脑功能成像(fMRI)技术

第四节脑功能成像技术1

语言神经认知机制研究是语言科学研究的重要内容，它主要研究语言与大脑的关系，简单的说就是研究语言在人脑中的理解与产生的过程。但是人脑被一层厚厚的颅骨所包围，因此仅凭肉眼无法判断大脑处理语言时的情况。认知语言学通过语言理论的假设来构建语言认知模型，心理语言学则通过行为学方法，通过测试量表来研究具体语言结构的反应时间和正确率。但是，这两种研究方向都不能直接观察大脑实时处理语言的情况。随着科学技术的发展，新的语言科学研究技术已经被广泛用于语言研究中，其中PET和fMRI尤其是fMRI技术又是神经认知科学研究被最广泛应用的一种新的技术手段。

一脑功能成像技术简介

PET（Positron Emission Tomography,PET）即正电子发射断层扫描技术，其基本原理是：刺激作用于大脑会产生血流变化，利用血液中注射的放射性示踪物质来和脑活动的某些脑区进行对比，从而确定刺激任务与特定脑区之间的关系。fMRI是functional Magnetic Resonance Imaging的简称，中文名称为功能性磁共振成像。其实质就是在磁共振成像的基础上获取大脑活动的功能图像，以获取被试对所给语言、图形、声音等刺激材料进行加工时产生的fMRI信号并加以分析，以确定这些刺激材料与对应脑区的关系，从而分析其脑机制。赵喜平（2000）认为所谓的fMRI就是利用MRI对组织磁化高度敏感的特点来研究人脑功能，特别是大脑各功能区划分或定位的无创伤性检测技术。由于PET技术在技术要求以及资金需求方面的原因，用于认知任务的研究越来越少，现在主要的脑成像技术就是fMRI,因此这里主要介绍fMRI技术以及实验数据的处理和对实验数据的解读。

1.1 fMRI的发展及其原理

MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）产生于上个世纪70年代。1970年，美国纽约州立大学的Raymond Damadian发现正常组织的NMR（Nuclear Magnetic Resonance）信号与病变组织的信号明显不同。这以后Paul Lauterbur、Peter Mansfield 和Graunell发展了各种成像方法。1976年 Mansfield得到了第一幅人体断层像，1977年世界上第一台名为indomitable 的全身磁共振成像装置诞生，1978年的图像质量已经接近CT，1980年磁共振成像设备用于商业用途，这之后，磁共振成像技术开始进入一个飞速发展的时期。美国Technicare公司、GE公司、

1 为了使读者能够直观的了解脑功能成像的实验过程，本章节的图片除了引用编著者已经发表的陈国之外，还参考了/afni、/products/e-prime/网站的部分图片。

德国Siemens公司、荷兰的Philips公司等先后成为最负盛名的磁共振设备制造商，临床上也开始应用磁共振成像做疾病的早期诊断，到1985年全世界就装备了511台磁共振成像设备。MRI装置的磁场强度也逐步增大，由最初的0.1T（T Tesal 磁场强度单位）以下到目前临床上运用最广的为1.5T、3T的MRI设备，国外的某些研究机构已运用场强高达9T的MRI装置进行认知科学的研究。我国现在也正在开展磁共振装置的研究，已经取得了一定成果，结束了MRI设备完全靠进口的历史，一些低场磁共振已经可以实现国产，但是在高场磁共振技术上和国外还有一段差距。

MRI扫描设备包括磁体、线圈（包括射频线圈和梯度线圈）、主控计算机和工作平台。整个磁共振室还要包括其他的外设如电源、频闭设备、空调等。磁体可分为永磁型、常导型、混合型和超导型四种。线圈用于发射和接收脉冲信号以及对磁共振信号进行空间定位。主控计算机和工作平台用于采集数据。近来还有公司生产了专门用于fMRI实验的装置，大大方便的实验操作，但是一般成本较高，国内鲜有采用。现在运用最广的是超导型MRI设备，它的信噪比高、稳定性好，可用于高场强的MRI装置，对于fMRI的研究非常有效，用于fMRI研究的MRI装置一般最低的要求是1.0T以上的超导型MRI扫描系统。

