功能磁共振成像的进展以及应用

摘要 ： 功能磁共振 （ ）技术因具有无创伤性 、 无放射性 、 较 高 的 时 间 和 空 间 分 辨 率 等 优 点。 近 年 来， 基于静息态功能磁共振 （ ｆ ＭＲ Ｉ ｒ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｔ ａ ｔ ｅ ｇ－ｓ ）技术对癫痫 、 老年痴呆症 、 精神分裂症以及抑郁症等疾病的研究是热点 。 本文综述了静息态ｆ ｆ ＭＲ Ｉ ＭＲ Ｉ 成像的基本原理及其在临床疾病研究应用 。 关键词 ： 静息态 ； 功能磁共振 ； 磁共振成像 ： ） ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌＭ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃＲ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ Ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｆ ＭＲ Ｉ ｉ ｓａｎ ｅ ｗａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｅ ｄｒ ｅ ｃ ｅ ｎ ｔｙ ｅ ａ ｒ ｓａ ｓｎ ｏ ｎ－ ｉ ｎ ｖ ａ ｓ ｉ ｏ ｎ ｎ ｏ ｎ－ｒ ａ ｄ ｉ ｏ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅａ ｎ ｄｈ ｉ ｈ ｇ ｇ ｇ（ ｐ ｐ ｐ ｇ ｔ ｅ ｍ ｏ ｒ ａ ｌ ａ ｎ ｄｓ ａ ｔ ｉ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｃ ｒ ｉ ｍ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｆ ｆ ＭＲ Ｉ ｉ ｓａ ｎ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄｔ ｏｓ ｔ ｕ ｄ ｅ ｕ ｒ ｏ ｓ ｃ ｈ ｉ ａ ｔ ｒ ｉ ｃｄ ｉ ｓ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｉ ｓａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ｐ ｐ ｇ ｙｏ ｇ ｇｍ ｙＮ ｐ ｙ ｐ ， ｏ ｆ ｆ ＭＲ Ｉａ ｎ ｄｓ ｏ ｍ ｅａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｎ ｄｓ ｕ ｍｕ ｒ ａ ｉ ｎｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｗ ｈ ｉ ｃ ｈａ ｒ ｅｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ｉ ｎｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｓ ｔ ｏ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒｗ ｉ ｔ ｈ ｉ ｔ ｓｓ ｏ ｍ ｅｒ ｅ ｃ ｅ ｎ ｔｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ． ｐ ｐ ｐｂ ｇ ｐ ： ； ；ｍ Ｋ ｅ ｏ ｒ ｄ ｓ ｒ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｔ ａ ｔ ｅ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｇ－ｓ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ ｙｗ 【 中图分类号 】 文献标识码 】 文章编号 】 （ ） Ｒ ２ ５ ６． １ ２ 【 Ａ 【 １ ６ ７ ２－３ ７ ８ ３ ２ ０ １ ２ ０ ３－０ ０ ２ ０－０ ２ ２ ０ 世纪 ９ ０ 年代初发展起来的血氧水平依赖的功能磁共振成像 （ ｂ ｌ ｏ ｏ ｄ ， ） 技术具有 无 ｏ ｘ ｅ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ －ｄ ｅ ｅ ｎ ｄ ｅ ｎ ｔ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌＭＲ Ｉ Ｂ Ｏ Ｌ Ｄ－ ｆ ＭＲ Ｉ ｙ ｇ ｐ 无放射性 、 较高的时间和空间分辨率及可多次重复操作等 优 点 ， 已 创伤性 、 成为现今进行脑科学和生命科学研究的重要工具 。 １ 简介 人类大脑重量占体重的 近 ２％ ， 在 清 醒 的 静 息 态 下， 脑接受心输出量 １］ ２］于 的１ 。Ｏ １％ ，但却 占 全 身 总 耗 氧 量 的 ２ ０％ ［ ａ ｗ ａＳ 等 人 ［ １ ９ ９ ２ 年在 ｇ 活体上证明用 ＭＲ 即是将核磁共振物理学和脑生 Ｉ可以测量血 中 氧 含 量 ， 产生了 Ｂ 理学的 结 合 ， Ｏ Ｌ Ｄ 信 号 。ｆ ＭＲ Ｉ（ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｇ ， ） 技术是将传统 共 振 成 像 的 高 分 辨 率 解 剖 成 像 能 力 与 核 示 ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｆ ＭＲ Ｉ ｇ ｇ 将人脑的功能像精确地投影到解剖图像 踪的 血 流 动 态 的 特 异 性 相 结 合， 上， 从而成为研究大脑认识思维活动的检测技术 。 主 要 方 法 分 为 两 种： 一种是事件相关 ＦＭＲ Ｉ应用于人脑功能的研 究 ， 功能性磁共振 （ ） ， 即为 利 用 各 种 刺 激 诱 导 局 部 脑 组 织 ｅ ｖ ｅ ｎ ｔ －ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄｆ ＭＲ Ｉ 间接反映神经元的活动； 另一种为最常用的方法是 Ｂ Ｏ Ｌ Ｄ 信号发生变化， 静息态 ｆ ） ， 即在没有明确的输入或输出因素状 ＭＲ Ｉ（ ｒ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｔ ａ ｔ ｅｆ ＭＲ Ｉ ｇ－ ｓ 态下 ， 大脑内部发生的 Ｂ Ｏ Ｌ Ｄ 信 号 的 自 发 调 节。 静 息 态 指 的 是 受 试 者 闭 眼、 放松 、 静止不动 ， 并避免任何有结构的思维活动的状态 。 与基于 任 务 的 它的临床应用简单 ， 可操作性好 ， 无需实验设计及被试训练等 。 ｆ ＭＲ Ｉ比较 ， ３］ 第一 次 证 实 了 静 息 状 态 下 Ｂ １ ９ ９ ５年 Ｂ ｉ ｓ ｗ ａ ｌ等 ［ Ｏ Ｌ Ｄ 信号具有低频 ， ， ） 特 性， 并且发现双侧 波动 （ ｌ ｏ ｗｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｌ ｕ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ Ｌ Ｆ Ｆ ｓ ｆ １Ｈ ｚ ＜０． ｑ ｙｆ 感觉运动皮层的自发 Ｂ Ｏ Ｌ Ｄ 信号存在 较 强 的 同 步 性 。 一 般 认 为 静 息 状 态 ４］ ５］用 。