强磁场下大型哺乳动物新型磁共振成像技术与方法的开发与应用

Large mammalians, including non-human primates (NHP), have been widely used in life science research. MRI study on NHPs is currently carried out under low magnetic field. This proposal will use the advanced 9.4 T wide-bore MRI facility at High Magnetic Field Lab (HMFL) to study the connectivity between brain structure and brain function in large NHP animal models. The key MR imaging and spectroscopic methods that will be developed include phase imaging, susceptibility tensor imaging, SSFP functional imaging, and inter-molecular multi-quantum (iMQC) spectroscopy. The research aim is to explore the high field phase imaging mechanism, the theoretical basis of the SSFP functional imaging, as well as brain metabolism and brain function. The implementation of the project will provide important new imaging tools for clinical and life sciences research. Studies in the connectivity between brain structure and brain function in large NHP also give new insight into the understanding of the human brain.

非人类灵长类大型哺乳动物已广泛应用在包括临床医学的生命科学研究，但相关的MRI研究还在低场下展开。本申请将依托强磁场科学中心的9.4 T 40 cm大型哺乳动物磁共振成像装置，围绕猴子等非人类灵长类大型哺乳动物，开发一系列与脑结构及功能连接研究相关的关键的高场成像技术与谱学方法，其中包括相位成像新技术、磁敏感张量成像技术、SSFP功能成像方法、抗磁场畸变的iMQC高分辨谱学技术等。研究目标是系统探索高场下的相位成像的机制与机理、SSFP功能成像的理论基础、以及活体生物代谢与脑结构和功能的关系。本项目的执行将为临床医学和生命科学提供重要的新颖的技术，而高场成像和谱学技术的研究、非人类灵长类大型哺乳动物的脑功能结构与功能连接也具有重要的学术意义和应用前景。

本项目主要依托稳态强磁场大科学装置下9.4 T 40 cm大型哺乳动物磁共振成像装置，利用猴子等非人类灵长类动物模型，开发了一系列与脑结构及功能连接研究相关的高场成像新技术与谱学方法。在项目执行期内，在猴脑活体高分辨结构成像、磁敏感成像、新型磁共振造影剂、猴脑功能动物模型、光遗传磁共振成像、非均匀场波谱技术与波谱成像、多通道阵列线圈及9.4T共形化射频线圈多方面开展了广泛研究，完成了项目的主要工作任务。结构成像方面，首次获得了9.4T下100微米量级分辨率的猕猴活体脑成像，是目前相关报道的最高水平，显著提高了非人类灵长类大型哺乳动物的脑结构研究水平。利用磁敏感成像技术，发现了缺氧条件下血红蛋白的铁在脑基底神经节的沉积，为相关疾病的机制研究与治疗提供了重要的影像学参考。发展了多种高场新型磁共振成像造影剂，其中一种可以选择性地在活体中结合与细胞凋亡相关的蛋白因子，使磁共振成像具备观察活体衰老及肿瘤组织死亡等一系列生物活体过程。建立了一种非人类灵长类脑瘫的动物模型，为利用磁共振成像研究与脑发育相关的疾病机制及治疗手段提供了重要的技术支持。发展了高场下光遗传脑功能成像的新技术，并在9.4T下得到了初步验证。提出了创新的组织透明新机制，发展了整体组织透明新技术。发展了多项高场下非均匀磁场条件下的波谱及波谱成像技术，克服了高场下磁场强畸变导致的谱线弱化与信号丢失。独立开发的共形磁共振成像射频线圈具备了100微米量级的猴脑高分辨图像质量，同时具备优秀的多物种兼容性及优异的图像质量，为相关研究的继续开展提供了一流的技术支撑。