Information

Vilken är den mest detaljerade levande vävnadsskanningen som finns

Vilken är den mest detaljerade levande vävnadsskanningen som finns


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Det finns många sätt att skanna levande vävnad. Vilken är den mest detaljerade hittills? Vilka typer av upplösningar kan det producera? Finns det ett annat svar för 2D vs 3D?


Jag antar att du frågar vilken är den mest högupplösta in vivo-avbildning som vetenskapen har utfört hittills?

Jag tror att det bästa sättet att besvara sådana frågor är att förklara frågans karaktär.

Detta beror mycket på vilken typ av prov du är intresserad av för att frågan ska behandlas. Det beror också på om vi pratar om tids (temporal) eller rumslig upplösning, eftersom det vanligtvis finns en avvägning för avbildningsmetoder. Vissa saker kan vi avbilda med femtosekundsupplösning, och andra saker kan vi med femtometerprecision.

Vilken fastighet vill du titta på? Är det en viss färgning, till exempel en fluorescerande markör? Topografin för en molekyl som sitter på ett membran? Kraften som genereras av ett motorprotein?

Anser du att en rekonstruerad bild (i 3D) från 2D-skivor är en rättvis jämförelse med tekniker som syftar till att direkt avbilda i 3D? Mikroskopi och bildbehandling är ganska avancerade områden och vi börjar bara skrapa på ytan.

Några fler överväganden för frågeställaren: rör sig ditt prov? Pratar vi om att avbilda insekter som svävar nära blommor, eller sövda plattmaskar? Vilken skala av provet avbildas? Vilka är kraven för att hålla den vid liv under bildtagning? Till exempel, perfusion av näringsämnen eller avbildning av en mikrob som växer på ett substrat kräver normalt modifiering av ditt mikroskop på ett sådant sätt som kan begränsa din optiska upplösning. Att avbilda vissa saker kräver med nödvändighet långa arbetsavstånd, medan andra exemplar kan visualiseras på korta arbetsavstånd. Dessa har en enorm inverkan på upplösningen!

Som en fallstudie: låt oss säga att vi är intresserade av att titta på den mänskliga hjärnan med hög upplösning. Du kan göra detta med hög tidsupplösning (med hjälp av EEG) eller med hög rumslig upplösning med hjälp av magnetisk resonans! Eller är du intresserad av upplösningen i realtid aktivitet av hjärnan, mätt via syretillförsel till regioner? Detta är inte möjligt med något av ovanstående; du måste förlita dig på funktionell bildbehandling, t.ex. fMRI!


Rumslig lokalisering för in vivo magnetisk resonansspektroskopi: koncept och kommentarer

F Punktupplöst spektroskopi

PRESS skiljer sig från STEAM genom att lokalisering uppnås med en spin-eko-metod snarare än stimulerat eko (se fig. 3). Precis som med STEAM är lokalisering beroende av användning B0 gradienter och selektiva rf-pulser för att producera tre skivval i ortogonala riktningar. Den första av dessa är en skivselektiv 90°-puls, och den andra och tredje pulsen är skivselektiva omfokuseringspulser (180°). Pulserna alstrar ett spineko, efter den slutliga pulsen, som uppstår från volymen vid skärningspunkten mellan de tre valda skivorna. Vissa modifierade PRESS-sekvenser använder mer än tre skivselektiva pulser (t.ex. en skivselektiv 90°-puls och tre skivselektiva 180°-pulser) för att förbättra lokaliseringskvaliteten, så att tidsschemat som visas i Fig. 3 kan variera med genomförande. Ytterligare B0 gradientpulser läggs ofta till i perioderna mellan rf-pulserna för att eliminera signaler som kommer utanför den valda volymen.

PRESS har några av samma fördelar som STEAM. PRESS-lokalisering uppnås i en enda skanning och kan således integreras i MRT- eller spektroskopisk avbildning (se nedan) procedurer som en excitationsmodul eller användas för B0 homogenitetsjusteringar. Dessa likheter har lett till liknande tillämpningar. Båda har använts i stor utsträckning för lokaliserade 1 H MRS-mätningar, särskilt för MRS-studier av hjärnan. Ett exempel ges i fig. 4. Dessa data illustrerar att PRESS-volymval kan användas för att erhålla 1 H MRS-spektra från definierade platser i hjärnan i djurstudier. Många analoga studier av normal och sjuk mänsklig hjärna har också utförts. Signalerna som uppträder i spektrat överensstämmer väl i frekvens och relativ amplitud med de som finns i spektra erhållna från extrakt av hjärnvävnad. De spektra som visas i fig. 4 tjänar också till att tillhandahålla en uppskattning av signal-brusförhållande, avsökningstider och volymupplösning som kan förväntas under dessa förhållanden.

FIGUR 4 . Illustration av användningen av kort TE TRYCK lokalisering i kattens hjärna. Data erhölls vid 2,0 T med användning av en spole som omger huvudet för att överföra de selektiva pulserna och ytspolen för att ta emot signalerna. (A) En enda skiva T2-viktad MR-bild som illustrerar platserna från vilka 1H-spektra som visas i (B) erhölls. Spektraldata erhölls från 125-μl volymer (5*5*5 mm) med TR = 2000 ms och TE = 20 ms. Det övre spektrumet representerar genomsnittet av 256 skanningar, medan det nedre spektrumet krävde mer medelvärdesberäkning (1024 skanningar) eftersom denna volym var mer avlägsen från ytspolsmottagaren. Den största signalen i varje spektrum uppstår från ofullständigt undertryckt vatten. Andra signaltilldelningar kan hittas i fig. 5C.

Användningen av en spin-eko-metod i PRESS resulterar i ett signal-brusförhållande som teoretiskt är dubbelt så högt som kan erhållas från samma volym med STEAM. PRESS är dock känsligare för felaktigt justerade RF-flip-vinklar än STEAM är. I praktiken är en 100% verkningsgrad svår att uppnå på grund av förluster associerade med de skivselektiva pulserna. Den speciella PRESS-sekvens som används för att producera data som visas i fig. 4 detekterar emellertid cirka 80 % av den totala tillgängliga signalen, en signifikant förbättring jämfört med det teoretiska maximum på 50 % som STEAM tillhandahåller. Det ökade signal-brusförhållandet som tillhandahålls av PRESS kan användas för att förbättra volymupplösningen eller för att minska skanningstiden, vilka båda har viktiga praktiska fördelar.

En annan viktig skillnad mellan PRESS och STEAM är att i PRESS spenderar den volymvalda magnetiseringen relativt sett mer tid i den roterande ramens tvärplan. Därför har PRESS-förvärv vanligtvis ett större minimum TE än STEAMs förvärv och påverkas därigenom i större utsträckning av T2 avkoppling och genom J modulation. Många samtida kliniska tillämpningar som använder dessa metoder görs med hjälp av TE's på 100 ms eller längre. För dessa mätningar av "lång ekotid" har det ökade signal-brusförhållandet som erbjuds av PRESS tydliga fördelar. Det konstateras nu att förvärv genomfördes på kortare tid TE's erbjuder flera fördelar. ÅNGA är den föredragna metoden om den är mycket kort TE's är en nödvändighet. Även med tanke på tillgången till stark B0 gradienter och starka lokala rf-amplituder (för korta rf-pulser) kan man designa PRESS-sekvenser som fungerar med TE nära 20 ms (t.ex. Fig. 4). Liknande hårdvara tillåter utformningen av STEAM-sekvenser med minimum TE's ungefär hälften så stor. I detta område måste man avgöra om de fördelar som medförs av att arbeta med TE = 10 ms (snarare än TE = 20 ms) uppväger den lägre detektionseffektiviteten för STEAM.


