正在考虑制造14-T人体扫描仪。
超高场扫描仪的吸引力显而易见。磁场越强，信噪比越大，这意味着可以以更高的分辨率或以相同的分辨率但更快地对人体成像。在3涂时，MRI机器可以分辨小至1尘埃的大脑细节。该分辨率可以在7-T机器中精确到0.5微米，足以分辨出人类皮层内部的功能单元，并且也许是首次看到了信息如何在人类活脑中神经元集合之间流动。期望具有更高场强的扫描仪的分辨能力至少是7-T设备的分辨力的两倍。
争取获得更高场强的努力提出了一系列挑战。扫描仪更大，更昂贵且技术要求更高。他们还需要更加注意安全性。但是研究人员说，在7涂的工作已经为神经科学和临床应用带来了好处：临床医生可以更精确地引导电极进行深脑刺激治疗，并且还可以比以前更早地检测到骨关节炎。可能之前。
扫描仪提供的细节曾经只有在用强力显微镜成像的切成薄片的尸体样本中才能看到。“这是我们在完整的人类大脑中从未有过的窗户，”加拿大伦敦西部大学Robarts研究所的神经影像科学家Ravi Menon说。
如果您建立它
自从1970年代中期研发出第一台人体扫描仪以来，MRI技术的基本原理并没有太大变化。MRI的心脏仍然是管状的超导磁体，它会产生静态电磁场，该电磁场会重新排列水分子中一小部分的氢质子。一旦这些质子排成一列，扫描仪中的线圈就会发射一小段射频波，从而引起质子的磁场摆动。当无线电脉冲结束时，质子释放能量，发出微弱的无线电波回波，该回波被接收器线圈检测到，并给出了大脑和其他组织的解剖图。
磁场越强，排列的质子比例越大，并且与未排列的质子之间的能量差也越大。这样产生的信号可以比背景噪声更好地检测到。但是场强的每一次跳跃都会带来一些不确定性。“在MRI时代开始之初，许多科学家认为0.5”涂将是MRI的最大磁场强度，因为他们认为活组织的离子电导率将阻止无线电波穿透体内足够远的距离。位于佛罗里达州塔拉哈西的美国国家高磁场实验室的Victor Schepkin。然后，在1980年代，出现了用于临床的1.5-T扫描仪。并且在2002年，3-T扫描仪获得批准。甚至在此之前，研究人员就一直在争取更高的场强。第一批7-T研究型扫描仪于1999年问世。
从3T到7涂的转变带来了一些挑战。生物副作用虽然是暂时的，但更为明显：研究人员说，人们在进出扫描仪时会感到头晕和眩晕。当人们在机器内移动时，他们有时会尝到金属味，看到白色闪烁或经历称为眼球震颤的非自愿眼动。
组织也会过热。因为随着场强的增加，氢核会以更高的频率发生共振，所以超高场MRI必须使用较短的波长，从而使用更高能量的无线电脉冲，以使质子摆动。人体组织从这些波中吸收更多的能量。因此，为避免产生热点（并生成可用图像），必须在管内尽可能多地消除这种能量。研究人员已设计出多种方法来实现此目的。纽约大学医学院的肌肉骨骼放射学家格里高利·张（Gregory Chang）说，一种策略是使用围绕患者排列的可单独调谐的发射器环来产生脉冲。
精细的分辨率也是好运，因为它使扫描仪对微小的运动高度敏感。可以模拟并消除由于呼吸或心跳引起的一些体内重复运动。但是梅农说，在7英寸及以上的最大挑战是低分辨率扫描仪中没有的挑战，这是颅骨内部大脑的非自愿运动。“当我在扫描仪中伸展脚趾时，我的大脑会移动，因为我的脚趾通过脊髓与大脑相连。” Menon说。他补充说，由于心跳，大脑的脉动“在半毫米到毫米的范围内”。他说，解决这些问题是一个持续的研究领域。
科学家们说，即便如此，“ 7'涂”已经揭示了小于1'尘埃的结构，从而为活着的大脑打开了一个新窗口。德国图伯根马克斯·普朗克生物控制论研究所磁共振中心负责人克劳斯·谢夫勒说，这种机制被神经学家称为介观尺度，以前只能由外科医生使用。Scheffler说，使用7涂，“不用打开大脑就能看到所有细节”？
在已揭示的结构中，有六层大脑皮层，即大脑的3毫米厚的外部区域，负责人类的高水平认知。每一层都有一个专长：一个层处理来自其他大脑区域的输入，一些过程信息，还有一些则将该过程的输出传达给大脑的其他部分。跳到7-T机器使研究人员能够测量不同层中的相对活动，这可以揭示信息是如何传播的。梅农说：“与3”涂或1.5涂相比，成像技术有了巨大进步。“通常，我们只说A连接到B，我们可以“说出很多有关信息流向的信息。”
一些团队在人们进行口头和行为测试时使用了这种能力来测量活动，结果揭示了不同层次的活动如何改变皮质过程各个区域的体验（S.J.D.Lawrence等人。NeuroImage http://doi.org/cwbr; 2017）。梅农说：“不仅区域A负责视觉，而且还受注意力，情绪和记忆的调节。”这些问题在动物模型中很难回答。他们显然不思考或言说我们的方式。现在，通过对人类进行7-T扫描，“人类记忆的图像正在出现，这在以前是真的不可用的”。他说。
