一种使用临床MRI机器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关于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、高分辨率的全脑代谢成像揭示了不同脑区之间代谢活动和神经递质水平的差异；发现了脑肿瘤中的代谢变化；并描绘和描述了多发性硬化病灶——患者只需在MRI扫描仪中花费几分钟时间。
由梁志培（Zhi-Pei Liang）教授领导的团队在《自然生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）期刊上报告了他们的发现。梁志培是该校电气与计算机工程系教授，也是贝克曼先进科学技术研究所（Beckman Institute for Advanced Science and Technology）的成员。
“理解大脑如何运作以及受伤或患病时会出现什么问题，被认为是当今最令人兴奋且最具挑战性的科学事业之一，”梁志培说。“四十年来，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的大脑成像能力增添了另一个维度：可视化脑代谢并检测与脑疾病相关的代谢变化。”
传统的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，它们无法提供有关大脑代谢活动的信息，这对于理解功能和疾病非常重要，博士后研究员赵一博（Yibo Zhao）表示，他是这篇论文的第一作者。
“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。这项新技术测量脑代谢物和神经递质以及水分子的信号，这种技术被称为磁共振波谱成像（MRSI）。赵一博表示，这些MRSI图像可以为脑功能和疾病过程提供重要的新见解，并能提高检测和诊断脑疾病的敏感性和特异性。
其他尝试MRSI的努力因捕获图像所需时间长以及掩盖神经递质信号的高噪声水平而受阻。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方法进行数据处理，克服了几项长期存在的快速高分辨率代谢成像技术障碍，”梁志培说。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，研究人员发现并绘制了不同脑区的不同代谢和神经递质活动，表明这种活动并非普遍存在。在脑肿瘤患者中，研究人员发现了不同级别肿瘤中的代谢变化，例如胆碱和乳酸升高——即使肿瘤在临床MRI图像上看起来相同。在多发性硬化症患者中，该技术检测到与神经炎症反应和神经元活动减少相关的分子变化，研究人员报告称，这些变化在临床MRI图像上变得可见前多达70天。
研究人员预见他们的技术有广泛的临床应用潜力：通过跟踪代谢变化，临床医生可以评估神经系统疾病治疗的有效性，梁志培说。代谢信息还可以根据患者的独特代谢特征量身定制治疗方案。
“高分辨率全脑代谢成像具有显著的临床潜力，”梁志培说，他职业生涯始于已故伊利诺伊教授Paul Lauterbur的实验室，Lauterbur因开发MRI技术而获得诺贝尔奖。“Paul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。
“随着医疗保健朝着个性化、预测性和精准医学的方向发展，这种高速、高分辨率的技术可以提供及时有效的工具，以满足临床应用中对于无创代谢成像的迫切需求。”
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