Varför hade T. rex så små armar? SUE kommer till Advanced Photon Source för sin mest detaljerade skanning någonsin

Men forskare kommer snart att få mer insikt som ett armben från de mest kända T Rex i historia - Field Museum's SUE - studerades vid Advanced Photon Source vid U.S. Department of Energy's Argonne National Laboratory, där den mest detaljerade skanningen som någonsin tagits av det skelettet inträffade tidigare denna månad.

De extremt ljusa röntgenstrålarna från Advanced Photon Source, en gigantisk synkrotronljuskälla nästan en mil runt, kommer att ge forskarna en aldrig tidigare skådad blick inuti armbenen på SUE , som är den största och bäst bevarade T Rex skelett någonsin hittat.

"De här röntgenbilderna kommer att ge oss en karta över blodkärlen och muskelfästen i benet, som aldrig har setts förut", säger Carmen Soriano, paleontolog och strållinjeforskare med Advanced Photon Source. "Denna data kan ge ny insikt om dinosauriebiologi, såväl som ledtrådar till hur SUE levde sitt liv."

" Paleontologer älskar verkligen all högteknologi vi kan använda, eftersom det är det närmaste vi kan komma tidsresor."

Peter Makovicky, Field Museums curator of Dinosaurs, tillade: "Det är underbart att ha tillgång till detta verktyg som låter oss undersöka benens struktur i oöverträffad detalj utan att skada dem fossila - och det är bara på vägen."

Under de senaste experimenten riktade forskare intensiva röntgenstrålar - ungefär en miljon gånger kraftfullare än en röntgenstråle på en läkarmottagning - mot fossilet.

De skannade ett område på cirka tre tum i kvadrat och en till två tum djupt på båda benen av SUE:s framben, som är ungefär lika lång som en mänsklig arm, men mycket mer robust.

Baserat på hur strålarna sprids från berget kan forskare rekonstruera placeringen av olika anatomiska element i benen och de små hålen djupt inuti som en gång var blodkärl och celler.

"Att förstå skelettets fina inre morfologi kommer att ge oss ledtrådar om hur armen kunde röra sig och vad den användes till," sa Soriano.

Även bara ben innehåller antydningar om vad de användes till i livet. Till exempel är fåglarnas ben ihåliga och mindre förkalkade för att flyga, medan tyngre, tätare ben kan tyda på att ben användes för styrka. Mönster som avslöjas av dessa intensiva skanningar kommer att ge forskare mer information för att avkoda vad SUE kan ha använt hennes armar till.

Studien utfördes i samarbete med Paul Tafforeau från European Synchrotron Radiation Facility i Frankrike. Samarbetet inleddes när han och Soriano träffades på en konferens i Chicago som de enda paleontologerna på plats vid röntgenljuskällor i världen.

"Paleontologer älskar verkligen all högteknologi vi kan använda", sa Soriano, "eftersom det är det närmaste vi kan komma tidsresor."

Experimenten ägde rum vid X-ray Science Divisions strållinje 2 -BM. Armen återfördes för att visas på fältet den 11 oktober medan data analyseras.


Idealiskt testämne

Makarov’s team har redan börjat köra tester som är för riskabla att testa på levande människor. I den ena gav de sin modell en metallhöft eller lårben och studerade effekten av att lägga den i en MRI-skanner. Metallimplantat värms upp i skannerns starka magnetfält, och för närvarande är lite känt om hur man bäst skannar personer som har dem.

Forskarna kunde testa vad som händer vid olika styrkor av magnetfält och återföra sina resultat till klinisk personal. Läkare kanske kan använda sina data för att utveckla säkrare, effektivare skanningsprocedurer för personer med implantat.

Sektionsvy av fötterna (Bild: Visible Human Project)

Att ha en kvinnlig fantom ger oss möjlighet att bättre undersöka sjukdomar som oftare drabbar kvinnor, säger Makarov. Han hoppas kunna förbättra screening av bröstcancer, till exempel för att ge mer tillförlitliga mammografiresultat.

Han testar också effekten av långvarig mobiltelefonanvändning på hjärnan och utvärderar säkerheten hos en hjärnstimuleringsteknik som kallas transkraniell likströmsstimulering (tDCS), som utvecklas som en möjlig behandling för en rad tillstånd, inklusive depression , demens, schizofreni och kronisk smärta. “Vi har en ganska bra modell av hjärnan, inkapslad i ett skal av cerebrospinalvätska,”, säger Makarov.

Tidiga resultat tyder på att tDCS kan skapa större elektriska strömmar när det används djupare i hjärnan och i vit substans, vilket kan ha konsekvenser för hur det appliceras och om det är säkert. Makarov påpekar dock att även om hans team driver experimenten kommer det att vara upp till personer med specialistkunskaper att tolka resultaten.

Maryland-kvinnans fetma gör henne särskilt relevant, säger Makarov, med tanke på de höga nivåerna av fetma i många länder idag. Men eftersom fantomen är helt digital har forskarna också kunnat skapa två tunnare versioner, med mindre hud och fett.

Teamet har gjort modellen fritt tillgänglig, och den kan modifieras med hjälp av grundläggande programvara som redan används i labb över hela världen. “Att skapa fantomen tog mycket arbete, men nu kan vem som helst köra ett experiment på sin bärbara dator,” säger Nazarian.

Detta innebär att den virtuella kvinnan kan utsättas för oändliga tester över hela världen. “Det finns många möjliga användningsområden,” säger Bello. “Det är riktigt spännande.”

Digital Frankenstein

Projektet att bygga helt digitaliserade människokroppar lanserades i mitten av 1980-talet. Med undantag för några saknade bitar (se huvudberättelsen), är den kvinnliga virtuella modellen nu komplett, men hennes manliga motsvarighet var färdig för flera år sedan.

Kroppen den baserades på var den av Joseph Paul Jernigan, en 39-årig texan dömd för mord och dödad genom en dödlig injektion. Digitala versioner av hans kropp tillkännagavs 2010, men etiska frågor kring användningen av hans data kvarstår. Även om det rapporteras att Jernigan villigt donerat sin kropp till vetenskapen, kunde han förmodligen inte ha vetat i vilken utsträckning den skulle användas och cirkuleras.

Hans kropp saknade också flera stycken. När han dog saknade Jernigan en blindtarm, en testikel och flera tänder. Dessa kroppsdelar har sedan lagts till med hjälp av skanningar av levande frivilliga.

Till exempel använde Paul Segars vid Duke University i Durham, North Carolina, MRI-skanningar för att ersätta några av de saknade delarna. “Det slutade med att jag bytte ut både testiklarna och penisen så allt stämde,”, säger han.

Segars ersatte också Jernigan’s hjärna, som han sa såg onormalt svullen ut. Resultatet är ett lapptäcke, nästan som Frankensteins monster, säger han.

Den här artikeln dök upp i tryck under rubriken “Virtuell kvinna byggd av skivor”


UW-professorn digitaliserar alla fiskarter i världen

Nästan 25 000 arter av fisk lever på vår planet, och en professor vid University of Washington vill skanna och digitalisera dem alla.

Det betyder att varje art snart kommer att ha en högupplöst, 3D visuell kopia online, tillgänglig för alla och nedladdningsbar gratis. Forskare, lärare, studenter och amatöriktyologer kommer att kunna titta på de fina detaljerna i en släthårig skulptörs skelett, eller 3-D-printa en exakt kopia av en arktisk alligatorfisk.

“Dessa skanningar förändrar hur vi tänker kring 3D-data och tillgänglighet, säger Adam Summers, professor i biologi och akvatiska och fiskevetenskaper vid universitetet som leder projektet.

Summers, som är baserad på UW’s Friday Harbor Laboratories, använder en liten datoriserad tomografi (CT) skanner i det bakre rummet av ett labb för att ta fram dussintals fiskar från prover som samlats runt om i världen. Maskinen fungerar som en vanlig CT-skanner som används på sjukhus: En serie röntgenbilder tas från olika vinklar och kombineras sedan med hjälp av datorbehandling för att skapa tredimensionella bilder av skelettet.

