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

点击翻译按钮获取中文摘要

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.