功能磁共振成像

功能磁共振成像(fMRI)

功能磁共振成像技术简述

功能性磁共振成像（fMRI）是一种新兴的神经影像学方式，其原理是利用磁振造影来测量神经元活动所引发之血液动力的改变。由于fMRI的非侵入性、没有辐射暴露问题与其较为广泛的应用，从1990年代开始就在脑部功能定位领域占有一席之地。目前主要是运用在研究人及动物的脑或脊髓。

相关技术发展

自从1890年代开始，人们就知道血流与血氧的改变（两者合称为血液动力学）与神经元的活化有着密不可分的关系。神经细胞活化时会消耗氧气，而氧气要借由神经细胞附近的微血管以红血球中的血红素运送过来。因此，当脑神经活化时，其附近的血流会增加来补充消耗掉的氧气。从神经活化到引发血液动力学的改变，通常会有1-5秒的延迟，然后在4-5秒达到的高峰，再回到基线（通常伴随着些微的下冲）。这使得不仅神经活化区域的脑血流会改变，局部血液中的去氧与带氧血红素的浓度，以及脑血容积都会随之改变。

血氧浓度相依对比（Blood oxygen-level dependent, BOLD）首先由贝尔实验室小川诚二等人于1990年所提出[2]，小川博士与其同事很早就了解BOLD对于应用MRI于脑部功能性造影的重要性，但是第一个成功的fMRI研究则是由John W. Belliveau 与其同事于1991年透过静脉内造影剂（Gd）所提出。接着由邝健民等人于1992年发表在人身上的应用。同年，小川博士于4月底提出了他的结果且于7月发表于PNAS。在接下来的几年，小川博士发表了BOLD的生物物理学模型于生物物理学期刊。Bandettini博士也于1993年发表论文示范功能性活化地图的

量化测量。由于神经元本身并没有储存所需的葡萄糖与氧气，

神经活化所消耗的能量必须快速地补充。经由血液动力反应的过程，血液释出葡萄糖与氧气的比率相较于未活化神经元区域大幅提升。这导致了过多的带氧血红素充满于活化神经元处，而明显的带氧/缺氧血红素比例变化使得BOLD可作为MRI的测量指标之一。

几乎大部分的功能性磁共振成像都是用BOLD的方法来侦测脑中的反应区域，但因为这个方法得到的信号是相对且非定量的，使得人们质疑它的可靠性。因此，还有其他能更直接侦测神经活化的方法（像是氧抽取率（Oxygen Extraction Fraction, OEF）这种估算多少带氧血红素被转变成去氧血红素的方法；或侦测神经讯号造成的电磁场变化）被提出来，但由于神经活化所造成的电磁场变化非常微弱，过低的信杂比使得至今仍无法可靠地统计定量。

BOLD 效应 fMRI 原理

血红蛋白包括合氧血红蛋白和去氧血红蛋白,两种血红蛋白对磁场有完全不同的影响。合氧血红蛋白是抗磁性物质,对质子弛豫没有影响。去氧血红蛋白属顺磁性物质,可产生横向磁化弛豫时间(T2) 缩短效应。因此,当去氧血红蛋白含量增加时,T2加权像信号减低。当神经元兴奋时.电活动引起脑血流量显著增加,同时氧的消耗量也增加,但增加幅度较低,其综合效应是局部血液氧含量增加, 去氧血红蛋白的含量减低,削弱了T2加权像信号增强。总之,神经元兴奋能引起局部T2加权像信号增强,反过来讲就是T2加权像信号能反映局部神经元活动。这就是BOLD效应。

BOLD-fMRI 是建立在与脑活动有关的生理响应基础上的。脑功能在空间上市分隔的。大脑皮层可分为不同的功能区,可细分到功能柱。通过MR 测量,响应神经活动的血液动力学变化

和代谢变化可以生成脑功能定位图像。fMRI的空间分辨率虽然受到一定限制,但能提供关于功能间隔的信息。

BOLD成像是利用内源性MRI对比剂—脱氧血红蛋白作为对比源。脱氧血红蛋白的血红素上的铁是顺磁性的,而合氧血红蛋白是抗磁性的。当包含脱氧血红蛋白的红细胞置于 MRI 用的磁场中时, 它相对于周围的磁化率差会感应场畸变,这种与血

红蛋白磁化相关的场畸变正是BOLD对比度源, 与功能活动相

关的脱氧血红蛋白含量的变化可MRI信号中被探测到。

脑磁图(MEG)

脑磁图技术简述

脑磁图(MEG)是无创伤性地探测大脑电磁生理信号的一种脑功能检测技术，它通过超导量子干涉仪SQUID对人脑进行

非侵入性的测量，得到由脑内神经活动产生的头外微弱磁场,

在进行脑磁图检查时不需要固定于患者头部，检测设备对人体无任何副作用。MEG能够反映毫秒时间范围内的神经活动变化，可以用它来进行人脑的动态行为比如诱发刺激反应的脑功能研究。

脑磁图发展概况

19世纪初，丹麦物理学家Osrsted发现随着时间变化的电流周围产生磁场，磁场的方向遵循右手法则，即当右手拇指指向电流方向时其余四指所指的方向即为磁场方向。此法则同样适用于生物电电流。人类首次记录生物磁场测定是在1963年,

由美国的Baule和Mcfee两人用200万匝的诱导线圈测量心脏产生的磁信号。5年以后,美国麻省理工学院的Cohen首次在磁屏蔽室内进行了脑磁图记录。Cohen用诱导线圈和信号叠加技

术及超导技术测量了脑的8~12Hz的节律电流所产生的脑磁

信号。随着电子技术的发展，1969 Zimmermun与其同事发明了点接触式超导量子干涉仪，使探测磁场的灵敏度大大提高。首次记录包括心磁图，随后在磁屏蔽室内使用该干涉仪技术测量了脑磁图。最早期的脑磁图设备为单通道，也就是说有1个传感器，它覆盖的面积非常小，随后出现4通道、7通道、24通道、37 通道及64通道等生物磁仪。

MEG信号发生机理

人体生物磁场的来源主要分为:生物电流产生的磁场、由生物磁性材料产生的感应磁场和侵入人体内的强磁性物质产生的剩余磁场。其中，第一种就是产生脑磁场的磁源。细胞膜内外的离子移动引起了脑内的电活动，由此产生了磁场。记录下这种磁场变化即获得脑磁图。对于脑磁研究来说，并不是所有的神经细胞都会产生可测量的电磁场。在中枢神经系统中，因为电流偶极子产生的磁场会随着距离的平方而减低，只有在皮层上的电流才能有贡献，且只有锥体细胞才产生磁场。一个电流偶极子用来表征处于兴奋或抑制状态的锥体细胞，在大脑皮层

一个小区域内 ( 通常为1~2cm2)锥体细胞群，同时兴奋或抑制，也就是它们同时同方向放电，从而形成了一个平面偶极层，因此也可用一个由较大偶极矩的偶极子来等效。但若锥体细胞群

很多，在皮层内所占面积也较大(>2cm2)，并且已不是一个平面，这时就需要用2个或多个偶极子来等效。

一群这样的细胞的平均行为可以被模拟成一个电流偶极子产生径向的磁场和切向的电场，因此EEG主要是测量平行于颅骨的神经细胞的活动，而MEG主要是测量垂直于颅骨的这些细