Målet är att göra det möjligt för forskare att undersöka morfologin hos en viss art, eller försöka förstå varför en grupp fiskar alla har liknande fysiska egenskaper såsom benhuvud “pansar” eller förmågan att gräva ner sig i sanden.

"Det har varit så roligt att slänga ut denna data på webben och få folk att faktiskt använda den", sa Summers.

Cochleoceps spatel

Enophrys diceraus (Antlered sculpin)

Enophrys taurina (tjursculpin)

Hypsagonus quadricornis (fyrhornsjägare)

Lepisosteus oculatus (fläckig garn)

Monacanthus ciliatus (fransad filfisk)

Ranzania laevis (smal solfisk)

Ranzania laevis (smal solfisk)

Saurenchelys cognita (Longface ål)

Serrasalmus medinai (röd hals pirañha)

Thoracocorax stellatus (Fläckfisk)

Fram till nu har det inte funnits något enkelt – eller billigt – sätt för forskare att få detaljerade, tredimensionella skanningar av djur. Summers minns att han var tvungen att tigga sjukhus för att skanna hans exemplar, inklusive en sting ray som år 2000 var den första CT-skannade fisken som dök upp på omslaget till en biologitidskrift.

Under åren har Summers och kollegor utvecklat mer effektiva sätt att skanna prover i större partier på sjukhus, men varje skanning var fortfarande mycket dyr - allt från $500 till $2 000 vardera.

Summers såg behovet av en intern skanner och samlade in $340 000 för att köpa maskinen i november förra året som nu bor på Friday Harbor Laboratories. Hans policy är att det är gratis och öppet för alla som vill använda det, och fisken måste komma från museianslutna samlingar.

Studenter, postdoktorala forskare och professorer från hela världen har tagit Summers till sig erbjudandet och kommit till labben på San Juan Island för att skanna sina favoritexemplar. De skickar också lådor med fiskexemplar med posten till Summers’ lab för att skanna och lägga upp online. Fisk från museisamlingar är spårbara med siffror, och onlinedatabasen innehåller nu skanningar av fisk från UW’s Burke Museum of Natural History and Culture, National Academy of Sciences i Philadelphia, Ohio State University, Western Australian Museum och många andra.

“Vi gör det bara till en gruppansträngning för att få allt gjort,” sa Summers. “Att ha denna skanner har gjort det klart för mig den otroliga kraften i detta system om du tänker på det på rätt sätt.”

De flesta forskare som använder 3D-fiskdata verkar vara intresserade av att mäta morfologi - längden på ett visst ben, till exempel - eller leta efter en aspekt av anatomin som aldrig tidigare setts. Skanningarna låter dig zooma in digitalt i många olika vinklar, eller skriva ut naturliga eller större plastkopior av en fisk.

Summers har finjusterat och påskyndat processen genom att skanna flera fiskar samtidigt. Han packar och rullar först ihop proverna som en burrito i en cylinder som sedan placeras direkt i skannern. Efter att maskinen har gjort en skanning separerar Summers sedan varje 3D-fisk digitalt i sin egen fil.

Dessutom skannar han inte med högsta möjliga upplösning, eftersom få forskare faktiskt behöver så mycket detaljerad data. Detta sparar mer tid och digitalt utrymme – och gör det möjligt för människor att lättare komma åt filerna online.

“Som transformativa idéer gör, förändrade dessa omedelbart hur vi tänker på att skanna prover,” sa Summers. “Vi gick från, ‘Är detta möjligt?’ till att snabbt skanna hela serier av fiskar.”

Hittills har cirka 515 arter skannats och många har lagts ut online på Open Science Framework, en webbsida med öppen källkod för delning av vetenskapliga projekt. Summers räknar med att avsluta genomsökningen av alla fiskarter i världen om två och ett halvt till tre år.


Innehåll

Konstruktion och fysik Redigera

I de flesta medicinska tillämpningar skapar vätekärnor, som enbart består av en proton, som finns i vävnader, en signal som bearbetas för att bilda en bild av kroppen när det gäller tätheten av dessa kärnor i en specifik region. Med tanke på att protonerna påverkas av fält från andra atomer som de är bundna till är det möjligt att separera responser från väte i specifika föreningar. För att utföra en studie placeras personen i en MR-skanner som bildar ett starkt magnetfält runt området som ska avbildas. Först tillförs energi från ett oscillerande magnetfält tillfälligt till patienten vid lämplig resonansfrekvens. Skanning med X- och Y-gradientspolar gör att ett utvalt område av patienten upplever det exakta magnetfältet som krävs för att energin ska absorberas. De exciterade atomerna avger en radiofrekvenssignal (RF), som mäts av en mottagningsspole. RF-signalen kan bearbetas för att härleda positionsinformation genom att titta på förändringarna i RF-nivå och fas som orsakas av att det lokala magnetfältet varieras med användning av gradientspolar. Eftersom dessa spolar snabbt växlas under exciteringen och svaret för att utföra en rörlig linjeavsökning, skapar de det karakteristiska repetitiva bruset för en MRI-skanning när lindningarna rör sig något på grund av magnetostriktion. Kontrasten mellan olika vävnader bestäms av den hastighet med vilken exciterade atomer återgår till jämviktstillståndet. Exogena kontrastmedel kan ges till personen för att göra bilden tydligare. [5]

Huvudkomponenterna i en MRI-skanner är huvudmagneten, som polariserar provet, shimspolarna för att korrigera förskjutningar i homogeniteten hos huvudmagnetfältet, gradientsystemet som används för att lokalisera området som ska skannas och RF-systemet, som exciterar provet och detekterar den resulterande NMR-signalen. Hela systemet styrs av en eller flera datorer.

MRT kräver ett magnetiskt fält som är både starkt och enhetligt till några miljondelar över skanningsvolymen. Magnetens fältstyrka mäts i tesla – och medan majoriteten av systemen fungerar vid 1,5 T, finns kommersiella system tillgängliga mellan 0,2 och 7 T. De flesta kliniska magneter är supraledande magneter, som kräver flytande helium för att hålla dem väldigt kalla. Lägre fältstyrkor kan uppnås med permanentmagneter, som ofta används i "öppna" MR-skannrar för klaustrofobiska patienter. [6] Lägre fältstyrkor används också i en bärbar MRI-skanner som godkänts av FDA 2020. [7] På senare tid har MRI demonstrerats även vid ultralåga fält, dvs i mikrotesla-till-millitesla-området, där det är tillräckligt signalkvaliteten möjliggörs genom prepolarisering (i storleksordningen 10–100 mT) och genom att mäta Larmors precessionsfält vid cirka 100 mikrotesla med mycket känsliga supraledande kvantinterferensenheter (SQUIDs). [8] [9] [10]

T1 och T2 Redigera

Varje vävnad återgår till sitt jämviktstillstånd efter excitation genom de oberoende avslappningsprocesserna T1 (spin-gitter det vill säga magnetisering i samma riktning som det statiska magnetfältet) och T2 (spin-spin tvärs det statiska magnetfältet). För att skapa en T1-viktad bild tillåts magnetiseringen återhämta sig innan MR-signalen mäts genom att ändra repetitionstiden (TR). Denna bildviktning är användbar för att bedöma hjärnbarken, identifiera fettvävnad, karakterisera fokala leverskador och i allmänhet erhålla morfologisk information, såväl som för avbildning efter kontrast. För att skapa en T2-viktad bild tillåts magnetiseringen avta innan MR-signalen mäts genom att ändra ekotiden (TE). Denna bildviktning är användbar för att upptäcka ödem och inflammation, avslöja vita substansskador och bedöma zonanatomi i prostata och livmodern.

