2022年3月3日, 受上海科技大学生物医学工程学院 (上科大生医工学院) 张雷 (Jeff L. Zhang) 教授邀请, 美国马萨诸塞州总医院马蒂诺生物医学成像中心主任、哈佛医学院放射科 Bruce Rosen 教授做客上科大生医工学院在线学术讲座, 通过 Zoom 会议和 Bilibili 直播, 为全球各地的听众带来题为 “神经影像研究前沿 (Advances in Neuroimaging)” 的学术讲座。
Rosen 教授是国际磁共振学会 (ISMRM) 和美国医学与生物工程学会 (AIMBE) 的会士, 同时也是美国艺术与科学学院 (American Academy of Arts and Sciences)、美国国家发明家科学院 (National Academy of Inventors) 和美国国家科学院医学研究所 (the Institute of Medicine of the National Academies) 的会员。Rosen 教授在生物医学成像领域获得过多个国际重量级奖项, 其中包括北美放射学会 (RSNA) 杰出研究奖和国际磁共振学会 (ISMRM) 金奖等。
Rosen 教授是功能神经成像领域的先驱者。早在20世纪90年代, 他便应用功能磁共振 (fMRI) 进行脑科学的相关研究。最近, 他的研究重点是整合 fMRI 数据与其他成像方式的信息, 包括正电子发射断层扫描 (PET)、脑磁图 (MEG) 和无创光学成像。Rosen 教授团队研发的许多方法正被世界多地的研究中心和医院使用, 进行脑肿瘤、中风、痴呆和心理疾病等研究。
讲座开始, Rosen 教授首先对其所在的马蒂诺中心配备的多套先进 MRI 和 PET 设备进行介绍, 这些设备能够从多个视角探索大脑以及神经系统的结构和功能。
世界各地精神和神经类疾病的高发病率是驱动 MRI 和 PET 等先进影像设备研究大脑的动力。然而, 相较于身体的其他器官, 我们对大脑的精细结构和功能的了解有限。Rosen 教授指出, 与癌细胞或基因的研究不同, 大脑中的各个神经元或受体不能被孤立研究, 我们必须根据其功能, 以及它在局部和全局的连接方式来理解它。因此, 影像在该领域中至关重要。
Rosen 教授认为, 需要从多个尺度进行大脑精细结构的探索与解析, 包括微观尺度、介观尺度和宏观尺度。“微观尺度”, 即微米分辨率, 通常聚焦一个完整神经元与神经元 (突触与突触) 相连的神经系统单元。“介观尺度” 的空间分辨率则为数百微米, 在该尺度上, 局部回路如神经网络形成一个解剖或功能不同的神经元群体。“宏观尺度” 则为毫米级的分辨率, 用于研究大脑系统级的连接体, 这些系统可以被分割成解剖学上不同的模块, 比如区域或节点等, 每个模块都有不同的连接模式。
图1. 马蒂诺斯中心在磁共振领域的创新
接下来, Rosen 教授列举了以上影像技术在临床中的应用。在癫痫疾病的研究中, 研究者通过对比癫痫患者与健康人脑区间功能连接的差异, 帮助外科医生定位受损脑区。在关于精神分裂症患者的研究中, 研究者发现执行任务过程中患者的默认网络连接异常, 该发现表明默认区域的过度激活和默认网络的超连通性导致了精神分裂症患者产生一定的思维障碍。
同样的, 研究者也发现患有自闭症 (autism spectrum disorders) 的儿童在听到 “拥抱” 这个具有强烈情感色彩的词汇时会表现出和正常人不同的大脑激活模式。在一位创伤性昏迷患者的例子中, 通过使用与西门子公司合作的磁共振连接体扫描仪 (connectome scanner), 研究者观察到脑干周围的纤维没有受损, 由此预测出患者苏醒的可能性，该预测在患者昏迷两星期后获得验证。因此, 个性化的连接体分析可以为此类创伤性脑损伤的病人提供更精确的康复几率预测。
脑肿瘤也是当前神经领域研究的一个重点。为了显示肿瘤的微观结构, 传统方法是组织活检, 即从体内取出一部分肿瘤组织放在显微镜下观察。有研究发现, 水分子在肿瘤区域和正常区域运动扩散的特征不同, 因此扩散成像有潜力为组织病理提供无创的测量, 对微观特性敏感的宏观工具进行微观探测，这就是磁共振的奇妙之处。
图2. 关于自闭症儿童的 fMRI 研究
除了磁共振, Rosen 教授还对脑磁图 (magnetoencephalogram) 的研究进展进行了介绍。自闭症患者与正常人相比, 局部和远距离的功能连通性减少。研究者发现远距离功能连接强度与局部功能连接强度直接相关, 并且局部功能连接的强度与自闭症的严重程度相关。通过使用局部和远距离功能连接数据进行统计分类, 可使自闭症诊断的准确率达到90%。
图3. 脑磁图在自闭症中的应用
利用 PET 研究大脑的功能是当前的研究热点之一。Rosen 教授列举了一个应用 FDG(2-[18F]-fluorodeoxyglucose) 定量测量脑葡萄糖代谢动态功能成像的例子。葡萄糖是大脑能量的主要来源, FDG-PET 是动态跟踪葡萄糖代谢变化的影像方法, 该方法具有更高的时间分辨率, 为观察脑代谢功能变化提供了新的途径。
图4. fPET-FDG 可以和 fMRI 同时采集
在讲座的最后, Rosen 教授对神经成像的发展进行了展望。从1981年担任哈佛医学院教授起, Rosen 教授见证了磁共振技术从 0.15T 到 7T 的不断发展, 对未来研发出更高场强的磁共振充满期待, 并且表达了与中国的科学家在该领域进行合作的强烈愿望。Rosen 教授指出, 从更微观的视角探究神经科学的需求将促使我们进一步突破现有的空间-时间分辨率的限制, 持续推动磁共振技术向更高场迈进。
讲座在 Rosen 教授与众位学者的热烈讨论后结束。本次线上学术讲座吸引了上百名 Zoom 会议的参与者并达到了上千的 Bilibili 点击率。
图5. Rosen 教授的结束语
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