Ampliando as fronteiras da imagem cerebral com fMRI em tempo real e muito mais
Escola de Medicina da UNM Laboratório de pesquisa em imagens de ressonância magnética humana, em colaboração com cientistas de todo o mundo, está abrindo novos caminhos no desenvolvimento de técnicas de ressonância magnética para ajudar a entender como o cérebro funciona e avançar no diagnóstico por imagem em pacientes com câncer.
Nossas equipes desenvolveram tecnologias avançadas de imagem - como ressonância magnética funcional em tempo real - que permitirão aos neurocirurgiões tomar decisões importantes na sala de cirurgia. Essas inovações ampliam os limites das tecnologias de ressonância magnética existentes para explorar o que o fluxo sanguíneo pode nos dizer sobre a atividade cerebral.
O trabalho mais recente da equipe se baseia nas bases da ressonância magnética estrutural e funcional:
- A ressonância magnética estrutural é uma tecnologia de imagem não invasiva para mapear a morfologia cerebral e a atividade circulatória usando campos magnéticos fortes para alinhar spins nucleares, ondas de rádio para mudar sua orientação e receber sinais de spins nucleares. Ele pode produzir imagens de alta resolução para mostrar as diferenças entre os tecidos cerebrais.
- A ressonância magnética funcional (fMRI) permite que os médicos meçam e mapeiem as atividades cerebrais em estados normais e doentes, medindo as alterações na intensidade da imagem relacionadas às alterações no fluxo sanguíneo. Ele pode produzir imagens de alta resolução para mostrar aumentos no fluxo sanguíneo para áreas ativas do cérebro, o que produz um sinal mais forte em fMRI.
Para desenvolver e implementar novas tecnologias de RM, nossos pesquisadores trabalham com colaboradores nacionais e internacionais, incluindo a Universidade de Minnesota Centro de Pesquisa em Ressonância Magnética e a Universidade de Copenhague, na Dinamarca, bem como A Rede de Pesquisa da Mente no Novo México.
Também treinamos algumas das mentes científicas mais brilhantes em física e engenharia na Universidade do Novo México e cientistas clínicos na Centro de Ciências da Saúde da UNM. Estagiários de várias disciplinas trazem novas perspectivas para projetos em andamento que estendem a tecnologia de imagem com o objetivo de ajudar mais pacientes a superar desafios neurológicos.
TurboFIRE: fMRI em estado de repouso para dados intraoperatórios em tempo real
Estamos desenvolvendo o TurboFIRE (Turbo Functional Imaging in Real-time) para mapear a atividade cerebral durante uma varredura fMRI em andamento para permitir que os médicos mapeiem a localização precisa do córtex eloquente (ou seja, áreas do cérebro com funções específicas) para orientar a cirurgia de câncer cerebral.
Enquanto os métodos tradicionais de fMRI mapeiam a atividade cerebral quando os pacientes se envolvem em uma tarefa, a fMRI em estado de repouso mapeia os sistemas cerebrais funcionais analisando as flutuações do fluxo sanguíneo quando os pacientes estão em repouso. Ao implementar imagens do estado de repouso do cérebro em tempo real usando a tecnologia TurboFIRE, podemos estender os benefícios da ressonância magnética para pacientes feridos, deficientes ou jovens que não conseguem seguir as instruções para se submeter à fMRI tradicional.
Além disso, o TurboFIRE é compatível com os mais recentes métodos de aquisição de dados fMRI de velocidade ultra-alta que fornecem centenas de milissegundos de resolução temporal e aumentam consideravelmente a sensibilidade em comparação com os métodos tradicionais de aquisição de dados fMRI.
Atualmente, estamos traduzindo essa tecnologia para o ambiente intraoperatório para permitir que os neurocirurgiões mapeiem o córtex eloquente antes, durante e depois da cirurgia usando um scanner de ressonância magnética intraoperatória. Nossos colegas do Centro Médico da Universidade de Minnesota estão usando um scanner IMRIS que é levado para a sala de cirurgia para obter dados de fMRI para monitorar o sucesso da cirurgia.
