Đẩy mạnh giới hạn hình ảnh não bằng fMRI thời gian thực và hơn thế nữa
Trường Y khoa UNM Phòng thí nghiệm nghiên cứu hình ảnh MR của con người, hợp tác với các nhà khoa học trên khắp thế giới, đang tạo ra bước đột phá mới trong việc phát triển các kỹ thuật MRI để giúp hiểu cách thức hoạt động của não và nâng cao chẩn đoán hình ảnh ở bệnh nhân ung thư.
Các nhóm của chúng tôi đã phát triển các công nghệ hình ảnh tiên tiến—chẳng hạn như chức năng chụp cộng hưởng từ theo thời gian thực—cho phép các bác sĩ giải phẫu thần kinh đưa ra các quyết định quan trọng trong phòng mổ. Những đổi mới này đẩy ranh giới của các công nghệ MRI hiện có để khám phá những gì dòng máu có thể cho chúng ta biết về hoạt động của não.
Công trình gần đây nhất của nhóm được xây dựng trên nền tảng của MRI cấu trúc và chức năng:
- MRI cấu trúc là một công nghệ hình ảnh không xâm lấn để lập bản đồ hình thái não và hoạt động tuần hoàn bằng cách sử dụng từ trường mạnh để sắp xếp các spin hạt nhân, sóng vô tuyến để thay đổi hướng của chúng và nhận tín hiệu từ các spin hạt nhân. Nó có thể tạo ra những hình ảnh có độ phân giải cao để cho thấy sự khác biệt giữa các mô não.
- Chức năng MRI (fMRI) cho phép các bác sĩ đo lường và lập bản đồ các hoạt động của não ở trạng thái bình thường và bệnh tật bằng cách đo lường những thay đổi về cường độ hình ảnh có liên quan đến những thay đổi trong lưu lượng máu. Nó có thể tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao để cho thấy sự gia tăng lưu lượng máu đến các vùng hoạt động của não, tạo ra tín hiệu mạnh hơn trong fMRI.
Để phát triển và triển khai các công nghệ MR mới, các nhà nghiên cứu của chúng tôi làm việc với các cộng tác viên trong nước và quốc tế, bao gồm Đại học Minnesota's Trung tâm Nghiên cứu Cộng hưởng Từ và Đại học Copenhagen ở Đan Mạch, cũng như Mạng Nghiên cứu Tâm trí ở New Mexico.
Chúng tôi cũng đào tạo một số bộ óc khoa học thông minh nhất về vật lý và kỹ thuật tại Đại học New Mexico và các nhà khoa học lâm sàng tại Đại học New Mexico. Trung tâm Khoa học Sức khỏe UNM. Các học viên từ nhiều lĩnh vực khác nhau mang đến những quan điểm mới cho các dự án đang thực hiện nhằm mở rộng công nghệ hình ảnh với mục tiêu giúp nhiều bệnh nhân vượt qua các thách thức về thần kinh.
TurboFIRE: fMRI trạng thái nghỉ cho dữ liệu phẫu thuật thời gian thực
Chúng tôi đang phát triển TurboFIRE (Hình ảnh chức năng Turbo trong thời gian thực) để lập bản đồ hoạt động của não trong quá trình quét fMRI đang diễn ra để cho phép các bác sĩ lập bản đồ vị trí chính xác của vỏ não hùng biện (tức là các vùng não có chức năng cụ thể) để hướng dẫn phẫu thuật ung thư não.
Trong khi các phương pháp fMRI truyền thống lập bản đồ hoạt động của não khi bệnh nhân tham gia vào một nhiệm vụ, thì fMRI trạng thái nghỉ ngơi lập bản đồ các hệ thống não chức năng bằng cách phân tích các biến động lưu lượng máu khi bệnh nhân nghỉ ngơi. Bằng cách triển khai hình ảnh về trạng thái nghỉ ngơi của não trong thời gian thực bằng công nghệ TurboFIRE, chúng tôi có thể mở rộng lợi ích của MRI cho những bệnh nhân bị thương, khuyết tật hoặc trẻ tuổi không thể làm theo hướng dẫn để trải qua fMRI truyền thống.
Ngoài ra, TurboFIRE tương thích với các phương pháp thu thập dữ liệu fMRI tốc độ cực cao mới nhất cung cấp độ phân giải thời gian hàng trăm mili giây và tăng cường đáng kể độ nhạy so với các phương pháp thu thập dữ liệu fMRI truyền thống.
Chúng tôi hiện đang dịch công nghệ này sang môi trường phẫu thuật để cho phép các bác sĩ giải phẫu thần kinh lập bản đồ vỏ não hùng hồn trước, trong và sau phẫu thuật bằng máy quét MRI trong phẫu thuật. Các đồng nghiệp của chúng tôi tại Trung tâm Y tế Đại học Minnesota đang sử dụng máy quét IMRIS được chuyển vào phòng mổ để lấy dữ liệu fMRI nhằm theo dõi sự thành công của ca phẫu thuật.
