Imagen de resonancia magnética funcional, o resonancia magnética funcional, ha transformado nuestra visión del cerebro, permitiendo a los investigadores identificar áreas asociadas con todo, desde la depresión y la demencia hasta jugar al ajedrez y tener relaciones sexuales.

Su limitación clave, sin embargo, es la resolución:incluso los escáneres más potentes, utilizando potentes imanes de 7 a 10 Tesla (7T a 10T), a menudo solo puede localizar la actividad dentro de una región que mide varios milímetros de lado, el tamaño de un grano de arroz, que comprende unos 100, 000 neuronas individuales que hacen una variedad de cosas diferentes.

Para acercar grupos más pequeños de neuronas, Universidad de California, Los investigadores de Berkeley han reinventado las técnicas e instrumentos de resonancia magnética funcional para aumentar la resolución en un factor de 20. Utilizarán una nueva subvención de la Iniciativa BRAIN de 13,43 millones de dólares de los Institutos Nacionales de Salud para construir el NexGen 7T en 2019 para proporcionar imágenes del cerebro con la resolución más alta. alguna vez obtenido, capaz de concentrarse en una región del tamaño de una semilla de amapola.

"Nuestra innovación en tecnología de resonancia magnética requiere un rediseño total de casi todos los componentes del escáner, no solo un cambio incremental, "dijo el investigador principal David Feinberg, profesor adjunto en el Instituto de Neurociencia Helen Wills de UC Berkeley y presidente de Advanced MRI Technologies. "Las imágenes con una resolución mucho más alta superarán las barreras de tamaño en la obtención de imágenes de la corteza y deberían conducir a nuevos descubrimientos en el cerebro humano". con suerte, con un gran impacto médico ".

Con la capacidad de señalar la actividad dentro de un volumen de 0,4 milímetros en un lado, podrán obtener imágenes de regiones funcionales en las que la mayoría de las neuronas están involucradas en el mismo tipo de procesamiento. Las dimensiones son clave porque la capa externa del cerebro, la corteza cerebral, está compuesto por microcircuitos repetidos en forma de columnas de neuronas de 0,4 milímetros de lado y 2 milímetros de largo. En la corteza visual, por ejemplo, cada columna responde a una característica específica del mundo sensorial, como los bordes verticales de los objetos en contraposición a los bordes horizontales.

La resonancia magnética de ultra alta resolución podrá hacer zoom en estas columnas y registrar su actividad, y conectarán más fácilmente estas columnas con estudios de la actividad de neuronas individuales.

"Este es un avance revolucionario, "dijo Ehud Isacoff, director del Instituto de Neurociencia Helen Wills y profesor de biología molecular y celular. "Traería los estudios de la función y los circuitos del cerebro humano a la escala más fina al observar el microcircuito cortical fundamental y, por lo tanto, hacen posible relacionar el análisis no invasivo de la función del cerebro humano con los estudios de células y circuitos locales en animales invasivos de una manera nunca antes posible ".

Seguimiento del flujo sanguíneo

La resonancia magnética funcional (fMRI) funciona al rastrear la sangre oxigenada a medida que se mueve por el cerebro. Las neuronas activas requieren más oxígeno para quemar combustible y, por lo tanto, requieren el suministro de sangre más oxigenada.

La resonancia magnética clínica se usa típicamente para buscar anomalías en el flujo sanguíneo en el cerebro; La resonancia magnética funcional se utiliza principalmente para investigar la función cerebral, localizar áreas que están activas durante procesos como la percepción o la memorización.

La resolución espacial de las grabaciones de fMRI depende de la variación o gradiente del campo magnético e indirectamente del tamaño de los detectores. que son bobinas de alambre colocadas alrededor de la cabeza para captar señales débiles. Si bien las resonancias magnéticas clínicas requieren bobinas grandes para obtener imágenes profundas en el cerebro, Feinberg diseñó un sistema de resonancia magnética funcional con un número mucho mayor de bobinas más pequeñas que proporcionan una señal mucho más fuerte, produciendo la mayor resolución en la superficie externa del cerebro necesaria para identificar las capas clave de la corteza.

