Nature BME | 深入理解人脑连接组：Connectome 2.0 MRI扫描仪的突破

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大脑作为人体最复杂的器官，其奥秘至今仍未完全揭示。了解大脑内部微观连接的“路线图”——即“连接组”（connectome），对于理解人类思维、行为以及神经精神疾病至关重要。然而，由于大脑回路横跨厘米到纳米级的巨大空间尺度，高精度、跨尺度的活体成像一直是一个巨大的挑战。

现在，一项发表在《自然生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）上的突破性研究，为我们带来了重磅消息——Connectome 2.0 MRI扫描仪的诞生，预示着我们能够以前所未有的细节，窥探活体人脑的微观世界。

Connectome 2.0的诞生

长期以来，磁共振成像（MRI）作为一种非侵入性技术，在探测微观组织环境方面展现出巨大潜力。水分子在组织中的随机热运动（即扩散）可以揭示细胞大小、形状和堆积密度等微观结构特征。然而，传统的MRI扫描仪在梯度强度和转换速率（slew rate）方面存在局限性，使得我们无法探测到构成大脑大部分白质的最小轴突。为了解决这一难题，美国国立卫生研究院（NIH）的“通过推进创新神经技术进行大脑研究”（BRAIN）计划提供了战略支持。

在BRAIN计划的支持下，研究人员开发了下一代人脑连接组和微结构MRI扫描仪——Connectome 2.0。这款设备的设计旨在实现介观和微观尺度的活体人脑成像，其梯度性能比现有最先进的研究型梯度系统（包括早期的Connectome 1.0扫描仪）高出5倍。

Connectome 2.0的技术亮点

1. 超高梯度强度与转换速率： Connectome 2.0配备了专为头部设计的三层梯度线圈。它实现了每轴500 mT m⁻¹的梯度强度和600 T m⁻¹ s⁻¹的转换速率，这几乎是Connectome 1.0梯度幅度的两倍，转换速率的三倍。相较于大多数临床MRI扫描仪（通常梯度强度在40-60 mT m⁻¹之间），Connectome 2.0的梯度系统性能高出20多倍。

2. 创新三层梯度线圈设计： Connectome 2.0的梯度线圈采用了独特的三层设计（双主层、中间层和屏蔽层）。这种设计能够最大限度地减少对周围神经的刺激（PNS），同时提升梯度性能。中间层的加入，使得研究人员可以在不影响梯度场性能的前提下，优化扭矩和力平衡。相较于传统的双层设计，这种三层线圈将最差情况下的PNS阈值提高了41%。

3.高灵敏度射频线圈：为了实现超高扩散加权和高空间分辨率的介观采集，Connectome 2.0集成了72通道活体头部线圈和64通道离体全脑射频线圈。这些线圈内置了场监控功能，能够确保数据保真度。72通道活体线圈在信噪比（SNR）方面比Connectome 1.0常用的32通道头部线圈提高了1.5倍。

4. 信噪比的显著提升： Connectome 2.0的更高梯度强度和转换速率能够显著缩短回波时间（TE），从而减少T2弛豫引起的信号损失，在广泛的b值范围内提高信噪比。与Connectome 1.0协议相比，Connectome 2.0协议可将TE减少13%至50%，在最高b值（40,000 s mm⁻²）下信噪比提高了2倍。

5. 精细白质通路成像能力：通过这些技术进步，Connectome 2.0能够在30分钟内，以1毫米各向同性空间分辨率，对活体人脑进行扩散加权成像（DWI）。这使得研究人员能够绘制出精细的白质通路，并推断出接近单微米级别的细胞和轴突大小与形态。这比Connectome 1.0至少提高了30%的灵敏度。

从基础研究到临床应用

Connectome 2.0的问世，为人类神经科学带来了巨大的变革潜力：

1. 深入理解脑连接组：该扫描仪能够以前所未有的细节，绘制人脑的微观连接图谱，这对于揭示人类思维和行为的潜在原理至关重要。

2. 推进神经精神疾病研究：细胞结构和连接解剖学的改变在神经精神疾病的动物模型和人类组织中都有观察到。Connectome 2.0提供的高精度成像能力，有望帮助我们更好地理解这些疾病的发病机制，并发现新的治疗靶点。

3. 个性化医疗的未来：能够精确估算白质和灰质的组织微观结构特性，将为实现精确的人类神经科学打开大门。这种细胞水平的特异性非侵入性组织表征，可能为多种疾病提供更早的疾病进展指标，例如肿瘤治疗床内细胞密度的增加、多发性硬化症中轴突和深层灰质细胞的损失，以及阿尔茨海默病等神经退行性疾病中细胞形态的改变。

4. 推动MRI技术发展： Connectome 2.0中嵌入的工程进步，将鼓励主要的扫描仪供应商将更强、更快的梯度融入商业可用的扫描仪中，从而广泛受益于放射学和临床成像领域。尽管Connectome 2.0目前主要是用于研究，且其线圈的非线性程度略高于Connectome 1.0，但这可以通过图像重建算法有效纠正。

它的出现标志着人脑成像技术达到了一个新的里程碑，有望加速我们对大脑复杂性的理解，并为神经系统疾病的诊断和治疗带来革命性的突破。

▼参考文献

Ramos-Llordén, G., Lee, H.-H., Davids, M. et al. Ultra-high gradient connectomics and microstructure MRI scanner for imaging of human brain circuits across scales. Nature Biomedical Engineering. Published online 16 July 2025. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01457-x

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撰文 | 刘瑄伦

排版 | 刘帅

审核 | 医工学人理事会

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