導(dǎo)讀：科學(xué)家們合作創(chuàng)建了世界上第一個三維打印的"大腦模型"，利用一種特殊的磁共振成像技術(shù)（dMRI）為腦部纖維建模。這一進展旨在通過使用這些詳細(xì)的大腦模型來提高dMRI 分析軟件的準(zhǔn)確性，從而改進對阿爾茨海默氏癥、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。這種新模型有可能加速神經(jīng)退行性疾病的研究。

在維也納醫(yī)科大學(xué)和維也納工業(yè)大學(xué)的一個聯(lián)合項目中，開發(fā)出了世界上第一個3D打印的"大腦模型"，該模型以腦部纖維結(jié)構(gòu)為模型，可以使用一種特殊的磁共振成像（dMRI）進行成像。

由維也納醫(yī)科大學(xué)和維也納工業(yè)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊在一項研究中表明，這些大腦模型可用于推進神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ习Y、帕金森氏癥和多發(fā)性硬化癥）的研究。這項研究成果發(fā)表在《先進材料技術(shù)》（Advanced Materials Technologies）雜志上。

磁共振成像（MRI）是一種廣泛使用的診斷成像技術(shù)，主要用于檢查大腦。核磁共振成像可在不使用電離輻射的情況下檢查大腦的結(jié)構(gòu)和功能。在磁共振成像的一種特殊變體--擴散加權(quán)磁共振成像（dMRI）中，還可以確定大腦中神經(jīng)纖維的方向。然而，在神經(jīng)纖維束的交叉點很難正確確定神經(jīng)纖維的方向，因為不同方向的神經(jīng)纖維會在那里重疊。

為了進一步改進流程以及測試分析和評估方法，一個國際團隊與維也納醫(yī)科大學(xué)和維也納工業(yè)大學(xué)合作開發(fā)了一個所謂的"大腦模型"，該模型是利用高分辨率三維打印工藝制作的。

帶有微通道的小立方體

維也納醫(yī)科大學(xué)的研究人員作為核磁共振成像專家，維也納工業(yè)大學(xué)的研究人員作為三維打印專家，與蘇黎世大學(xué)和漢堡大學(xué)醫(yī)療中心的同事密切合作。早在2017年，維也納工業(yè)大學(xué)就開發(fā)出了一種雙光子聚合打印機，可以實現(xiàn)升級打印。

在此過程中，還與維也納醫(yī)科大學(xué)和蘇黎世大學(xué)共同開展了腦模型的使用案例研究。由此產(chǎn)生的專利構(gòu)成了腦模型的基礎(chǔ)，該模型現(xiàn)已開發(fā)完成，并由維也納工業(yè)大學(xué)的研究與轉(zhuǎn)讓支持團隊負(fù)責(zé)監(jiān)督。

從外觀上看，這個幻影與真正的大腦并無太大區(qū)別。它要小得多，形狀像一個立方體。它的內(nèi)部是非常細(xì)小的、充滿水的微通道，大小與單個顱神經(jīng)相當(dāng)。這些通道的直徑比人的頭發(fā)絲還要細(xì)五倍。為了模仿大腦中精細(xì)的神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，第一作者邁克爾-沃萊茨（Michael Woletz）（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）和弗蘭茲斯卡-查魯帕-甘特納（Franziska Chalupa-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(dāng)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)。為了為 dMRI 制作合適尺寸的模型，維也納科技大學(xué)的研究人員一直在努力擴大三維打印工藝的規(guī)模，以便能夠打印出具有高分辨率細(xì)節(jié)的更大物體。高比例三維打印為研究人員提供了非常好的模型，在 dMRI 下觀察時，可以確定各種神經(jīng)結(jié)構(gòu)。

Michael Woletz 將這種提高 dMRI 診斷能力的方法與手機相機的工作方式進行了比較："我們看到，手機相機在攝影方面取得的最大進步并不一定是新的、更好的鏡頭，而是改進所拍攝圖像的軟件。dMRI 的情況也類似：利用新開發(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，更準(zhǔn)確地重建大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)。"

大腦模型分析軟件

因此，真實再現(xiàn)大腦中的特征神經(jīng)結(jié)構(gòu)對于"訓(xùn)練"dMRI 分析軟件非常重要。使用三維打印技術(shù)可以創(chuàng)建可修改和定制的各種復(fù)雜設(shè)計。因此，大腦模型描繪的是大腦中產(chǎn)生特別復(fù)雜信號并因此難以分析的區(qū)域，如交叉的神經(jīng)通路。

因此，為了校準(zhǔn)分析軟件，需要使用 dMRI 對大腦模型進行檢查，并像分析真實大腦一樣分析測量數(shù)據(jù)。由于采用了三維打印技術(shù)，模型的設(shè)計是精確可知的，分析結(jié)果也可以檢查。作為聯(lián)合研究工作的一部分，維也納醫(yī)科大學(xué)和維也納理工大學(xué)已經(jīng)證明了這一點。所開發(fā)的模型可用于改進 dMRI，從而有利于手術(shù)規(guī)劃和神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ习Y、帕金森氏癥和多發(fā)性硬化癥）的研究。

盡管概念得到了驗證，但團隊仍然面臨著挑戰(zhàn)。目前最大的挑戰(zhàn)是擴大這種方法的規(guī)模："雙光子聚合的高分辨率使得打印微米和納米范圍的細(xì)節(jié)成為可能，因此非常適合顱神經(jīng)成像。但與此同時，使用這種技術(shù)打印一個幾立方厘米大小的立方體也需要相應(yīng)的時間，"Chalupa-Gantner 解釋說。"因此，我們不僅要開發(fā)更復(fù)雜的設(shè)計，還要進一步優(yōu)化打印過程本身"。