Standardvisningen av MRI-bilder är att representera vätskeegenskaper i svartvita bilder, där olika vävnader visar sig enligt följande:

    [11][12]
  • Subakut blödning [12][12]
  • Proteinrik vätska [12]
  • Långsamt rinnande blod [12] eller diamagnetiska ämnen, såsom gadolinium, mangan, koppar[12][12]
  • Anatomi
  • Mer vattenhalt, [11] som vid ödem, tumör, infarkt, inflammation och infektion[12] lokaliserat methemoglobin vid subakut blödning [12]
  • Fett
  • Patologi
  • Ben [11]
  • Urin
  • Luft [11]
  • Mer vattenhalt, [11] som vid ödem, tumör, infarkt, inflammation, infektion, hyperakut eller kronisk blödning[12]
  • Låg protondensitet som vid förkalkning[12]
    [11][11]
  • Låg protondensitet, som i förkalkning och fibros[12]-material, såsom deoxihemoglobin, intracellulärt methemoglobin, järn, ferritin, hemosiderin, melanin[12]
  • Proteinrik vätska [12]

Användning av organ eller system Redigera

MRT har ett brett utbud av tillämpningar inom medicinsk diagnos och mer än 25 000 skannrar beräknas vara i bruk över hela världen. [14] MRT påverkar diagnos och behandling inom många specialiteter även om effekten på förbättrade hälsoresultat är omtvistade i vissa fall. [15] [16]

MRT är den föredragna undersökningen vid preoperativ stadieindelning av rektal- och prostatacancer och har en roll i diagnostik, stadieindelning och uppföljning av andra tumörer, [17] samt för att bestämma vävnadsområden för provtagning i biobanking. [18] [19]

Neuroimaging Edit

MRT är det föredragna undersökningsverktyget för neurologiska cancerformer framför CT, eftersom det ger bättre visualisering av den bakre kraniala fossa, som innehåller hjärnstammen och lillhjärnan. Kontrasten mellan grå och vit substans gör MRT till det bästa valet för många tillstånd i centrala nervsystemet, inklusive demyeliniserande sjukdomar, demens, cerebrovaskulär sjukdom, infektionssjukdomar, Alzheimers sjukdom och epilepsi. [20] [21] [22] Eftersom många bilder tas med millisekunders mellanrum visar det hur hjärnan reagerar på olika stimuli, vilket gör det möjligt för forskare att studera både funktionella och strukturella hjärnavvikelser vid psykologiska störningar. [23] MRT används också i guidad stereotaktisk kirurgi och radiokirurgi för behandling av intrakraniella tumörer, arteriovenösa missbildningar och andra kirurgiskt behandlingsbara tillstånd med hjälp av en anordning som kallas N-lokalisatorn. [24] [25] [26]

Kardiovaskulär redigering

Hjärt-MRT är ett komplement till andra bildbehandlingstekniker, såsom ekokardiografi, hjärt-CT och nuklearmedicin. Den kan användas för att bedöma hjärtats struktur och funktion. [27] Dess tillämpningar inkluderar bedömning av myokardischemi och livsduglighet, kardiomyopatier, myokardit, järnöverskott, kärlsjukdomar och medfödd hjärtsjukdom. [28]

Muskuloskeletala Edit

Tillämpningar i muskuloskeletala systemet inkluderar ryggradsavbildning, bedömning av ledsjukdomar och mjukdelstumörer. [29] MRT-tekniker kan också användas för diagnostisk avbildning av systemiska muskelsjukdomar. [30]

Lever och mag-tarm Edit

Hepatobiliär MR används för att upptäcka och karakterisera lesioner i levern, bukspottkörteln och gallgångarna. Fokala eller diffusa störningar i levern kan utvärderas med användning av diffusionsvägd, motfasavbildning och dynamiska kontrastförstärkningssekvenser. Extracellulära kontrastmedel används i stor utsträckning vid lever-MR, och nyare lever- och gallkontrastmedel ger också möjlighet att utföra funktionell biliär avbildning. Anatomisk avbildning av gallgångarna uppnås genom att använda en tungt T2-viktad sekvens vid magnetisk resonans kolangiopankreatografi (MRCP). Funktionell avbildning av bukspottkörteln utförs efter administrering av sekretin. MR-enterografi ger icke-invasiv bedömning av inflammatorisk tarmsjukdom och tunntarmstumörer. MR-kolonografi kan spela en roll vid upptäckten av stora polyper hos patienter med ökad risk för kolorektal cancer. [31] [32] [33] [34]

Angiografi Redigera

Magnetisk resonansangiografi (MRA) genererar bilder av artärerna för att utvärdera dem med avseende på stenos (onormal förträngning) eller aneurysm (kärlväggsvidgning, risk för bristning). MRA används ofta för att utvärdera artärerna i halsen och hjärnan, bröst- och bukaorta, njurartärerna och benen (kallad "run-off"). En mängd olika tekniker kan användas för att generera bilderna, såsom administrering av ett paramagnetiskt kontrastmedel (gadolinium) eller användning av en teknik som kallas "flödesrelaterad förbättring" (t.ex. 2D- och 3D-tidssekvenser), där det mesta av signalen på en bild beror på blod som nyligen flyttat in i det planet (se även FLASH MRI). [35]

Tekniker som involverar fasackumulering (känd som faskontrastangiografi) kan också användas för att generera flödeskartor enkelt och exakt. Magnetisk resonansvenografi (MRV) är en liknande procedur som används för att avbilda vener. I den här metoden exciteras vävnaden nu underlägsen, medan signalen samlas i planet omedelbart över excitationsplanet - vilket avbildar det venösa blodet som nyligen flyttade från det exciterade planet. [36]

Kontrastmedel Redigera

MRT för avbildning av anatomiska strukturer eller blodflöde kräver inga kontrastmedel eftersom vävnadernas eller blodets varierande egenskaper ger naturliga kontraster. För mer specifika typer av avbildning kan dock exogena kontrastmedel ges intravenöst, oralt eller intraartikulärt. [5] De vanligaste intravenösa kontrastmedlen är baserade på kelater av gadolinium. [37] I allmänhet har dessa medel visat sig säkrare än de joderade kontrastmedel som används vid röntgenröntgen eller CT. Anafylaktoida reaktioner är sällsynta och förekommer hos ca. 0,03–0,1 %. [38] Av särskilt intresse är den lägre förekomsten av nefrotoxicitet, jämfört med joderade medel, när de ges i vanliga doser – detta har gjort kontrastförstärkt MR-skanning till ett alternativ för patienter med nedsatt njurfunktion, som annars inte skulle kunna genomgå kontrast- förbättrad CT. [39]

Gadoliniumbaserade kontrastreagens är typiskt oktadentatkomplex av gadolinium(III). Komplexet är mycket stabilt (log K > 20) så att koncentrationen av de icke-komplexbildade Gd3+-jonerna vid användning bör vara under toxicitetsgränsen. Den 9:e platsen i metalljonens koordinationssfär upptas av en vattenmolekyl som snabbt utbyter med vattenmolekyler i reagensmolekylens omedelbara omgivning, vilket påverkar den magnetiska resonansrelaxationstiden. [40] För detaljer se MRT-kontrastmedel.