El nuevo escáner dará a los neurocientíficos la capacidad de concentrarse en las capas corticales donde reside la mayoría de los circuitos neuronales, así como para identificar mejor los circuitos a gran escala que conectan diferentes regiones del cerebro.

Feinberg y sus colegas colaborarán con Siemens, un líder mundial en la fabricación de escáneres de resonancia magnética, no solo para construir componentes para el nuevo sistema fMRI, pero para asegurar que el diseño se pueda mejorar rápidamente para producir escáneres de próxima generación para investigadores de todo el mundo.

"Este es un tipo novedoso de asociación que permitirá una difusión sin precedentes de conocimiento e innovación a la comunidad investigadora, "Dijo Isacoff.

Feinberg, un físico, formará equipo con Chunlei Liu, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática que se especializa en imágenes por resonancia magnética; Jack Gallant, un profesor de psicología que ha colaborado con Feinberg para probar nuevas formas de extraer información de las fMRI actuales; Ana Arias, profesor de EECS y experto en electrónica flexible; Michael Lustig, un profesor asociado de EECS que desarrolló nuevas formas de acelerar la exploración por resonancia magnética; Michael Silver, un profesor de optometría que usa fMRI para estudiar las áreas visuales del cerebro y cómo el procesamiento neuronal en estas áreas está influenciado por la atención y el aprendizaje perceptual; y Pratik Mukherjee, un neurorradiólogo clínico y profesor de radiología y bioingeniería en UCSF y el hospital de la Administración de Veteranos de San Francisco, que espera utilizar la nueva resonancia magnética funcional para comprender y tratar la lesión cerebral traumática, autismo y epilepsia.

Otros colaboradores clave incluyen investigadores del Departamento de Radiología del Hospital General de la Universidad de Harvard / Massachusetts, incluido Kawin Setsompop, un ingeniero pionero en tecnología de aceleración de imágenes; Lawrence Wald, un físico que diseña e integra tecnología de bobinas; y Jonathan Polimeni, un científico enfocado en fMRI de alta resolución.

"La resolución mejorada proviene de las innovaciones en el diseño de hardware, control de escáner y cálculo de imágenes, "dijo Liu, el colíder del proyecto.

Galante, Liu y Silver también son miembros del Instituto de Neurociencia Helen Wills y la Iniciativa Cerebral de Berkeley.

Berkeley y resonancia magnética

"El resultado de esta fMRI de ultra alta resolución será la vista más avanzada hasta ahora de cómo las propiedades de la mente, como la percepción, memoria y conciencia, emergen de operaciones cerebrales, ", Dijo Feinberg." La capacidad de observar alteraciones en las estructuras y funciones del cerebro avanzará radicalmente en el diagnóstico y la comprensión de las enfermedades neurológicas y neurodegenerativas ".

UC Berkeley ha estado involucrada en el desarrollo de la resonancia magnética desde poco después de que se descubriera la resonancia magnética nuclear por primera vez en la década de 1940. El fallecido físico de UC Berkeley, Erwin Hahn, hizo varios descubrimientos clave, incluido el efecto de eco de giro, que llevó a la resonancia magnética moderna.

Hahn describió los principios para crear una señal de eco de gradiente cambiando rápidamente un gradiente magnético, y el eco de gradiente se convirtió en la base de las imágenes eco planar (EPI), ahora se usa esencialmente para todas las resonancias magnéticas funcionales, Dijo Feinberg. EPI, que hace fotogramas de películas instantáneas del cerebro para realizar fMRI, fue inventado por Sir Peter Mansfield, quien en 2003 compartió el premio Nobel de fisiología o medicina por desarrollar resonancia magnética.

El premio de la Iniciativa BRAIN a Feinberg es la mayor de las cuatro subvenciones de cinco años por un total de 39,7 millones de dólares anunciadas la semana pasada por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas. otorgado a investigadores que desarrollan herramientas de imágenes no invasivas para estudiar el cerebro humano

"Cada proyecto se basa en conceptos novedosos, representando los tipos de herramientas que necesitamos para el futuro de las imágenes no invasivas para la comunidad de las neurociencias, "dijo Guoying Liu, director del programa de resonancia magnética en el NIBIB.