Empujando las fronteras de las imágenes cerebrales con fMRI en tiempo real y más
Facultad de Medicina de la UNM Laboratorio de investigación de imágenes por resonancia magnética humana, en colaboración con científicos de todo el mundo, está abriendo nuevos caminos en el desarrollo de técnicas de resonancia magnética para ayudar a comprender cómo funciona el cerebro y avanzar en el diagnóstico por imágenes en pacientes con cáncer.
Nuestros equipos han desarrollado tecnologías de imágenes avanzadas, como la resonancia magnética funcional en tiempo real, que permitirán a los neurocirujanos tomar decisiones importantes en el quirófano. Estas innovaciones amplían los límites de las tecnologías de resonancia magnética existentes para explorar lo que el flujo sanguíneo puede decirnos sobre la actividad cerebral.
El trabajo más reciente del equipo se basa en los cimientos de la resonancia magnética estructural y funcional:
- La resonancia magnética estructural es una tecnología de imágenes no invasiva para mapear la morfología del cerebro y la actividad circulatoria utilizando fuertes campos magnéticos para alinear espines nucleares, ondas de radio para cambiar su orientación y recibir señales de espines nucleares. Puede producir imágenes de alta resolución para mostrar las diferencias entre los tejidos cerebrales.
- La resonancia magnética funcional (fMRI) permite a los médicos medir y mapear las actividades cerebrales en estados normales y de enfermedad al medir los cambios en la intensidad de la imagen que están relacionados con los cambios en el flujo sanguíneo. Puede producir imágenes de alta resolución para mostrar aumentos en el flujo sanguíneo a las áreas activas del cerebro, lo que produce una señal más fuerte en la resonancia magnética funcional.
Para desarrollar e implementar nuevas tecnologías de RM, nuestros investigadores trabajan con colaboradores a nivel nacional e internacional, incluida la Universidad de Minnesota. Centro de Investigación de Resonancia Magnética y la Universidad de Copenhague en Dinamarca, así como La Red de Investigación Mental en nuevo mexico
También capacitamos a algunas de las mentes científicas más brillantes en física e ingeniería en la Universidad de Nuevo México y científicos clínicos en la Centro de Ciencias de la Salud de la UNM. Los aprendices de una variedad de disciplinas aportan nuevas perspectivas a los proyectos en curso que amplían la tecnología de imágenes con el objetivo de ayudar a más pacientes a superar los desafíos neurológicos.
TurboFIRE: IRMf en estado de reposo para datos intraoperatorios en tiempo real
Estamos desarrollando TurboFIRE (Turbo Functional Imaging in Real-time) para mapear la actividad cerebral durante una resonancia magnética funcional en curso para permitir a los médicos mapear la ubicación precisa de la corteza elocuente (es decir, áreas del cerebro con funciones específicas) para guiar la cirugía del cáncer cerebral.
Mientras que los métodos tradicionales de resonancia magnética funcional mapean la actividad cerebral cuando los pacientes realizan una tarea, la resonancia magnética funcional en estado de reposo mapea los sistemas cerebrales funcionales mediante el análisis de las fluctuaciones del flujo sanguíneo cuando los pacientes están en reposo. Al implementar imágenes del estado de reposo del cerebro en tiempo real usando la tecnología TurboFIRE, podemos extender los beneficios de la IRM a pacientes lesionados, discapacitados o jóvenes que no pueden seguir las instrucciones para someterse a la IRMf tradicional.
Además, TurboFIRE es compatible con los últimos métodos de adquisición de datos fMRI de ultra alta velocidad que proporcionan una resolución temporal de cientos de milisegundos y mejoran considerablemente la sensibilidad en comparación con los métodos tradicionales de adquisición de datos fMRI.
Actualmente estamos trasladando esta tecnología al entorno intraoperatorio para permitir que los neurocirujanos mapeen la corteza elocuente antes, durante y después de la cirugía utilizando un escáner de resonancia magnética intraoperatoria. Nuestros colegas del Centro Médico de la Universidad de Minnesota están utilizando un escáner IMRIS que se traslada a la sala de operaciones para tomar datos de fMRI para monitorear el éxito de la cirugía.