MRI是对基于核物理学和量子物理学的NMR（Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振）现象的应用。NMR现象是美国科学家Bloch和Purcell于1946年同时发现的。我们知道原子是由原子核和围着核旋转的电子组成，原子核又是由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。在人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁矩，如同一个磁体，这个磁体的自旋是杂乱无章的，但在均匀的强磁场中，磁体的自旋将按磁场磁力线的方向重新排列，这时用特定的射频脉冲去照射这些含有原子核的物体，物体就会将这些能量吸收，从而产生核磁共振现象，也就是现在广义上的磁共振成像。

fMRI产生于上世纪90年代左右,是在磁共振成像基础上发展起来的，功能性磁共振成像技术一般有3种，脑血流测定、脑代谢测定、神经纤维示踪技术。在实验研究中应用最广的脑功能成像方法为脑血流测定，它又包含有注射造影剂、弥散加权、灌注和血氧水平依赖成像等方法。现在最为流行的fMRI成像方法是血氧水平依赖成像即BOLD（Blood Oxygenation Level Dependent）成像技术，BOLD技术由美国的S.Ogawa提出，1991年美国的明尼苏达大学、贝尔实验室、麻省总院、威斯康星大学也取得了初步的研究成果。90年代中期后，fMRI开始在对运动、记忆、学习、语言等人脑高级功能的神经机制研究当中得到了广泛的运用。

血氧水平依赖（BOLD）的主要原理是，人的血液中包含两种物质：氧合血红蛋白和去氧血红蛋白，氧合血红蛋白是逆磁物质，而去氧血红蛋白是顺磁物质，当给予刺激时，需要消耗体内的氧和葡萄糖，因此，当刺激刚开始的一段时间内血氧水平是下降的，但是随着神经元的兴

奋，会带来更多的血氧，因此去氧血红蛋白就相对减少，这样两种不同磁化物质的增减状态不同，表现出不同的MR信号，张武田（2001）认为“将这种磁性物质的相对增减记录下来，就反映了相关脑区的激活状态”。

二 fMRI实验研究介绍

1 实验设计和刺激软件

fMRI实验设计一般有两种：组块设计和事件相关设计。（见图1、2）组块设计（Block Design）就是将实验任务分为几个组，每组包含有同一类型的实验材料若干，每组重复连续给予被试刺激，由被试做出反应完成任务。事件相关脑功能成像（ER-fMRI）的实验设计，贾富仓等（2001）将其定义为：“一次只给一个刺激 ,经过一段时间间隔再进行下，一次相同或不同的刺激。它的核心是基于单次刺激或行为事件所引发的血氧反应”。他们认为事件相关较组块设计有如下优点：一是它具有随机化的优点，二是可以对被试和实验任务作选择性处理，三是可提供脑局部活动的反应特点。应该说事件相关设计的应用前景相当看好。在Block设计中，一般要求一组刺激的时间要等同于控制所呈现的时间，而且每个实验序列内，Bloc的数量不宜太多，否则会影响实验的效果。在事件相关设计中，刺激之间的间隔时间一般要求随机化，但是间隔一般不能太短，否则影响在前一刺激结束的短时间内大脑恢复不到“初始状态”。每个刺激材料的呈现时间也要尽可能的短，以让被试的大脑在尽快完成任务后恢复至初始状态。实验中的控制任务就是用来恢复大脑初始状态的任务，不要求被试反应并要在开始实验前嘱咐被试，在出现控制任务时放松休息，不要再想实验，只要注意屏幕的提示即可。fMRI实验的控制任务一般都使用十字符号放置于屏幕发中央。刺激任务就是我们在实验中要考察的对象，在早期的fMRI实验中，有单一实验材料单一任务的设计，但是在近期的fMRI实验中，有可能是一种刺激做不同任务，也可能是不同刺激做相同任务，总之在最近的fMRI实验中一般都要求有两种以上的刺激或者任务，这样才能比较任务之间的差异，得出不同语言刺激材料或者任务激活的脑区。这些实验材料或者实验任务，在Block设计中，相同的要放入一个Block中，在事件相关设计中，不同的实验任务或者实验材料，可以随机放置在任意的时间序列中。选择Block设计还是事件相关设计，没有统一标准，要视具体实验而定。这些设计在具体实验的时候需要用软件加以实现。现在一般常见的软件有DMDX、E-Prime等，E-Prime软件的编写比较直观，非常适合fMRI实验。图3就是E-Prime软件的工作界面截图。

30s 30s 30s 30s 30s 30s