I december 2017 meddelade Food and Drug Administration (FDA) i USA i en läkemedelssäkerhetskommunikation att nya varningar skulle inkluderas på alla gadoliniumbaserade kontrastmedel (GBCA). FDA efterlyste också ökad patientutbildning och kräver att leverantörer av gadoliniumkontrast utför ytterligare djur- och kliniska studier för att bedöma säkerheten för dessa medel. [41] Även om gadoliniummedel har visat sig användbara för patienter med nedsatt njurfunktion, finns det hos patienter med allvarlig njursvikt som kräver dialys en risk för en sällsynt men allvarlig sjukdom, nefrogen systemisk fibros, som kan vara kopplad till användningen av vissa gadoliniuminnehållande agenter. Den vanligaste länken är gadodiamid, men andra medel har också kopplats. [42] Även om ett orsakssamband inte har fastställts definitivt, är nuvarande riktlinjer i USA att dialyspatienter endast ska få gadoliniummedel där det är nödvändigt och att dialys bör utföras så snart som möjligt efter skanningen för att avlägsna medlet från kroppen omgående. [43] [44]

I Europa, där fler gadoliniumhaltiga medel finns tillgängliga, har en klassificering av medel efter potentiella risker släppts. [45] [46] År 2008 godkändes ett nytt kontrastmedel vid namn gadoxetat, varumärket Eovist (US) eller Primovist (EU), för diagnostisk användning: Detta har den teoretiska fördelen med en dubbel utsöndringsväg. [47]

Sekvenser Redigera

En MR-sekvens är en speciell inställning av radiofrekvenspulser och gradienter, vilket resulterar i ett visst bildutseende. [48] ​​T1- och T2-viktningen kan också beskrivas som MRI-sekvenser.

Översiktstabell

  • Lägre signal för mer vattenhalt, [49] som vid ödem, tumör, infarkt, inflammation, infektion, hyperakut eller kronisk blödning. [50]
  • Hög signal för fett[49][50]
  • Hög signal för paramagnetiska ämnen, såsom MRI-kontrastmedel[50]

Standard grund och jämförelse för andra sekvenser

  • Högre signal för mer vattenhalt [49]
  • Low signal for fat [49] − Note that this only applies to standard Spin Echo (SE) sequences and not the more modern Fast Spin Echo (FSE) sequence (also referred to as Turbo Spin Echo, TSE), which is the most commonly used technique today. In FSE/TSE, fat will have a high signal. [51]
  • Low signal for paramagnetic substances [50]

Standard foundation and comparison for other sequences

  • High signal from meniscus tears. [54] (pictured)
  • Evaluating white matter deformation by tumors [65]
  • Reduced fractional anisotropy may indicate dementia. [66]

Other specialized configurations Edit

Magnetisk resonansspektroskopi Redigera

Magnetic resonance spectroscopy (MRS) is used to measure the levels of different metabolites in body tissues, which can be achieved through a variety of single voxel or imaging-based techniques. [77] The MR signal produces a spectrum of resonances that corresponds to different molecular arrangements of the isotope being "excited". This signature is used to diagnose certain metabolic disorders, especially those affecting the brain, [78] and to provide information on tumor metabolism. [79]

Magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI) combines both spectroscopic and imaging methods to produce spatially localized spectra from within the sample or patient. The spatial resolution is much lower (limited by the available SNR), but the spectra in each voxel contains information about many metabolites. Because the available signal is used to encode spatial and spectral information, MRSI requires high SNR achievable only at higher field strengths (3 T and above). [80] The high procurement and maintenance costs of MRI with extremely high field strengths [81] inhibit their popularity. However, recent compressed sensing-based software algorithms (t.ex., SAMV [82] ) have been proposed to achieve super-resolution without requiring such high field strengths.

Real-time MRI Edit

Real-time MRI refers to the continuous imaging of moving objects (such as the heart) in real time. One of the many different strategies developed since the early 2000s is based on radial FLASH MRI, and iterative reconstruction. This gives a temporal resolution of 20–30 ms for images with an in-plane resolution of 1.5–2.0 mm. [83] Balanced steady-state free precession (bSSFP) imaging has a better image contrast between the blood pool and myocardium than the FLASH MRI, yet it will produce severe banding artifact when the B0 inhomogeneity is strong. Real-time MRI is likely to add important information on diseases of the heart and the joints, and in many cases may make MRI examinations easier and more comfortable for patients, especially for the patients who cannot hold their breathings or who have arrhythmia. [84]

Interventional MRI Edit

The lack of harmful effects on the patient and the operator make MRI well-suited for interventional radiology, where the images produced by an MRI scanner guide minimally invasive procedures. Such procedures use no ferromagnetic instruments. [85]

A specialized growing subset of interventional MRI is intraoperative MRI, in which an MRI is used in surgery. Some specialized MRI systems allow imaging concurrent with the surgical procedure. More typically, the surgical procedure is temporarily interrupted so that MRI can assess the success of the procedure or guide subsequent surgical work. [86]

Magnetic resonance guided focused ultrasound Edit

In guided therapy, high-intensity focused ultrasound (HIFU) beams are focused on a tissue, that are controlled using MR thermal imaging. Due to the high energy at the focus, the temperature rises to above 65 °C (150 °F) which completely destroys the tissue. This technology can achieve precise ablation of diseased tissue. MR imaging provides a three-dimensional view of the target tissue, allowing for the precise focusing of ultrasound energy. The MR imaging provides quantitative, real-time, thermal images of the treated area. This allows the physician to ensure that the temperature generated during each cycle of ultrasound energy is sufficient to cause thermal ablation within the desired tissue and if not, to adapt the parameters to ensure effective treatment. [87]

Multinuclear imaging Edit

Hydrogen has the most frequently imaged nucleus in MRI because it is present in biological tissues in great abundance, and because its high gyromagnetic ratio gives a strong signal. However, any nucleus with a net nuclear spin could potentially be imaged with MRI. Such nuclei include helium-3, lithium-7, carbon-13, fluorine-19, oxygen-17, sodium-23, phosphorus-31 and xenon-129. 23 Na and 31 P are naturally abundant in the body, so they can be imaged directly. Gaseous isotopes such as 3 He or 129 Xe must be hyperpolarized and then inhaled as their nuclear density is too low to yield a useful signal under normal conditions. 17 O and 19 F can be administered in sufficient quantities in liquid form (e.g. 17 O-water) that hyperpolarization is not a necessity. [88] Using helium or xenon has the advantage of reduced background noise, and therefore increased contrast for the image itself, because these elements are not normally present in biological tissues. [89]

Moreover, the nucleus of any atom that has a net nuclear spin and that is bonded to a hydrogen atom could potentially be imaged via heteronuclear magnetization transfer MRI that would image the high-gyromagnetic-ratio hydrogen nucleus instead of the low-gyromagnetic-ratio nucleus that is bonded to the hydrogen atom. [90] In principle, hetereonuclear magnetization transfer MRI could be used to detect the presence or absence of specific chemical bonds. [91] [92]

Multinuclear imaging is primarily a research technique at present. However, potential applications include functional imaging and imaging of organs poorly seen on 1 H MRI (e.g., lungs and bones) or as alternative contrast agents. Inhaled hyperpolarized 3 He can be used to image the distribution of air spaces within the lungs. Injectable solutions containing 13 C or stabilized bubbles of hyperpolarized 129 Xe have been studied as contrast agents for angiography and perfusion imaging. 31 P can potentially provide information on bone density and structure, as well as functional imaging of the brain. Multinuclear imaging holds the potential to chart the distribution of lithium in the human brain, this element finding use as an important drug for those with conditions such as bipolar disorder. [93]

Molecular imaging by MRI Edit

MRI has the advantages of having very high spatial resolution and is very adept at morphological imaging and functional imaging. MRI does have several disadvantages though. First, MRI has a sensitivity of around 10 −3 mol/L to 10 −5 mol/L, which, compared to other types of imaging, can be very limiting. This problem stems from the fact that the population difference between the nuclear spin states is very small at room temperature. For example, at 1.5 teslas, a typical field strength for clinical MRI, the difference between high and low energy states is approximately 9 molecules per 2 million. Improvements to increase MR sensitivity include increasing magnetic field strength and hyperpolarization via optical pumping or dynamic nuclear polarization. There are also a variety of signal amplification schemes based on chemical exchange that increase sensitivity. [94]