Usando TurboFIRE, nuestros expertos pueden mapear funciones específicas como el lenguaje, el movimiento o la visión a su área correspondiente de actividad cerebral en milímetros mientras el cerebro está en estado de reposo. El objetivo de nuestro trabajo actual es determinar si la IRMf en estado de reposo puede ayudar a mejorar la precisión neuroquirúrgica al proporcionar un mapa detallado de las estructuras elocuentes de un paciente que controlan el movimiento, el habla y la cognición.
Hay muchas aplicaciones adicionales para esta emocionante tecnología, desde el mapeo prequirúrgico en pacientes con epilepsia hasta el seguimiento de la activación del lenguaje y el uso de neurorretroalimentación para alterar los estados cerebrales. TurboFIRE está actualmente en uso en el Centro de Investigación de Resonancia Magnética y en la Red de Investigación MIND, y estamos ansiosos por implementarlo en UNM Health.
Imágenes metabólicas de alta velocidad: PEPSI y más allá
Otro emocionante desarrollo de MRI en nuestro laboratorio es una tecnología de imágenes espectroscópicas de RM de alta velocidad llamada PEPSI (Proton Echo Planar Spectroscopic Imaging) que nos permite mapear bioquímicos cerebrales en 3 dimensiones en tiempos de escaneo cortos. La espectroscopia de RM es un método analítico bioquímico que mide la composición bioquímica del tejido en función del patrón espectral de los productos bioquímicos individuales.
Las imágenes espectroscópicas pueden detectar cambios bioquímicos en el cerebro que están asociados con tumores, y estos son específicos para diferentes tipos de tumores. En otras palabras, PEPSI nos permite tomar rápidamente imágenes bioquímicas en 3D del cerebro que ayudan a los médicos a diagnosticar, controlar y monitorear el tamaño, la ubicación y los tipos precisos de cánceres cerebrales.
Hemos desarrollado esta técnica de alta velocidad para permitir un escaneo rápido y más preciso. Mientras que producir una imagen espectroscópica típica puede llevar 20 minutos o más, PEPSI nos permite producir imágenes 3D en tan solo tres minutos. Este breve tiempo de exploración nos permite integrar PEPSI en un protocolo de imágenes clínicas.
El futuro de las imágenes cerebrales está abierto de par en par. Más ejemplos de investigación en curso en nuestro el lab incluyen:
- Conectividad en estado de reposo de alta frecuencia en IRMf de alta velocidad para superar las limitaciones técnicas de la IRMf en estado de reposo tradicional.
- Mapeo de las propiedades de difusión de la bioquímica cerebral para sondear los entornos intracelulares de los tumores cerebrales.
- Combinación de métodos de resonancia magnética funcional y metabólica para mapear simultáneamente la bioquímica cerebral y de la corteza elocuente.
- Supervisión de la respuesta a la quimioterapia neoadyuvante en el cáncer de mama mediante imágenes espectroscópicas de RM 3D de alta velocidad de la colina total.
- Desarrollo de métodos de neurorretroalimentación basados en IRMf en estado de reposo en tiempo real para mapear y alterar estados cerebrales.
En Human MR Imaging Research Lab, superamos los límites de la tecnología todos los días. Ahí es donde ocurre la emocionante ciencia, a medida que ampliamos nuestro conocimiento del cerebro, construimos la base para futuros avances en el cuidado de la salud y ampliamos la frontera del conocimiento humano.
Los aprendices hacen contribuciones importantes en el laboratorio
Si bien comprender el cerebro es un asunto serio, oNuestros aprendices creativos se divierten mucho en el laboratorio. Provienen de una amplia gama de disciplinas, como ingeniería nuclear, ingeniería eléctrica, física, psicología y medicina, y aportan una nueva perspectiva a cada proyecto.
Sus contribuciones son tangibles. Aplicamos un enfoque científico riguroso y, a menudo, sus ideas notables se convierten en parte de nuestros proyectos. Nuestros pasantes y aprendices no solo obtienen experiencia práctica con tecnologías de punta, sino que también ayudan a construirlas.
Como científicos, es importante que reconozcamos que hay un límite en lo que sabemos. En Human MR Imaging Research Lab, superamos los límites de la tecnología todos los días. Ahí es donde ocurre la emocionante ciencia, a medida que ampliamos nuestro conocimiento del cerebro, construimos la base para futuros avances en el cuidado de la salud y ampliamos la frontera del conocimiento humano.