磁共振成像(MRI)扫描仪在20世纪70年代首次使用，它利用强磁铁和无线电频率检查人体软组织。从那时起,核磁共振技术采蘑菇;根据国际磁共振医学学会(International Society for Magnetic Resonance in Medicine)的数据，许多医院都有这种机器，每年约有1000万人接受核磁共振扫描。爱游戏提现客服对于医生来说，这是一种安全、非侵入性的观察皮肤以外的方法，尤其适用于诊断癌症、大脑和心血管疾病。
老鼠大脑的图片。动物正在900兆赫的磁铁背景下接受检查。
从更成熟的领域发展而来核磁共振(核磁共振)，核磁共振仍然是一项年轻的技术。爱游戏体爱游戏提现客服育是什么国家强磁场实验室处于核磁共振技术发展的前沿。事实上，实验室的900 MHz核磁共振磁体是世界上最强的核磁共振扫描仪．然而，读到这篇文章的人都没有资格成为病人:这台机器只能容纳最娇小的病人——老鼠、鸟、仓鼠和大鼠。
如果你认为这是一个缺点，再想想:机器在空间上的不足，它在动力上弥补了。科学家测量磁场的单位叫做特斯拉．例如，冰箱磁铁能产生约0.01特斯拉的磁场。一个典型的医院磁共振磁体大约是1.5特斯拉。我们的900兆赫磁铁要强得多:21.1特斯拉。为了制造一个更强的核磁共振磁体，你缩小了孔的宽度——磁体的中间，病人去的地方。这就是为什么我们的超级磁铁的孔如此狭窄(105毫米宽，或约4英寸)，相比之下，医院的核磁共振成像要弱得多。
人类可能不适合这台核磁共振成像仪，但他们肯定会从中受益。科学家们用它来研究一系列广泛的人类疾病和失调，从帕金森氏症到癌症，从肌肉退化到卢伽雷氏症，从脑损伤到药物滥用。代替人类患者的是动物模型，大小从果蝇到老鼠不等。在这篇文章中，你可以读到一些关于这个神奇仪器的研究，以及人们如何从这些科学家和他们毛茸茸的、有羽毛的甚至有天线的病人所做的工作中获益。
羽毛朋友帮助科学家了解烟草
判断对错:尼古丁对你有害。
不管你怎么回答，你都是对的。尼古丁对你有好处。对你也不好。这至少在一定程度上取决于你接触尼古丁的年龄。
苏珊娜·卡彭迪克和斑胸草雀。
这是一个医学谜团，佛罗里达州立大学医学院助理教授Susanne Cappendijk正试图在MagLab的900兆赫磁铁和一些漂亮的羽毛朋友的帮助下解开。
Cappendijk一直在研究尼古丁等药物对斑胸草雀大脑的长期影响。为什么选斑胸草雀?事实证明，这些美丽的小鸟，体重约15克，必须学习唱歌，就像婴儿学习说话一样。它们大脑中参与歌曲学习和记忆(认知功能)的区域与人类的类似结构相似。此外，这些动物成熟得相对较快:孵化后90天内，它们就性成熟了。因此，对雀类的长期研究可以在比啮齿动物和灵长类动物模型更短的时间内进行。
在孕妇中，尼古丁很容易穿过胎盘，导致孩子的生长和神经行为异常(认知功能紊乱)。根据一些研究，这些缺陷至少会持续到1岁，而另一些研究表明，它们可能会持续到儿童晚期或青春期。
相反，研究表明尼古丁实际上可以增强患有神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)的患者的记忆和其他神经过程。
Cappendijk的雀帮她弄清楚为什么年轻人和老年人的大脑反应如此不同。
卡彭迪克的一种雀。
她说:“我们在实验室所做的是试图寻找正在发育的斑胸草雀大脑的潜在行动机制。”“为什么(尼古丁)在你年轻时对大脑有这么大的损害，而当你是老年痴呆症患者时，它对你的大脑是有益的?”