To achieve molecular imaging of disease biomarkers using MRI, targeted MRI contrast agents with high specificity and high relaxivity (sensitivity) are required. To date, many studies have been devoted to developing targeted-MRI contrast agents to achieve molecular imaging by MRI. Commonly, peptides, antibodies, or small ligands, and small protein domains, such as HER-2 affibodies, have been applied to achieve targeting. To enhance the sensitivity of the contrast agents, these targeting moieties are usually linked to high payload MRI contrast agents or MRI contrast agents with high relaxivities. [95] A new class of gene targeting MR contrast agents has been introduced to show gene action of unique mRNA and gene transcription factor proteins. [96] [97] These new contrast agents can trace cells with unique mRNA, microRNA and virus tissue response to inflammation in living brains. [98] The MR reports change in gene expression with positive correlation to TaqMan analysis, optical and electron microscopy. [99]

Parallel MRI Edit

It takes time to gather MRI data using sequential applications of magnetic field gradients. Even for the most streamlined of MRI sequences, there are physical and physiologic limits to the rate of gradient switching. Parallel MRI circumvents these limits by gathering some portion of the data simultaneously, rather than in a traditional sequential fashion. This is accomplished using arrays of radiofrequency (RF) detector coils, each with a different ‘view’ of the body. A reduced set of gradient steps is applied, and the remaining spatial information is filled in by combining signals from various coils, based on their known spatial sensitivity patterns. The resulting acceleration is limited by the number of coils and by the signal to noise ratio (which decreases with increasing acceleration), but two- to four-fold accelerations may commonly be achieved with suitable coil array configurations, and substantially higher accelerations have been demonstrated with specialized coil arrays. Parallel MRI may be used with most MRI sequences.

After a number of early suggestions for using arrays of detectors to accelerate imaging went largely unremarked in the MRI field, parallel imaging saw widespread development and application following the introduction of the SiMultaneous Acquisition of Spatial Harmonics (SMASH) technique in 1996-7. [100] The SENSitivity Encoding (SENSE) [101] and Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions (GRAPPA) [102] techniques are the parallel imaging methods in most common use today. The advent of parallel MRI resulted in extensive research and development in image reconstruction and RF coil design, as well as in a rapid expansion of the number of receiver channels available on commercial MR systems. Parallel MRI is now used routinely for MRI examinations in a wide range of body areas and clinical or research applications.

MRI is in general a safe technique, although injuries may occur as a result of failed safety procedures or human error. [103] Contraindications to MRI include most cochlear implants and cardiac pacemakers, shrapnel, and metallic foreign bodies in the eyes. Magnetic resonance imaging in pregnancy appears to be safe at least during the second and third trimesters if done without contrast agents. [104] Since MRI does not use any ionizing radiation, its use is generally favored in preference to CT when either modality could yield the same information. [105] Some patients experience claustrophobia and may require sedation. [106] Amplitude and rapid switching of gradient coils during image acquisition may cause peripheral nerve stimulation. [107]

MRI uses powerful magnets and can therefore cause magnetic materials to move at great speeds posing a projectile risk, and may cause fatal accidents. [108] However, as millions of MRIs are performed globally each year, [109] fatalities are extremely rare. [110]

Overuse Edit

Medical societies issue guidelines for when physicians should use MRI on patients and recommend against overuse. MRI can detect health problems or confirm a diagnosis, but medical societies often recommend that MRI not be the first procedure for creating a plan to diagnose or manage a patient's complaint. A common case is to use MRI to seek a cause of low back pain the American College of Physicians, for example, recommends against this procedure as unlikely to result in a positive outcome for the patient. [15] [16]

An MRI artifact is a visual artifact, that is, an anomaly during visual representation. Many different artifacts can occur during magnetic resonance imaging (MRI), some affecting the diagnostic quality, while others may be confused with pathology. Artifacts can be classified as patient-related, signal processing-dependent and hardware (machine)-related. [111]

MRI is used industrially mainly for routine analysis of chemicals. The nuclear magnetic resonance technique is also used, for example, to measure the ratio between water and fat in foods, monitoring of flow of corrosive fluids in pipes, or to study molecular structures such as catalysts. [112]

Being non-invasive and non-damaging, MRI can be used to study the anatomy of plants, their water transportation processes and water balance. [113] It is also applied to veterinary radiology for diagnostic purposes. Outside this, its use in zoology is limited due to the high cost but it can be used on many species. [114]

In palaeontology it is used to examine the structure of fossils. [115]

Forensic imaging provides graphic documentation of an autopsy, which manual autopsy does not. CT scanning provides quick whole-body imaging of skeletal and parenchymal alterations, whereas MRI imaging gives better representation of soft tissue pathology. [116] But MRI is more expensive, and more time-consuming to utilize. [116] Moreover, the quality of MR imaging deteriorates below 10 °C. [117]

In 1971 at Stony Brook University, Paul Lauterbur applied magnetic field gradients in all three dimensions and a back-projection technique to create NMR images. He published the first images of two tubes of water in 1973 in the journal Natur, followed by the picture of a living animal, a clam, and in 1974 by the image of the thoracic cavity of a mouse. Lauterbur called his imaging method zeugmatography, a term which was replaced by (N)MR imaging. [118] In the late 1970s, physicists Peter Mansfield and Paul Lauterbur developed MRI-related techniques, like the echo-planar imaging (EPI) technique. [119]

Advances in semiconductor technology were crucial to the development of practical MRI, which requires a large amount of computational power. This was made possible by the rapidly increasing number of transistors on a single integrated circuit chip. [120] Mansfield and Lauterbur were awarded the 2003 Nobel Prize in Physiology or Medicine for their "discoveries concerning magnetic resonance imaging". [121]


How computational biology is shaping the future of health and privacy

Santiago Lombeyda, a computational scientist with Caltech’s Center for Data Driven Discovery, created this illustration. In this visualization of data points from a large single-cell study, each dot represents a single cell, which consists of 20,000 independent gene expression measurements, that were then mathematically mapped into a 3-D space. Caltech senior research scientist Sisi Chen provided the data and analysis.

By Lori Dajose

The study of living things is undergoing a revolution.

In the past few decades, cutting-edge biological tools have enabled the rapid collection of unprecedented amounts of data. Biologists and bioengineers have amassed countless terabytes of high-resolution videos of microscopic cells as they wiggle and grow and interact sequenced millions of genomes, from Escherichia coli to mice to humans and tweaked bacterial DNA to reengineer life. Within these vast data sets lie answers to fundamental questions of biology: What are the molecular rules that control development? How are stem cells “wired?” How many different types of cells make up the human brain? Can failures of single cells cause disease?

But manual analysis of all this information is virtually impossible. Fortunately, the fields of computer science and artificial intelligence are undergoing their own rapid development. These tools as applied to the biological sciences have given rise to the field of computational biology.

Lior Pachter (BS ’94), Matt Thomson, och David Van Valen (PhD ’11) all recently joined Caltech’s faculty as part of an Institute initiative to focus attention on computational biology. Caltech magazine sat down with them to discuss the ongoing biological data explosion and its harmonious relationship with computational tools as well as how these intersecting revolutions will change the future of privacy, ethics, and what it means to be human.

What does it mean to study biology? What are the goals and challenges?

Matt Thomson: Doing biology is not only about measuring and observing. It’s about actually changing and perturbing the biological systems, making predictions and models, tweaking them based on your observations and doing it all over again.

From left: Matt Thomson, David Van Valen, and Lior Pachter.

To give an analogy, let’s say you throw a ball up in the air. If you know parameters like the ball’s mass, the acceleration due to gravity, its initial velocity, and so on, you can accurately predict where the ball will land after a certain amount of time. We want to predict how biological systems will evolve, but it’s difficult because there are so many parameters.

