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脑功能磁共振成像(fMRI)简介(2)

已有 20450 次阅读 2012-2-9 06:00 |系统分类:科普集锦| fMRI, 功能磁共振


    通过改变影响磁共振信号的不同参数,可以获得多种不同的
MRI图像,其中,最主要的就是以下四种:以质子含量衡量所成像称为质子密度图;以自旋——晶格驰豫时间T1衡量所成像称T1加权像;以自旋——自旋驰豫时间T2衡量所成像称T2加权像;磁场微环境的改变影响T2,改变后以T2*代替,此时得到的像称为T2*像,等等。实际上,临床大夫正是利用病变部位与正常组织质子密度、T1T2不同通过磁共振成像图来诊断各种疾病的。这里,我们讨论的主要是功能磁共振成像脑功能定位T2*像。

 

MRI的一个最经典的实验研究,就是揭示出脑认知活动时氧消耗量的变化。我们都知道,当大脑在努力工作的时候,需要的氧气数量增加,即含氧血红蛋白的总量变大。然而,实验研究却发现,当大脑特定皮层组织兴奋的时候,氧的消耗并没有增加多少,而临近血流里的氧气含量升高很显著,即由含氧血红蛋白变成无氧血红蛋白的数量却不变,而含氧血红蛋白与无氧血红蛋白的比例变大,这就是著名的BOLD效应。由于含氧血红蛋白与无氧血红蛋白铁的磁性不同,脑兴奋区域和未兴奋区域的磁场微环境便不同,导致T2*信号的不同,这也就是功能像信号的由来。

 

功能像一般对大脑解剖结构的分辨率较低,因此,我们通常还用其他如T1像扫描一幅结构像叠加在功能像T2*像上,以确定脑兴奋区域到底是在脑结构上的哪一个位置。由于一次成像的信噪比太低,往往需要多次成像迭加以提高信噪比。迭加的前提是被试的头不能动,用形象而夸张一点的说法,眼睛和眼睛相迭,鼻子和鼻子相迭会使眼睛和鼻子更清楚,但要是头动了,眼睛动到了原来鼻子的位置,眼睛和鼻子“画”在一起,图像就乱七八糟了。头动的控制往往是fMRI实验成败的关键,世界各地的磁共振实验室都想尽各种办法来限制被试的活动,有的用真空枕,有的用头箍,有的让被试用牙咬住一个固定装置,还有的甚至用胶带把被试“绑”起来。

 

  磁共振信号产生后,如何记录和确定该信号的三维空间位置产生呢?即有了信号如何“成像”呢?科学家通过设计一个梯度磁场,使空间中每一处质子的磁共振频率不一样,不同的频率对应不同的空间位置,这样就确定了信号来自于什么地方。实际上,我们从磁共振仪接受的信号除了磁场梯度编码外还有信号相位的编码,通过计算机,采用快速傅立叶变换,便可以重建出一幅幅解剖切面图似的磁共振成像图。

 

我们可以看一个代表性的脑功能实验,了解如何通过BOLD效应,观察脑部区域性活动与精神认知活动的关联:

 

实验采用对照比较法,测量被试在某种任务或作业前对照状态和作业时工作状态的脑T2*像,比较时将工作状态的T2*像减去对照状态的,就可以得到对某个特定任务或作业所涉及的脑活动区域。该实验分级测量被试在给出一个英语名词立即说出一个动词的过程各阶段脑活动:

I.被试 注视监视屏上的一对“+”字注视点。

II.通过视觉或听觉方式给被试呈现名词。

III.被试朗读出单词。

IV.被试说出和该名词相对应的动词。

II - I.分离出与视觉接受和听觉接受相关的脑区。分别为视皮层和颞叶。

III - II.分离出与说话相关的脑区。这里是言语运动区。

IV - III.是去掉感知和言语后纯精神活动相应的脑区。形成动词时需要额外的神经区域,包括左前额区和布罗卡、维尔尼克区相应的颞叶区域。

 

在大脑功能的认知神经科学研究中,每一种脑电磁技术和脑成像技术都有它们各自的优缺点。如有百年历史的脑电位EEG技术就有其严重的局限——较低的空间分辨率和定位的非唯一性。功能核磁共振成像(fMRI),通过区域脑生理生化指标变化显示出脑代谢发生快速变化的脑区,可以得到图谱式的脑解剖标准像,达到很高的空间分辨率,尽管最新的发展在不断提高磁共振成像技术水平,它的难以克服的局限恰是低时间分辨率。因此,一个很有前途的方向就是结合这些技术各自的优点,取长补短克服各自的缺陷。而把fMRI与有实时的时间分辨率的脑电的结合,正是目前前沿领域。



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