Breaking Spatiotemporal Barriers of MR Imaging Technologies to Study Human Brain Function and Neuroenergetics

项目总结： 了解神经网络电路如何工作，以及如何在介观(亚毫米)尺度上相互连接。 神经能量代谢系统和神经递质在休息和工作状态下支持大脑功能。 对脑科学研究和脑科学倡议至关重要。磁共振成像技术(MR)和成像技术(MRI)，包括功能成像技术 磁共振成像(FMRI)和磁共振波谱成像(MRSI)是在活体内进行的，它是使人们能够从神经成像到神经成像的唯一的医学模式。 活动、功能和连接能力以及大脑结构在大脑皮层和柱状层水平，包括神经能量学和神经功能学。 神经递质存在于人类大脑中。然而，解决这一基础神经科学问题仍然是一项具有挑战性的任务。 目前还不存在需要更高灵敏度和更高时空分辨率的问题。 油田的实力一直是应对这一挑战的主流模式，然而，除了高昂的成本外，它还构成了一种挑战。 安全和令人担忧的是，大脑和组织中射频(RF)和功率的比吸收率(SAR)值升高。 为了更好地解决基于磁共振的医学成像技术所面临的主要技术挑战和局限性，我们将拥有。 通过推出世界上最先进的超高绝缘体介电常数，率先推出了一种全新的创新技术和高性价比的电气工程解决方案。 (UHDC)以前的公司与射频线圈公司合作，在灵敏度和时空分辨率方面有了很大的改善。 FMRI技术与MRSI、和协同降低了超高分辨率油田(UHF)的SAR，并得到了美国国立卫生研究院(NIH)和R24的资金支持，对吧？ 我们已经取得了很大的进展，取得了可喜的成果，这是为了证明这一概念。在这项U01建议中，我们将继续进一步发展。 并将以下三项先进技术集成在一起：(I)将固定电源和/或可调电源与先进电源整合在一起。 射频线圈技术，用于最大限度地提高MR成像的灵敏度，并将SAR降至最低；;(II)通过更多的开发来实现光谱成像。 空间谱相关分析(SPICE)技术可显著提高信噪比(SNR)。 时空分辨率；;(III)超高频和MR技术要求进一步提高光谱的灵敏度和分辨率。 MRSI。这些技术的最新集成将在UHF实现更多的累积测试和前所未有的测试改进。 并打破目前时空分辨率的障碍，最终实现超高分辨率的功能磁共振成像。 神经中枢的活动、神经回路的功能和动力学、功能和功能的连通性以及神经网络在中观水平上的表现在3%和3%之间。 7特斯拉(T)；;和II)具有非常高的分辨率，以及用于功能成像的全脑和多核磁共振成像技术。 神经能量型神经递质和神经递质在超高场(7T和110.5T)对脑刺激的反应中发生变化。 具有更优越的分辨率(GB5 mm各向同性)，其分辨率可与常规磁共振成像相媲美。随着新技术的发展。 将由一个由来自明尼苏达大学和宾夕法尼亚大学的跨学科研究人员组成的国际财团来实施。 伊利诺伊州立大学和伊利诺伊州立大学在厄巴纳-香槟分校合作。这个项目的成功将迎来下一个世纪。 基于MR的新一代智能多模智能神经成像技术全面提供卓越的时空分辨率。 为广博的大脑和研究、技术和技术带来变革性的技术，产生全面的技术和高保真的数据库技术。 人类大脑认为，这一点也可以由科学界共享。

PROJECT SUMMARY    Understanding how neural circuits operate and interconnect at mesoscopic (sub-­millimeter) scale, and how  neuroenergetic  metabolism  and  neurotransmitters  support  brain  function  at  resting  and  working  state  is  essential to brain research and BRAIN Initiative. Magnetic resonance (MR) imaging (MRI), including functional  MRI  (fMRI)  and  in  vivo  MR  spectroscopic  imaging  (MRSI),  is  the  sole  modality  enabling  to  imaging  neural  activity,  functional  connectivity  and  brain  structure  at  cortical  layer  and  column  level,  neuroenergetics  and  neurotransmitters  in  human  brain.  However,  it  remains  challenging  to  address  fundamental  neuroscience  questions requiring much higher sensitivity and spatiotemporal resolution currently unavailable. Increasing MR  field  strength  has  been  the  prevailing  paradigm  to  tackle  the  challenge,  however,  beside  high  cost,  it  poses  a  safety concern from elevated specific absorption rate (SAR) of radiofrequency (RF) power in the brain tissue.     To  address  the  technical  challenges  and  limitations  faced  by  the  MR-­based  imaging  techniques,  we  have  pioneered  an  innovative  and  cost-­effective  engineering  solution  by  introducing  the  ultra-­high  dielectric  constant  (uHDC)  former  incorporated  with  RF  coils  for  large  improvements  of  sensitivity  and  spatiotemporal  resolution  for  fMRI and MRSI, and synergistically reducing SAR at ultrahigh field (UHF). With the NIH R24 funding support, we  have  made  progress  with  promising  results  for  proof  of  concept.  In  this  U01  proposal,  we  will  further  develop  and  integrate  three  advanced  technologies:  i)  fixed  and/or  tunable  uHDC  formers  incorporated  with  advanced  RF coil technology for maximizing MR sensitivity and minimizing SAR;; ii) SPectroscopic Imaging by exploiting  spatiospectral  CorrElation  (SPICE)  technique  for  significantly  boosting  signal-­to-­noise  ratio  (SNR)  and  spatiotemporal  resolution;;  iii)  UHF  MR  technology  for  further  improving  sensitivity  and  spectral  resolution  of  MRSI. The integration of these technologies will achieve cumulative and unprecedented improvements at UHF  and  break  current  barriers  of  spatiotemporal  resolution,  ultimately  enable  i)  ultrahigh-­resolution  fMRI  mapping  of neural activity, circuits and dynamics, and functional connectivity and networks at mesoscopic scale at 3 and  7  tesla(T);;  and  ii)  very  high  resolution  and  whole-­brain  multinuclear  MRSI  for  functional  mapping  of  neuroenergetic and neurotransmitter changes in response to brain stimulation at ultrahigh fields (7T and 10.5T)  with  an  superior  (£5mm  isotropic)  resolution  comparable  to  conventional  fMRI.  The  technology  developments   will  be  carried  out  by  a  consortium  among  interdisciplinary  researchers  from  University  of  Minnesota,  Penn  State  University  and  University  of  Illinois  at  Urbana-­Champaign.  Success  of  this  project  will  usher  the  next   generation  of  MR-­based  multimodal  neuroimaging  technology  offering  superior  spatiotemporal  resolution  fully  transformative  for  broad  brain  research,  and  generate  comprehensive  and  high  fidelity  database  of  healthy  human brain that can be shared by scientific community.