一种利用临床MRI设备对大脑代谢活动进行成像的新技术，可能为研究人员和临床医生提供有关大脑功能和疾病的独特见解。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的研究人员报告称，这种非侵入性的高分辨率全脑代谢成像揭示了不同脑区之间的代谢活动和神经递质水平差异，发现了脑肿瘤中的代谢改变，并对多发性硬化症病灶进行了定位和特征描述——而患者只需花费数分钟进行MRI扫描。
该研究由电气与计算机工程教授梁志培（Zhi-Pei Liang）领导，他是贝克曼先进科学技术研究所（Beckman Institute for Advanced Science and Technology）的成员。研究团队在《自然生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）期刊上发表了他们的研究成果。
“理解大脑如何工作，以及它在受伤或患病时会发生什么，被认为是当今科学界最令人兴奋且最具挑战性的任务之一，”梁志培说，“在过去的四十年中，MRI在解开大脑奥秘方面发挥了重要作用。我们的新技术为MRI的大脑成像能力增加了另一个维度：可视化脑代谢并检测与脑疾病相关的代谢变化。”
传统MRI提供了大脑结构的高分辨率详细成像，功能性MRI通过检测血流和血氧水平的变化来映射大脑活动，这些变化与神经活动密切相关。然而，它们无法提供关于大脑代谢活动的信息，这对于理解大脑功能和疾病至关重要，论文的第一作者、博士后研究员赵一博（Yibo Zhao）表示。
“代谢和生理变化通常在结构性和功能性异常在传统MRI和fMRI图像上可见之前就已发生，”赵一博说，“因此，代谢成像可以实现脑疾病的早期诊断和干预。”
MRI和fMRI技术均基于水分子的磁共振信号，而这项新技术则测量脑代谢物、神经递质以及水分子的信号，这种方法被称为磁共振波谱成像（MRSI）。赵一博指出，这些MRSI图像可以为大脑功能和疾病过程提供重要的新见解，并提高脑疾病检测和诊断的敏感性和特异性。
其他尝试进行MRSI的努力因成像时间过长和神经递质信号被噪声掩盖而受阻。新技术解决了这两个问题。
“我们的技术通过协同整合超快数据采集与基于物理的机器学习数据处理方法，克服了快速高分辨率代谢成像的几个长期存在的技术障碍，”梁志培表示。借助新的MRSI技术，伊利诺伊团队将全脑扫描所需时间缩短至12分半钟。
研究人员在多个群体中测试了他们的MRSI技术。在健康受试者中，他们发现并绘制了不同脑区之间不同的代谢和神经递质活动，表明这种活动并非普遍一致。在脑肿瘤患者中，研究人员发现即使是临床MRI图像显示相同的肿瘤，不同等级的肿瘤也存在代谢改变，如胆碱和乳酸升高。在多发性硬化症患者中，该技术检测到了与神经炎症反应和神经元活动减少相关的分子变化，这些变化在临床MRI图像上可见之前最多可提前70天出现。
研究人员预见其技术具有广泛的临床应用潜力：通过追踪代谢变化，临床医生可以评估针对神经系统疾病的治疗效果，梁志培说。代谢信息还可以根据患者的独特代谢特征为他们量身定制治疗方案。
“高分辨率全脑代谢成像具有显著的临床潜力，”梁志培说，他早年曾在已故伊利诺伊大学教授保罗·劳特伯（Paul Lauterbur）的实验室工作，后者因开发MRI技术获得了诺贝尔奖。“保罗设想了这一激动人心的可能性和总体方法，但在临床环境中实现快速高分辨率代谢成像的梦想一直非常困难。”
“随着医疗保健向个性化、预测性和精准医疗方向发展，这种高速、高分辨率的技术可以为满足非侵入性代谢成像在临床应用中的迫切需求提供及时有效的工具。”
本研究得到了阿诺德和梅布尔·贝克曼基金会（Arnold and Mabel Beckman Foundation）的支持。
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