Bằng cách sử dụng TurboFIRE, các chuyên gia của chúng tôi có thể lập bản đồ các chức năng cụ thể như ngôn ngữ, chuyển động hoặc tầm nhìn tới vùng hoạt động não tương ứng của chúng trong phạm vi milimet khi não ở trạng thái nghỉ ngơi. Mục tiêu của công việc hiện tại của chúng tôi là xác định xem fMRI trạng thái nghỉ có thể giúp cải thiện độ chính xác của phẫu thuật thần kinh hay không bằng cách cung cấp bản đồ chi tiết về cấu trúc hùng hồn của bệnh nhân kiểm soát chuyển động, lời nói và nhận thức.
Có nhiều ứng dụng bổ sung cho công nghệ thú vị này, từ lập bản đồ trước khi phẫu thuật ở bệnh nhân động kinh đến theo dõi kích hoạt ngôn ngữ và sử dụng phản hồi thần kinh để thay đổi trạng thái não. TurboFIRE hiện đang được sử dụng tại Trung tâm Nghiên cứu Cộng hưởng Từ và tại Mạng Nghiên cứu MIND, và chúng tôi rất mong muốn triển khai nó tại UNM Health.
Hình ảnh trao đổi chất tốc độ cao: PEPSI và hơn thế nữa
Một bước phát triển thú vị khác về MRI trong phòng thí nghiệm của chúng tôi là công nghệ hình ảnh quang phổ MR tốc độ cao có tên là PEPSI (Hình ảnh quang phổ phẳng Proton Echo Planar) cho phép chúng tôi lập bản đồ các chất sinh hóa não ở 3 chiều trong thời gian quét ngắn. Quang phổ MR là một phương pháp phân tích sinh hóa để đo thành phần sinh hóa của mô dựa trên mẫu quang phổ của từng chất sinh hóa.
Hình ảnh quang phổ có thể phát hiện những thay đổi sinh hóa trong não có liên quan đến khối u và những thay đổi này đặc hiệu cho các loại khối u khác nhau. Nói cách khác, PEPSI cho phép chúng tôi nhanh chóng chụp ảnh 3D, sinh hóa của não để giúp bác sĩ chẩn đoán, quản lý và theo dõi kích thước, vị trí và loại ung thư não chính xác.
Chúng tôi đã phát triển kỹ thuật tốc độ cao này để cho phép quét nhanh và chính xác hơn. Trong khi việc tạo ra một hình ảnh quang phổ điển hình có thể mất 20 phút hoặc lâu hơn, PEPSI cho phép chúng tôi tạo ra các hình ảnh 3D chỉ trong vòng ba phút. Thời gian quét ngắn này cho phép chúng tôi tích hợp PEPSI vào một giao thức hình ảnh lâm sàng.
Tương lai của hình ảnh não đang rộng mở. Thêm ví dụ về nghiên cứu đang được tiến hành trong phòng thí nghiệm bao gồm:
- Kết nối trạng thái nghỉ tần số cao trong fMRI tốc độ cao để khắc phục các hạn chế kỹ thuật của fMRI trạng thái nghỉ truyền thống.
- Lập bản đồ các đặc tính khuếch tán của sinh hóa não để thăm dò môi trường nội bào của các khối u não.
- Kết hợp các phương pháp MRI chức năng và trao đổi chất để lập bản đồ đồng thời vỏ não và sinh hóa não.
- Theo dõi phản ứng hóa trị liệu tân bổ trợ trong ung thư vú bằng cách sử dụng hình ảnh quang phổ 3D MR tốc độ cao của toàn bộ Choline.
- Phát triển các phương pháp phản hồi thần kinh dựa trên fMRI trạng thái nghỉ trong thời gian thực để lập bản đồ và thay đổi trạng thái não.
Trong Phòng thí nghiệm nghiên cứu hình ảnh MR của con người, chúng tôi vượt qua ranh giới của công nghệ mỗi ngày. Đó là nơi khoa học thú vị diễn ra, khi chúng ta mở rộng kiến thức về não bộ, xây dựng nền tảng cho những tiến bộ trong tương lai trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và mở rộng biên giới tri thức nhân loại.
Thực tập sinh có những đóng góp quan trọng trong phòng thí nghiệm
Trong khi hiểu bộ não là công việc nghiêm túc, ocác thực tập sinh sáng tạo của bạn có rất nhiều niềm vui trong phòng thí nghiệm. Họ đến từ nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như kỹ thuật hạt nhân, kỹ thuật điện, vật lý, tâm lý học và y học và mang đến một góc nhìn mới cho mọi dự án.
Đóng góp của họ là hữu hình. Chúng tôi áp dụng một cách tiếp cận khoa học nghiêm ngặt và thường những ý tưởng đáng chú ý của họ trở thành một phần trong các dự án của chúng tôi. Các thực tập sinh và học viên của chúng tôi không chỉ có được trải nghiệm thực tế với các công nghệ hàng đầu mà còn giúp xây dựng chúng.
Là nhà khoa học, điều quan trọng là chúng ta thừa nhận rằng có giới hạn đối với những gì chúng ta biết. Trong Phòng thí nghiệm nghiên cứu hình ảnh MR của con người, chúng tôi vượt qua ranh giới của công nghệ mỗi ngày. Đó là nơi khoa học thú vị xảy ra, khi chúng ta mở rộng kiến thức về não bộ, xây dựng nền tảng cho những tiến bộ trong tương lai trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và mở rộng biên giới tri thức của con người.