Cappendijk与MagLab的Sam Grant (FAMU-FSU工程学院的工程助理教授)合作，在给雀注射药物前后对它们进行了检查。她监测各种变化，包括行为、运动、歌曲模式、饮食和体重。她还研究了大脑中发生的事情:这就是MagLab的“900”的用用点，它是世界上最强大的MRI机器。
在900个实验中，Cappendijk在注射前扫描了雀类的大脑，几周后再把它们带回来。她解释说:“我们重新扫描动物，然后我们有两个模板，我们可以把另一个放在另一个上面，我们可以看到尼古丁是如何影响大脑核的。”
Cappendijk说:“我可以看到使用900时大脑的某些区域发生了体积变化，但我看不出这种变化是由什么引起的。”为了回答这个“为什么”的问题，必须牺牲动物并检查它的大脑。Cappendijk和她的学生寻找基因变化和尼古丁作用的神经通路，这对年轻和年老的雀类来说可能是不同的。
斑胸草雀的大脑切片。
对于这种强度的磁铁来说，900有一个非常大的实验空间——足够容纳活的雀类。这不仅可以让Cappendijk设计出更好的实验，还可以减少她需要牺牲的鸟类数量。
Cappendijk解释说:“在我可以选择去900个诊所之前，我必须在(注射)前牺牲动物来建立一个基线，之后我也必须牺牲动物。”“但问题是，动物不是它自己的控制对象，所以可能存在天生的遗传差异，这可能会影响数据的解释。使用900可以让我们把动物作为自己的对照，这是非常重要的。”
Cappendijk说，这些研究由詹姆斯和埃斯特·金生物医学研究项目、第一年助理教授补助金奖和FSU生物医学科学系资助，将为她的长期研究目标奠定基础:有助于了解尼古丁受体在与年龄相关的神经退行性疾病中的作用，并研究尼古丁疗法如何治疗这些疾病，而没有尼古丁的毒副作用。
Jeong-Su金他是佛罗里达州立大学人文科学学院的助理教授，研究肌肉减少症，即通常由衰老引起的骨骼肌萎缩。在他的研究中，金使用了老年大鼠和小鼠，它们的肌肉已经开始经历动物衰老时发生的代谢和微观结构变化。
从体外到体内:研究肌肉退变的新前沿
金教授(对着镜头)和博士后们正在给动物做手术。
Kim正在与MagLab工程师Sam Grant合作，开发研究这种情况的新技术，到目前为止，这种情况几乎只被研究过在体外即从人类或动物患者身上移除组织，以便在细胞水平上分析样本。通过这种方式，科学家们进行交叉研究，将一组较年轻的动物与一组较年长的动物进行比较。
但在体外交叉研究有其局限性。它们不适用于研究数月或数年的肌肉退化进程。
“几乎所有细胞水平的肌肉减少症研究都是由在体外纸巾，”Kim说。“我们想这么做在活的有机体内肌纤维大小的测定使用磁共振，特别是在900兆赫磁铁。900足够敏感，可以在不牺牲动物的情况下估算肌肉细胞大小的变化，所以我们可以对同一只动物进行多年的纵向研究——也许从它出生到死亡——看看细胞大小发生了什么变化。”
大鼠后腿骨骼肌的MRI图像。
在肌肉减少症中，骨骼肌细胞萎缩，导致肌肉质量、力量和功能的丧失。饮食和锻炼可以减缓这一过程，提高老年人的生活质量;Kim正在研究与骨骼肌再生有关的蛋白质和基因，以了解运动如何降低肌肉减少症的发病率。
金还没有任何答案;他们仍在开发和测试利用这种强大磁铁的技术。但在活的有机体内实验有望为肌肉减少症提供新的见解，并开辟全新的研究领域。
“一开始，当我听说(900)的可能性时，我非常兴奋，”Kim说。“这将是一个缓慢的过程，但我认为这是可行的。”
寻求化疗的替代方案
MagLab生物物理学家维克多Schepkin使用900兆赫的核磁共振磁体来研究脑肿瘤。在由美国国立卫生研究院资助的研究中，Schepkin爱游戏提现客服正在做两种核磁共振成像:扩散磁共振成像而且钠核磁共振．
Victor Schepkin准备将一个含有老鼠的探针插入900兆赫的磁铁中。
一般来说，核磁共振成像仪会拍摄水的照片。磁铁被调整为寻找氢质子，所以它可以绘制出所有氢的地图2啊，在你的身体里;这就是为什么它能很好地拍摄充满水的软组织，而不是(原谅这个双关语)非常干燥的骨骼。
相比之下，弥散核磁共振不仅追踪位置体内的水分，但运动那水。Schepkin使用这种技术研究化疗对患有脑瘤的大鼠的影响。下面的图片描述了水在这种啮齿动物大脑中的扩散。左边的扫描显示的是化疗前的大脑;较浅的区域是肿瘤。右边的图像显示了化疗后4天大脑的同一部分。右边肿瘤中较浅的阴影表明肿瘤细胞周围有更多的水流动，这表明它们正在分解，治疗正在起作用。
Schepkin说:“这是治疗起作用的第一个迹象，肿瘤将在不久的将来缩小。”
氢质子并不是核磁共振能识别的唯一东西。在其他一些元素中，他们还能精确定位钠，钠对许多生物功能至关重要。事实上，Schepkin已经在患有脑瘤的大鼠身上做了一些令人兴奋的钠核磁共振成像图像。
Schepkin说，弥散核磁共振目前正处于临床试验阶段，很快将在医院广泛应用，但钠核磁共振的功能目前尚不清楚。
