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世界上第一個由3D打印機開發(fā)的高分辨率大腦模型

2024-03-25

該研究團隊證實，這些3D打印的大腦模型可用于推動對阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥和多發(fā)性硬化癥等神經(jīng)退行性疾病的研究。

MRI是一種廣泛應(yīng)用的診斷成像技術(shù)，主要用于大腦檢查。通過MRI，可以檢查大腦的結(jié)構(gòu)和功能，而無需使用電離輻射。在MRI的特殊變體——彌散加權(quán)成像MRI（dMRI）中，可以確定大腦中神經(jīng)纖維的方向。然而，在神經(jīng)纖維束的交叉點處，由于不同方向的神經(jīng)纖維重疊，因此很難正確確定神經(jīng)纖維的方向。

作為核磁共振成像專家的維也納醫(yī)科大學(xué)研究人員，與維也納工業(yè)大學(xué)的3D打印專家密切合作，同時也與蘇黎世大學(xué)和漢堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的同事合作。2017年，維也納工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種雙光子聚合打印機，實現(xiàn)了升級打印。這項技術(shù)專利構(gòu)成了目前開發(fā)出的腦部模型的基礎(chǔ)。

從外觀上看，這個模型比真實的大腦要小的多，形狀是一個立方體。其內(nèi)部充滿微通道，大小與單個顱神經(jīng)相當，但這些通道的直徑比人的頭發(fā)絲還要細五倍。

為了模仿大腦中精細的神經(jīng)細胞網(wǎng)絡(luò)，第一作者MichaelWoletz（維也納醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)物理和生物醫(yī)學(xué)工程中心）和FranziskaChalupa-Gantner（維也納工業(yè)大學(xué)3D打印和生物制造研究小組）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用了一種相當不尋常的3D打印方法：雙光子聚合。這種高分辨率方法主要用于打印納米和微米級的微結(jié)構(gòu)，而不是打印立方毫米級的三維結(jié)構(gòu)。

該團隊表示，之前也有報道使用3D打印方法創(chuàng)建大腦模型，但他們大多采用低得多的打印分辨率，導(dǎo)致通道直徑更大，更適合模仿肌肉微觀結(jié)構(gòu)。為此，維也納研究人員利用各種技術(shù)提升了雙光子聚合打印工藝的速度，使其能夠制造出整體尺寸為幾毫米的結(jié)構(gòu)，同時保持高數(shù)量和高密度微通道，適合模擬較大的軸突。

MichaelWoletz把這種方法比作提高dMRI的診斷能力和手機攝像頭的工作方式。：“我們看到，手機相機在攝影方面取得的最大進步，但不一定是新的、更好的鏡頭，而是改善拍攝圖像的軟件。所以，情況與dMRI類似。使用新開發(fā)的大腦模型，我們可以更精確地調(diào)整分析軟件，從而提高測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量并更準確地重建大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)。”

大腦模型訓(xùn)練分析軟件

因此，對于“訓(xùn)練”dMRI分析軟件來說，真實再現(xiàn)大腦中特征神經(jīng)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。使用3D打印使得創(chuàng)建可修改和定制的多樣化且復(fù)雜的設(shè)計成為可能。因此，大腦模型描繪了大腦中產(chǎn)生特別復(fù)雜信號并因此難以分析的區(qū)域，例如交叉的神經(jīng)通路。

為了校準分析軟件，使用dMRI檢查大腦模型，并像在真實大腦中一樣分析測量數(shù)據(jù)。借助3D打印，可以精確了解模型的設(shè)計，并且可以檢查分析結(jié)果。維也納工業(yè)大學(xué)和維也納醫(yī)科大學(xué)能夠證明這是聯(lián)合研究工作的一部分。

盡管已經(jīng)進行了概念驗證，但該團隊仍然面臨挑戰(zhàn)。目前最大的挑戰(zhàn)是擴大該方法的規(guī)模。Chalupa-Gantner解釋道：“雙光子聚合的高分辨率使得打印微米和納米范圍的細節(jié)成為可能，因此非常適合腦神經(jīng)成像。然而，與此同時，使用這種技術(shù)打印幾個立方厘米大小的立方體需要相應(yīng)較長的時間。因此，我們不僅致力于開發(fā)更復(fù)雜的設(shè)計，而且還進一步優(yōu)化打印過程本身。”

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