David Van Valen: The first set of parameters you think of are genes. For example, a simple Escherichia coli bacterium has 3,000 to 4,000 genes. What does each gene do? How do they interact? Imagine understanding an airplane and all of its component pieces . an organism is at least 10 times harder.

Lior Pachter: In the past, some may have imagined that it was simple, that one gene encodes for, say, hair color, and another makes you happy or sad. It appears that biology doesn’t work like that. It’s a very complicated interwoven network of objects that interact in very complicated ways.

MT: Höger. Living things are dynamic and heterogeneous, changing and evolving through time and space. Various genes can be expressed at different levels throughout an organism’s lifetime.

DVV: You might think that you could just sort of take averages and glean insights that way, but you can’t. You can’t take a lung and blend it up and sequence all that matter and then understand a lung, because there are different types of cells (epithelial cells, endothelial cells, and so on) in different locations working with one another. We need techniques that can respect these heterogeneous differences in order to understand whole organisms.

But biology is really exciting right now, because for the first time, we’re having solutions come up for all of these challenges. Simultaneously.

Can you talk about some of the new technologies that are impacting biology?

MT: In just the past decade, exciting and powerful technologies are emerging, like CRISPR-Cas9, the technique that allows us to edit genomes. The first full human genome was sequenced in 2003, after 13 years of work. Now, in 2019, sequencing all 20,000 genes in the entire human genome takes only a day or two, if not less.

To understand complex biological systems, it is important to know how cells interact with and influence their neighbors. For example, a healthy cell located directly next to a cancerous cell will receive different chemical signals and behave differently than a cell elsewhere in the body. A newly developed technique from the laboratory of Long Cai colorfully illuminates every mRNA in every cell within a tissue sample with “super-resolution.” The technique can be applied to study everything from embryos to cancers. Photo: Long Cai Lab

LP: Matt and I work on developing techniques to identify all of the RNA molecules in individual cells within a sample of tissue. Knowing which RNA are present in a given cell can tell you which genes are activated and, therefore, what the cell is trying to do. The basic way RNA sequencing works is to flow cells, one by one, through a narrow pipeline and encapsulate each cell in its own water droplet. Within the droplet, the cell is broken open and all of the messenger RNA molecules inside are tagged with a barcode unique to that particular droplet. Then we gather up all of the messenger RNA from all of the cells and sequence it in one big batch. The barcoding enables us to know which genes came from which cells.

MT: We can profile 100,000 cells in a day and a whole mouse embryo in less than a week. Our colleague Long Cai is aiming to be able to profile 1 million cells in a day.

DVV: Genomic assays give us a sense of the composition of living systems in a way that we can respect their large “parts list.” For understanding how things vary in space and time, we have imaging technologies. Our microscopes are now so good that we can look at whole tissues, we can look at single cells, we can look at single molecules. These technologies are starting to talk to one another, too. We basically repurpose machine-learning algorithms to identify individual cells, so that lets us look at things in a way that respects the important differences in datasets that have mixed information. These tools really are going to empower researchers to carry out a new generation of experiments.

In the 1960s, Gordon Moore (PhD ’54) predicted that computational power would double every two years, which has turned out to be quite accurate. Is there a kind of Moore’s law-like prediction for biology?

MT: Oh, it’s actually super-Moore’s law. It’s faster.

LP: We’ve seen that in basically any given biological technology. I don’t think there has been, in history, technological progression at this speed ever. Not even in computers.

MT: Three years ago, a particular experiment to perturb a biological system and measure responses would require a massive national consortium of scientists, like 200 people, to collect and analyze data over years. Now, our lab can do these sorts of things in a week or so. We need automated and efficient ways to analyze all this data, and that’s where machine learning comes in.

What exactly är machine learning?

LP: Machine learning is the process of using computational tools to predict and learn from data. These tools can be used in a variety of ways, from combing through telescope data to find planets outside our solar system to teaching a computer how to recognize moving objects in order to drive a car.

DVV: You can give a computer some example data sets and teach it how to look for insights. Then, once it has “learned,” you can give it a totally new data set to analyze. It’s a kind of artificial intelligence, and it has broad applications.

LP: Some of it even got its start here at Caltech, when researchers in the 1980s were inspired by neuroscience to develop computational methods for data analysis called neural networks.

MT: Many of us biologists are now working with Caltech’s AI4science Initiative, which brings together computer scientists and other researchers to use computing tools to get insights from our data. Machine-learning algorithms can be used for problems ranging from detecting fake news to classifying genetic sequences.

What kinds of things can we discover by applying machine-learning tools to biological data sets?

How do plants grow? How do plant cells decide to be part of a flower or a stem? What genes do they express? In the laboratory of Elliot Meyerowitz, these questions are answered using machine-learning image- analysis tools to learn from detailed images and videos of plant growth and gene expression. Photo: Nathanaël Prunet

DVV: Image analysis is a big area where machine learning can help. In my lab, we work on repurposing machine-learning algorithms, like the ones used to do computer vision for self-driving cars or that Facebook uses to recognize and locate people in pictures. We refashion them to analyze imaging data from microscopes and make these tools available so that biologists everywhere can use them. For example, a pathologist can use these techniques to look at breast cancer cells and learn about the interactions between immune cells and cancer cells.

MT: We use machine learning to look at really high-dimensional data sets, including genomes and single-cell sequencing data. It can reveal relationships between networks of genes, such as which genes are controlling the expression of other genes in a network. This way we can find the “master genes” that control processes like brain development or that control the development of T cells in the immune system.

LP: The possibilities for what we can learn from all of this biological data are both exciting and sobering. I think we’re really not that far from the unimaginable: changing who we are by changing our biology. What does it mean to be you? There are very profound fundamental changes and possible biomedical technology changes that are going to blow us away. It’s going to come very fast.

DVV: Society is not prepared for it.

LP: Society is completely unprepared for it!

DVV: These technological developments will drastically reshape what the world looks like, but many of the people who are going to be affected by these tools are not aware of what’s happening. There are questions about the medical industrial complex and healthcare system: Should we do basic genetic manipulations on embryos to get rid of disease-causing mutations? How about manipulations to determine eye color, height, skin color? We have to be having deep conversations, as a society, about what we actually want. How do we use these tools to create a just society?

LP: There is a law in the United States that prevents healthcare discrimination on the basis of genetics. But what about other kinds of discrimination? Can a university ask for a prospective student’s genome and take genetics into consideration?

So, not only are computer science and biology meeting but philosophy and ethics are becoming part of the conversation as well.

How do certain immune cells, called T cells, develop? How do they interact? What genes do they express, and when? Machine-learning image analysis enables researchers in the laboratory of Ellen Rothenberg to analyze T cell development and gene expression in real time. Photo: Center for Advanced Methods in Biological Imaging Analysis (CAMBIA) at Caltech. T cell image acquired by Mary Yui

LP: Ja. Here’s one example. Private companies are offering to sequence anybody’s genome because we have the ability to do that now. But the companies can collect this data, and we need to be having a conversation about the extent to which the data should or should not be private. Who can have access to it? It’s complicated and subtle: if somebody makes their own data public, then they are implicitly releasing information about their relatives without their consent.

The genome is actually the most trivial thing that you can measure on a person these days. What if you could take a sample of someone’s tissue and figure out aspects of their current state of health and well-being? This would be revolutionary in fighting diseases but also makes it very easy to get deeply personal information about a person.

MT: In parallel, there are all the internet companies that are figuring out your preferences and ideologies based on your search history, your social media friends, the things you post. Tons of data about your personality. Just imagine combining that with genetic data about you as a person. … You could get a full picture of society. Just imagine how advertisers could use this information. Right now, a vast majority of this information is in the hands of private companies.

DVV: Well, this got dark.