Usando o TurboFIRE, nossos especialistas podem mapear funções específicas, como linguagem, movimento ou visão, para sua área correspondente de atividade cerebral em milímetros, enquanto o cérebro está em estado de repouso. O objetivo do nosso trabalho atual é determinar se o fMRI em estado de repouso pode ajudar a melhorar a precisão neurocirúrgica, fornecendo um mapa detalhado das estruturas eloqüentes de um paciente que controlam o movimento, a fala e a cognição.
Existem muitas aplicações adicionais para essa tecnologia empolgante, desde o mapeamento pré-cirúrgico em pacientes com epilepsia até o rastreamento da ativação da linguagem e o uso do neurofeedback para alterar os estados cerebrais. O TurboFIRE está atualmente em uso no Centro de Pesquisa de Ressonância Magnética e na Rede de Pesquisa MIND, e estamos ansiosos para implementá-lo na UNM Health.
Imagem metabólica de alta velocidade: PEPSI e além
Outro desenvolvimento empolgante de ressonância magnética em nosso laboratório é uma tecnologia de imagem espectroscópica de ressonância magnética de alta velocidade chamada PEPSI (Proton Echo Planar Spectroscopic Imaging) que nos permite mapear bioquímicos cerebrais em 3 dimensões em tempos de varredura curtos. A espectroscopia de RM é um método analítico bioquímico que mede a composição bioquímica do tecido com base no padrão espectral de bioquímicos individuais.
A imagem espectroscópica pode detectar alterações bioquímicas no cérebro associadas a tumores, e estas são específicas para diferentes tipos de tumor. Em outras palavras, o PEPSI nos permite obter rapidamente imagens bioquímicas 3D do cérebro que ajudam os médicos a diagnosticar, gerenciar e monitorar o tamanho, a localização e os tipos precisos de câncer cerebral.
Desenvolvemos esta técnica de alta velocidade para permitir uma varredura mais precisa e rápida. Enquanto a produção de uma imagem espectroscópica típica pode levar 20 minutos ou mais, o PEPSI nos permite produzir imagens 3D em apenas três minutos. Este curto tempo de varredura nos permite integrar o PEPSI em um protocolo de imagem clínica.
O futuro da imagem cerebral está em aberto. Mais exemplos de pesquisa em andamento na nossa laboratório incluem:
- Conectividade de estado de repouso de alta frequência em fMRI de alta velocidade para superar as limitações técnicas do fMRI de estado de repouso tradicional.
- Mapeando as propriedades de difusão da bioquímica cerebral para sondar os ambientes intracelulares de tumores cerebrais.
- Combinando métodos funcionais e metabólicos de ressonância magnética para mapear simultaneamente o córtex eloquente e a bioquímica cerebral.
- Monitoramento da resposta à quimioterapia neoadjuvante no câncer de mama usando imagens espectroscópicas de ressonância magnética 3D de alta velocidade da colina total.
- Desenvolvendo métodos de neurofeedback baseados em fMRI em estado de repouso em tempo real para mapear e alterar estados cerebrais.
No laboratório de pesquisa de imagens de ressonância magnética humana, ultrapassamos os limites da tecnologia todos os dias. É aí que acontece a empolgante ciência, à medida que expandimos nosso conhecimento sobre o cérebro, construímos a base para futuros avanços na área da saúde e estendemos a fronteira do conhecimento humano.
Os estagiários fazem contribuições importantes no laboratório
Embora entender o cérebro seja um assunto sério, onossos estagiários criativos se divertem muito no laboratório. Eles vêm de uma ampla gama de disciplinas, como engenharia nuclear, engenharia elétrica, física, psicologia e medicina e trazem uma nova perspectiva para cada projeto.
Suas contribuições são tangíveis. Aplicamos uma abordagem científica rigorosa e muitas vezes suas ideias notáveis se tornam parte de nossos projetos. Nossos estagiários e trainees não apenas obtêm experiência prática com tecnologias de ponta, mas também ajudam a construí-las.
Como cientistas, é importante reconhecermos que há um limite para o que sabemos. No laboratório de pesquisa de imagens de ressonância magnética humana, ultrapassamos os limites da tecnologia todos os dias. É aí que a ciência empolgante acontece, à medida que expandimos nosso conhecimento sobre o cérebro, construímos a base para futuros avanços na área da saúde e estendemos a fronteira do conhecimento humano.