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

项目摘要 了解神经回路如何在介观（亚毫米）尺度上运作和互连，以及如何 神经能量代谢和神经递质在休息和工作状态下支持大脑功能， 对大脑研究和大脑计划至关重要。磁共振成像（MRI），包括功能性 MRI（fMRI）和体内MR光谱成像（MRSI）是能够对神经系统进行成像的唯一模式。 活动，功能连接和大脑结构在皮层层和列水平，神经能量学和 人类大脑中的神经递质。 然而，解决基础神经科学仍然具有挑战性， 需要更高的灵敏度和时空分辨率的问题目前不可用。增加MR 场强一直是解决这一挑战的主流范例，然而，除了高成本之外，它还提出了一个 脑组织中射频（RF）功率比吸收率（SAR）升高的安全性问题。 为了解决基于MR的成像技术所面临的技术挑战和局限性，我们 通过引入超高介电常数， （uHDC）形成器与RF线圈结合，用于大幅度提高用于测量的灵敏度和时空分辨率。 fMRI和MRSI，并协同降低SAR在超高频（UHF）。在NIH R24的资助下，我们 在概念验证方面取得了可喜的进展。 在U 01提案中，我们将进一步开发 并集成三种先进技术：i）固定和/或可调谐uHDC形成器， RF线圈技术，用于最大化MR灵敏度和最小化SAR; 空间谱相关（SPICE）技术显著提高信噪比（SNR）， iii）UHF MR技术，用于进一步提高 MRSI。这些技术的集成将在UHF上实现累积和前所未有的改进 并打破目前时空分辨率的障碍，最终使i）100 - 1000分辨率的功能磁共振成像映射 神经活动，电路和动力学，以及功能连接和网络在中观尺度在3和 7特斯拉（T）; ii）极高分辨率和全脑多核MRSI，用于功能定位， 在磁场（7 T和10.5T）下对脑刺激作出反应的神经能量和神经递质变化 具有与常规fMRI相当的上级（± 5 mm各向同性）分辨率。 技术发展 将由来自宾夕法尼亚州明尼苏达大学的跨学科研究人员组成的联盟进行 州立大学和伊利诺伊大学厄巴纳分校尚潘。 这个项目的成功将迎来下一个 一代基于MR的多模态神经成像技术，充分提供上级时空分辨率 为广泛的大脑研究带来变革，并生成全面和高保真的健康数据库。 科学界可以共享的人类大脑。

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.