研究人员还希望更多地了解大脑的柱状组织。尽管人们对其皮质醇在这种情况下的确切作用展开了激烈的争论，但人们认为皮质皮质柱可以进行计算并优先响应特定的刺激，例如物体的方向。这些柱子的长度约为500微米，垂直于皮质层，并通过中间层之一的连接相互连通。如果MRI可以在柱状水平上测量大脑活动，则科学家也许可以使用MRI得出有关单个神经元计算的结论。这将是令人兴奋的，因为MRI的局限性之一是它不能直接测量神经元活动。
参与“人类连接基因组计划”的Ugurbil说，在7'涂进行MRI扫描也可以更好地测量大脑的连通性。该研究工作旨在完全映射大脑神经元之间的联系，已经对3'涂和7'涂的184人进行了扫描。在7 T时，他们检测到的神经网络和神经元之间的连接要比3涂时多得多。Ugurbil说：“关于将其转化为，预测或研究人类疾病的术语，还有待解决。”
但是Ugurbil说这些机器已经显示出对临床诊断和治疗的希望。深脑刺激已被用于治疗许多帕金森氏症患者，通常是通过将电极插入丘脑下核（大脑深部的基底神经节的一部分）来进行的。MRI用于帮助外科医生定位电极，一旦看起来合适，就激活电极以查看其是否击中了正确的目标。但是使用1.5或3-T机器，“有点钓鱼之旅”吗？乌古比尔说。“如果您不在正确的位置，则必须拉出电极，然后稍稍不同地再次插入。”他说，每次，都有可能撞到血管并引起出血。使用7-T扫描仪拍摄的图像消除了所有这些麻烦。他说：“渊源看到您的目标，然后您就走了：一次渗透，您就会有结果。”
使用7-T机器进行的扫描还揭示了有关多发性硬化症的症状和进展的更多信息。用于该疾病的新药物有助于减慢运动功能障碍的发展，随之而来的患者预期寿命和生活质量的提高意味着人们首次注意到了认知问题。梅农说：“这些人中有很多人都可以描述为[注意力缺陷多动障碍]样的症状。”“直到现在为止，这还不知道怎么回事。”梅农小组使用7-T扫描仪，能够在以前未观察到的区域（包括背外侧前额叶皮层）发现病变。负责执行功能和注意力。他说：“从历史上看，这些都是很难看的。”这些病变可能解释了为什么患者出现认知症状。Menon参与了一个重大项目“研究认知功能与病变位置之间的关系”。他说。
如果不需要更高的分辨率，则临床医生还可以在超高场MRI中使用更高的信噪比来更快地扫描，从而在几秒钟内创建图像，否则将花费几分钟，而在几分钟内则将产生图像。需要几个小时。对于患者而言，这在舒适度上有很大的不同。
研究人员还可以超越水面。在7'涂及更高的场强下，MRI不仅可以检测氢核，而且可以检测重元素（如钠，钾，磷和氟）的核，这些元素对磁共振的固有敏感性比氢核低得多。 。
Chang使用纽约大学7-T扫描仪检查钠的生化变化，可能预示着骨关节炎。他说，证据表明，在疾病的早期阶段，“软骨中的钠浓度下降而软骨结构没有任何变化”？其他几个小组在小型研究中复制了结果。Chang希望，如果他们坚持下去，该方法可以用于及早发现骨关节炎，以通过改变生活方式来防止进一步的损害，并允许研究人员更快地进行临床试验，因为他们可以早期发现该病。
超越7
世界上功能最强大的MRI扫描仪位于美国国家高磁场实验室。21.1-T机器的内部空间直径仅为10.5厘米，太小了，无法在人身上使用。Schepkin和他的同事在那里扫描小型动物。他们使用扫描仪研究了例如大鼠脑肿瘤中的钠浓度，他们的结果表明肿瘤中存在的钠量可以表明其对化学疗法的抵抗力（V.D.Schepkin等。真是的雷森中67，1159-166; 2012）。
Schepkin说，起初，在使用成像仪时有些犹豫。他解释说：“有一条规则，就是没人可以独自在磁铁附近工作。”该规则不再适用，但该组织仍然遵守严格的“金属”政策。
扫描仪（不是完全商用的机器）用于动物测试需要花费数年的时间。对于10涂以上的许多新型人类研究扫描仪，该过程同样缓慢。例如，NIH目前正在等待其11.7-T磁体的归还。该机构的一名影像研究人员说，在2011年交付后，该团队过快地打开和关闭了某些扫描仪组件，导致磁铁过热并损坏了一些布线。磁铁需要工厂重建。预计早在2019年。法国NeuroSpin中心的用于11.7-T MRI的5米直径磁体于去年5月交付。该扫描仪计划于2022年首次对人的活脑进行扫描。
Ugurbil于2017年8月获得美国食品和药物管理局的许可，以其10.5-T MRI扫描20人（12月的男子是第一人）。他预计将在几个月内扫描第一个人类的大脑。在这种场强下进行扫描时，研究人员不打算回答任何生物医学问题，而只是测试该过程是否有任何副作用。他说，尽管如此，“开始的图像看起来还是非常壮观”？他是讨论在人类中达到20'涂的努力的小组的成员。
这样的机器产生的热量可能甚至有更多的问题。一些研究人员推测，工作在14英寸以上的扫描仪也可能导致神经传导减慢，刺激周围神经或破坏DNA，尽管Schepkin说，到目前为止，即使在21.1 T的温度下，他在动物中都没有发现这些作用。认为在某个时候对场强会有一定的限制，超过这个范围我们就不会损坏身体：“难道我们认为我们可以永远更高。”？
自然563，24-26（2018）