導(dǎo)讀：科學(xué)家們合作創(chuàng)建了世界上第一個三維打印的"大腦模型"，利用一種特殊的磁共振成像技術(shù)（dMRI）為腦部纖維建模。這一進展旨在通過使用這些詳細(xì)的大腦模型來提高dMRI 分析軟件的準(zhǔn)確性，從而改進對阿爾茨海默氏癥、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。這種新模型有可能加速神經(jīng)退行性疾病的研究。

在維也納醫(yī)科大學(xué)和維也納工業(yè)大學(xué)的一個聯(lián)合項目中，開發(fā)出了世界上第一個3D打印的"大腦模型"，該模型以腦部纖維結(jié)構(gòu)為模型，可以使用一種特殊的磁共振成像（dMRI）進行成像。

由維也納醫(yī)科大學(xué)和維也納工業(yè)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊在一項研究中表明，這些大腦模型可用于推進神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ习Y、帕金森氏癥和多發(fā)性硬化癥）的研究。這項研究成果發(fā)表在《先進材料技術(shù)》（Advanced Materials Technologies）雜志上。

磁共振成像（MRI）是一種廣泛使用的診斷成像技術(shù)，主要用于檢查大腦。核磁共振成像可在不使用電離輻射的情況下檢查大腦的結(jié)構(gòu)和功能。在磁共振成像的一種特殊變體--擴散加權(quán)磁共振成像（dMRI）中，還可以確定大腦中神經(jīng)纖維的方向。然而，在神經(jīng)纖維束的交叉點很難正確確定神經(jīng)纖維的方向，因為不同方向的神經(jīng)纖維會在那里重疊。

為了進一步改進流程以及測試分析和評估方法，一個國際團隊與維也納醫(yī)科大學(xué)和維也納工業(yè)大學(xué)合作開發(fā)了一個所謂的"大腦模型"，該模型是利用高分辨率三維打印工藝制作的。

帶有微通道的小立方體

維也納醫(yī)科大學(xué)的研究人員作為核磁共振成像專家，維也納工業(yè)大學(xué)的研究人員作為三維打印專家，與蘇黎世大學(xué)和漢堡大學(xué)醫(yī)療中心的同事密切合作。早在2017年，維也納工業(yè)大學(xué)就開發(fā)出了一種雙光子聚合打印機，可以實現(xiàn)升級打印。

在此過程中，還與維也納醫(yī)科大學(xué)和蘇黎世大學(xué)共同開展了腦模型的使用案例研究。由此產(chǎn)生的專利構(gòu)成了腦模型的基礎(chǔ)，該模型現(xiàn)已開發(fā)完成，并由維也納工業(yè)大學(xué)的研究與轉(zhuǎn)讓支持團隊負(fù)責(zé)監(jiān)督。

從外觀上看，這個幻影與真正的大腦并無太大區(qū)別。它要小得多，形狀像一個立方體。它的內(nèi)部是非常細(xì)小的、充滿水的微通道，大小與單個顱神經(jīng)相當(dāng)。這些通道的直徑比人的頭發(fā)絲還要細(xì)五倍。為了模仿大腦中精細(xì)的神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，第一作者邁克爾-沃萊茨（Michael Woletz）（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）和弗蘭茲斯卡-查魯帕-甘特納（Franziska Chalupa-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(dāng)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)。為了為 dMRI 制作合適尺寸的模型，維也納科技大學(xué)的研究人員一直在努力擴大三維打印工藝的規(guī)模，以便能夠打印出具有高分辨率細(xì)節(jié)的更大物體。高比例三維打印為研究人員提供了非常好的模型，在 dMRI 下觀察時，可以確定各種神經(jīng)結(jié)構(gòu)。

Michael Woletz 將這種提高 dMRI 診斷能力的方法與手機相機的工作方式進行了比較："我們看到，手機相機在攝影方面取得的最大進步并不一定是新的、更好的鏡頭，而是改進所拍攝圖像的軟件。dMRI 的情況也類似：利用新開發(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，更準(zhǔn)確地重建大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)。"

大腦模型分析軟件

因此，真實再現(xiàn)大腦中的特征神經(jīng)結(jié)構(gòu)對于"訓(xùn)練"dMRI 分析軟件非常重要。使用三維打印技術(shù)可以創(chuàng)建可修改和定制的各種復(fù)雜設(shè)計。因此，大腦模型描繪的是大腦中產(chǎn)生特別復(fù)雜信號并因此難以分析的區(qū)域，如交叉的神經(jīng)通路。

因此，為了校準(zhǔn)分析軟件，需要使用 dMRI 對大腦模型進行檢查，并像分析真實大腦一樣分析測量數(shù)據(jù)。由于采用了三維打印技術(shù)，模型的設(shè)計是精確可知的，分析結(jié)果也可以檢查。作為聯(lián)合研究工作的一部分，維也納醫(yī)科大學(xué)和維也納理工大學(xué)已經(jīng)證明了這一點。所開發(fā)的模型可用于改進 dMRI，從而有利于手術(shù)規(guī)劃和神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ习Y、帕金森氏癥和多發(fā)性硬化癥）的研究。

盡管概念得到了驗證，但團隊仍然面臨著挑戰(zhàn)。目前最大的挑戰(zhàn)是擴大這種方法的規(guī)模："雙光子聚合的高分辨率使得打印微米和納米范圍的細(xì)節(jié)成為可能，因此非常適合顱神經(jīng)成像。但與此同時，使用這種技術(shù)打印一個幾立方厘米大小的立方體也需要相應(yīng)的時間，"Chalupa-Gantner 解釋說。"因此，我們不僅要開發(fā)更復(fù)雜的設(shè)計，還要進一步優(yōu)化打印過程本身"。