用900 MHz核磁共振磁体制作的大鼠大脑图像。左边的图像显示了化疗前的大脑;较浅的区域是肿瘤。右边的图像显示了化疗后4天的区域;较浅的阴影表明更多的水在这些肿瘤细胞中流动，这表明它们正在分解，治疗正在起作用。
化疗当然会导致癌细胞死亡。不幸的是，它也会破坏一些完好的组织。但谢普金的研究表明，可能有一种更好的杀死癌细胞的方法。他的扫描结果显示，化疗结束后，在细胞分解之前，这些细胞中的钠平衡就被破坏了。只有在这之后，癌细胞才开始死亡。
“这是一个非常令人兴奋的发现，因为它可能带来的后果，”Schepkin说。“这表明我们在癌症治疗方面的目标应该有所不同。”
换句话说，可能有一种替代化疗的方法，化疗基本上需要向体内注射毒药。更有针对性的方法可能是以某种方式在这些细胞中诱导钠不平衡，精确地针对癌症，同时使健康的细胞免受化疗的钝器。
“这意味着我们可以用一种不同于以往的方式来摧毁癌细胞，”谢普金说。“我们正在了解一种新机制的一些线索。”
更好地诊断脑部疾病
阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等神经退行性疾病不仅对受害者及其家人造成了毁灭性的打击，也让科学家和医生感到困惑。医学专业人员还没有完全了解这些疾病的原因，也没有完全了解这些疾病发作时大脑中发生了什么。众所周知，他们也很难诊断;医生在很大程度上依赖病人的行为来做出决定，因为没有办法确定地识别疾病。虽然正电子发射断层扫描(PET)可以提供帮助，但这些扫描产生的信息是有限的:它们只能显示大脑的哪些区域是功能性的，但不能提供结构信息，而且缺乏高分辨率。
阿尔茨海默病患者海马体的核磁共振扫描图。右边的刻度为1.5厘米。
梅奥诊所和MagLab的研究人员希望能帮助改变这一现状。
这是MagLab的首次合作山姆·格兰特和佛罗里达州立大学与佛罗里达州杰克逊维尔的梅奥诊所合作，研究核磁共振扫描在检测这些疾病方面的有效性。
诊所和医生。Katherine Schweitzer, Dennis Dickson和Zbigniew Wszolek提供了几十个来自已故阿尔茨海默氏症和帕金森患者的脑组织样本，这些患者将自己的遗体捐献给了科学研究。格兰特和他的同事们正在用900兆赫的超宽孔磁体对这些样本进行非常详细的核磁共振扫描，希望能找到生物标志物，有朝一日医生可以用来诊断活着的病人。
在阿尔茨海默病患者的样本中，研究人员正将注意力集中在海马体这是一个位于大脑颞叶深处的弯曲结构，是记忆和学习的中心。早在患者表现出任何行为症状之前，阿尔茨海默病就会攻击海马体，破坏神经细胞和它们之间的突触。当病人开始出现明显的症状(失忆、思维混乱、情绪波动)时，组织破坏已经扩散到大脑的其他区域。
这种疾病会以蛋白质沉积的形式留下痕迹。β -淀粉样斑块在神经元之间积聚，堵塞神经通路。这种“粘稠物”是研究人员希望在核磁共振扫描中识别的特征之一。
格兰特是FAMU-FSU工程学院的助理教授，他在实验室进行MRI工作，他希望900兆赫的磁铁能够识别金属沉积物，如铁，铜和锌，这些金属沉积物往往会卡在斑块中。此外，核磁共振扫描应该能显示出随着细胞死亡，患病大脑所经历的萎缩。
格兰特希望核磁共振成像能揭示海马体中阿尔茨海默氏症的迹象，以及人脑基底神经节中帕金森症的迹象。
格兰特说:“我希望900磁铁的强度可以在未来帮助诊断这些疾病，我对将这项研究转化为医生可以用于患者的技术的前景感到兴奋。”
对于帕金森氏症患者，研究人员研究了大脑中的小结构基底神经节它是前脑底部的一组细胞核。其中一种结构是黑质多巴胺是一种控制运动和平衡的神经递质。当帕金森氏症攻击这个结构时，大脑中的多巴胺水平下降，最终导致帕金森氏症的症状——僵硬、颤抖、行动困难。
帕金森病患者黑质核磁共振扫描图。右边的刻度为1.5厘米。
先前的研究表明，帕金森患者的大脑中存在大量的蛋白质和铁。格兰特说，900扫描仪由一块21.1特斯拉的巨大磁铁驱动，可以精确定位金属积聚影响神经元的区域。
在对梅奥诊所的大脑样本进行核磁共振扫描后，诊所的病理学家将对组织进行组织学研究，看看他们是否在细胞水平上发现了研究人员怀疑他们可以在结构水平上识别的东西。
如果这些发现得到证实，还有很多工作要做。毕竟，我们的目标不是诊断死人，而是诊断活人。也许有一天，医生将能够用高分辨率核磁共振扫描仪识别和跟踪这些疾病，可能比现在更早地识别出它们。
“我们希望证明你可以做这项工作在活的有机体内如果你有这样做的决心，也可以这样做。”格兰特说道。
本文只讨论了世界上最大的核磁共振扫描仪中的几个研究项目。你们可以看一下其他的研究在我们的列表中MagLab的其他MRI研究项目．
感谢磁铁学院对这篇文章的科学顾问山姆·格兰特他是佛罗里达农工大学/佛罗里达州立大学工程学院的工程学助理教授，也是磁铁实验室的核磁共振专家。
克里斯汀·科因著