LP: On a more positive note, these hypothetical scenarios that we are imagining, the reason we’re bringing this up is because we are all aware of how crazily exciting the development is in our field. It’s just moving so fast. These are not conversations that are framed in some science fiction world, they’re very real. There is so much data and information that has been collected already, and there is a lot to learn from it. I think we are very privileged to come to Caltech and do this now.

DVV: It’s one of the unique things that makes Caltech so exciting. We get students who are fascinated by the biological questions but also have the quantitative backgrounds that are now necessary for doing this type of work.

Lior Pachter (BS ’94)is a Bren Professor of Computational Biology and Computing and Mathematical Sciences, as well as an affiliated faculty member of the Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience at Caltech.

Matt Thomsonis an assistant professor of computational biology and Heritage Medical Research Institute Investigator, as well as an affiliated faculty member of the Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience at Caltech.

David Van Valen (PhD ’11)is an assistant professor of biology and biological engineering.

Long Caiis a professor of biology and biological engineering, as well as an affiliated faculty member of the Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience at Caltech.

Elliot Meyerowitzis the George W. Beadle Professor of Biology and a Howard Hughes Medical Institute Investigator.

Ellen Rothenbergis the Albert Billings Ruddock Professor of Biology.


The list of medical courses without NEET doesn’t end just at Pharmacy as you could also consider pursuing Life Sciences after 12th class. Life Sciences offers multiple ranges of subjects like Biology, Botany, Zoology, Physiology, Biotechnology, Ecology, Genetic Engineering, and the list is dynamically expanding. Therefore, there are plenty of courses available in biology after 12th except MBBS and students can explore more in the field of Life Sciences.

Clinical Research is a branch of healthcare sciences that determines the safety and effectiveness of medications, medical devices, diagnosis, diagnostic product,s and treatment methods used for humans. Students who need to know about the options available in medical courses without NEET can think of a career in Clinical Research.

Clinical Research Scientists are involved in the following types of activities:

  1. Bio-availability management
  2. Site management
  3. Bioequivalence studies
  4. Developing trial protocol
  5. Phase II-IV trials Trial Monitoring
  6. Data management
  7. Central laboratories
  8. Biotech, chemistry, and biology
  9. Bio-IT solutions
  10. CR training

Analysis of human C1q by combined bottom-up and top-down mass spectrometry: detailed mapping of post-translational modifications and insights into the C1r/C1s binding sites

C1q is a subunit of the C1 complex, a key player in innate immunity that triggers activation of the classical complement pathway. Featuring a unique structural organization and comprising a collagen-like domain with a high level of post-translational modifications, C1q represents a challenging protein assembly for structural biology. We report for the first time a comprehensive proteomics study of C1q combining bottom-up and top-down analyses. C1q was submitted to proteolytic digestion by a combination of collagenase and trypsin for bottom-up analyses. In addition to classical LC-MS/MS analyses, which provided reliable identification of hydroxylated proline and lysine residues, sugar loss-triggered MS(3) scans were acquired on an LTQ-Orbitrap (Linear Quadrupole Ion Trap-Orbitrap) instrument to strengthen the localization of glucosyl-galactosyl disaccharide moieties on hydroxylysine residues. Top-down analyses performed on the same instrument allowed high accuracy and high resolution mass measurements of the intact full-length C1q polypeptide chains and the iterative fragmentation of the proteins in the MS(n) mode. This study illustrates the usefulness of combining the two complementary analytical approaches to obtain a detailed characterization of the post-translational modification pattern of the collagen-like domain of C1q and highlights the structural heterogeneity of individual molecules. Most importantly, three lysine residues of the collagen-like domain, namely Lys(59) (A chain), Lys(61) (B chain), and Lys(58) (C chain), were unambiguously shown to be completely unmodified. These lysine residues are located about halfway along the collagen-like fibers. They are thus fully available and in an appropriate position to interact with the C1r and C1s protease partners of C1q and are therefore likely to play an essential role in C1 assembly.


CT scans offer new view of Lake Malawi cichlid specimens

This illustration shows the variation in body morphology in cichlid fishes in Lake Malawi. The body of water in Southern Africa, home to between 800 and 1,000 species of the colorful fish often seen in aquariums in the U.S. is huge and deep, holding 7% of the world's available freshwater. However, 10% of its cichlid species are believed to be endangered by overfishing for food. Credit: Jay Stauffer Jr./Penn State

CT scanning—which combines a series of X-ray images taken from different angles around an organism and uses computer processing to create cross-sectional images of its bones, is providing new insight into an old initiative to characterize fishes in Africa's Lake Malawi.

The process, demonstrated in a new study using the high-resolution X-ray computer system in Penn State's Center for Quantitative X-Ray Imaging, is important because it will lead to the identification and management of more of the fish species in Africa's second largest lake, according to lead researcher Jay Stauffer Jr., distinguished professor of ichthyology in the College of Agricultural Sciences.

"Before they can effectively manage fish populations, they have to know what is there," he said.

Regarded by scientists as the most vibrant and diverse body of water in the world, Lake Malawi is home to between 800 and 1,000 species of colorful fish called cichlids however, the lake is overfished by humans for food. As a result, about 10% of those species are believed to be endangered.

Located between Malawi, Tanzania and Mozambique, Lake Malawi is immense. It covers an area of more than 11,000 square miles and holds 7% of the world's available surface freshwater—by comparison, appreciably more than Lake Erie.

"About half the species in the lake still haven't been described," said Stauffer, who has characterized, or discovered, more than 60 cichlid species himself. Since 1983, he has visited Lake Malawi for extended periods annually, collecting cichlid specimens while scuba diving.

After preservation, those specimens have been housed in the Penn State Fish Museum at Rock Springs, and approximately 35,000 are scheduled to be transferred to the National Research Institute of South Africa this year after COVID-19 restrictions are lifted. In the recent study, Stauffer and colleagues performed CT scans on selected specimens in the collection.

High-resolution CT scans and photographs of herbivorous cichlids, with key characters emphasized by arrows, such as strong jaws, small close-set teeth, straight-line mouth, deeply set teeth, comb-like triple crown teeth and widely spaced conical teeth. Credit: Jay Stauffer Jr., Penn State

The entire head of each fish was scanned, and the researchers focused on the "morphology"—analyzing the shape and profiles of the skulls and the structure and arrangement of teeth on the pharyngeal jaws and the oral jaws. This helps to determine a species' specialization to capitalize on certain food sources and to compete with other species.

"We chose species to scan that we knew had different feeding repertoires, and then we wanted to compare their head morphology with their species' feeding specializations to determine the relationships between morphology and behaviors," Stauffer said. "The purpose of this research was to show how observed behavioral traits of shallow-water species can be linked with morphological attributes using data collected from selected cichlids. Such associations can be used to predict behavior of deep-water or rare species, based on head morphology."

I resultat som nyligen publicerats i Ekologi och evolution, the researchers reported that high-resolution CT scanning will enable scientists to infer life history and behavioral characteristics of rare or extinct fishes from a detailed examination of morphology and linkages between morphology and behavior observed in surviving species.

Stauffer and other scientists will use CT scanning as they continue to identify cichlids in Lake Malawi. The technology is nondestructive, he explained, so they can collect data from specimens in museum collections.

"High-resolution computed tomography permits us to view the internal morphology and examine areas that would otherwise be destroyed by dissection," he said. "It will be a great help to me because I'm going over there and spending four to six weeks a year at the institute, identifying fishes that are in its museum."

Many of those older museum specimens are surprising him, noted Stauffer, who is 70 and has no plans to retire. "I'm finding a lot of species I've never seen before in more than 30 years of diving in Malawi. I think they're probably extinct. I'd like to describe these species, and the CT scans will help me to make accurate guesses about what their behavior was in the lake."

Adrianus Konings, ichthyologist, photographer, and founder and publisher of Cichlid Press in El Paso, Texas and Joshua Wisor, doctoral degree student in wildlife and fisheries science, contributed to this research.