Ｒ ｆ ＭＲ Ｉ的 Ｌ Ｆ Ｆ 的机理是由于神经元的自发活 动 引 起 的 ［ ａ ｉ ｅ ｈ ｌ ｅ等 ［ 、 楔前叶（ Ｐ Ｅ Ｔ 研究大脑血流和血 氧 情 况 发 现 扣 带 回 后 部 （ Ｐ Ｃ Ｃ） Ｐ ｒ ｅ ｃ ｕ ｎ ｅ ） 、 前额叶中 分 （ ， 等脑区构成一个网络系 ｕ ｓ ｍ ｅ ｄ ｉ ａ ｌｐ ｒ ｅ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ａ ｌ ｃ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘ ＭＰ Ｆ Ｃ） 统， 这些脑区在静息状态下比在绝 大 多 数 任 务 状 态 下 有 更 强 的 激 活 ， 因此 推测在静息状态下 ， 大脑存在着一 个 自 组 织 的 默 认 脑 网 络 ， 提出了默认网 络 （ ， 的 概 念， 并推测该网络可能与人脑的意 ｄ ｅ ｆ ａ ｕ ｔｍ ｏ ｄ ｅｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ＤＭＮ） 识、 记忆等高级功能有密切的关系 。 ２ 静息态ｆ ＭＲ Ｉ 的原理 功能磁共振最初的假设是局部的神经活动与血液动力学改变 有 关 ， 所 ６］ 。 静 息 态ｆ 以局部 Ｂ Ｏ Ｌ Ｄ 信号的改变可以 反 映 神 经 活 动 的 变 化 ［ ＭＲ Ｉ的 原理 ： 血液动力学反应与大脑的神 经 活 动 之 间 存 在 密 切 联 系 ， 神经元兴奋 时会引起脑血流量和耗氧量的增 加 ， 但 耗 氧 量 增 加 幅 度 较 低， 其综合效应 是局部血液的氧含量增加 ， 即去氧 血 红 蛋 白 含 量 相 对 减 低 ， 后者是顺磁性 物质， 它的含量降低引起 Ｔ ）信号增强 ， 即神经元兴奋能引 ２ 加权像 （ Ｔ ２Ｗ Ｉ 起局部 Ｔ ）信号 增 强 ， 反 之， ）信 号 也 能 ２ 加权像 （ Ｔ ２Ｗ Ｉ Ｔ ２加权像（ Ｔ ２Ｗ Ｉ 反映局部神经元活动 。 这就是 Ｂ Ｏ Ｌ Ｄ 效应的基本原理和生理基础 。 ３ ｆ ＭＲ Ｉ的优点以及应用 静息态ｆ （ ） 成本较 Ｐ 依 ＭＲ Ｉ 具有其自身独特的优点 ： １ Ｅ Ｔ、 Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ Ｔ 低， 靠内源 性 物 质 变 化 进 行 成 像 ， 无创、 无示踪剂和电离辐射损害； （ ２） Ｅ Ｐ Ｉ图 像采集速度快 ， 有很好的时间分辨率 ； （ ） 空间分辨率佳 ； （ ） 可对同 一 个 体 ３ ４ 的某个脑功能活动进行重复研究 ， 提供更准确的功能图像信息 ； （ ） 静息态 ５ 与基于任务的ｆ 无需实验设计及被试训 ｆ ＭＲ Ｉ的临床应用简单 ， ＭＲ Ｉ比 较 ， 练等 ， 可操作性好 。 静息态ｆ ＭＲ Ｉ的主要临床应用如下 ： （ ） 癫痫 （ ） ： 癫痫是以脑部神经元过度放电 所 致 的 突 然 、 反复 １ Ｅ ｉ ｌ ｅ ｓ ｐ ｐ ｙ 和短暂的中枢神经系统功能失常 为 特 征 的 神 经 系 统 慢 性 疾 病 。 在 癫 痫 发 作间期 ， 致痫灶及其周围脑组织有 癫 痫 样 放 电 ， 该种放电会带来功能的变 化， 从 而 伴 随 血 氧 水 平 的 改 变， 这 就 为 静 息 态ｆ ＭＲ Ｉ的 应 用 提 供 了 条 件 。 ７］ 在癫痫病人的研究中提示 ， 丘脑皮层的激活及默认脑功能活 Ｇ ｏ ｔ ｍ ａ ｎ等［ ８］ 动的暂停可能共同引 起 了 尖 波 放 电 期 间 病 人 的 反 应 降 低 。Ｌ ａ ｕ ｆ ｓＨ 等 ［ 发现发作间期颞叶癫痫病人静 息 状 态 时 ＤＭＮ 脑 区 的 活 动 均 有 减 弱 。０ ８ ［ ９］ 年Ｌ 等研究发现部分性发作癫痫患者 默 认 网 络 与 正 常 人 无 显 著 差 异 ， ｕ ｉ 全面性发作癫痫患者双侧楔前叶／ 说明上述 Ｐ Ｃ Ｃ 区域缺少 自 发 低 频 振 幅， ［０］ 脑区功能异常 。２ 研究原发 全 面 性 癫 痫 患 者 ， 认为癫痫 ０ ０ ９年 Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ等 １ 并验证了有严 重 意 识 患者长期反复的全脑放电可能导致默认网络的损害 ， 障碍 的 情 况 下 大 脑 默 认 网 络 均 受 到 严 重 影 响 的 理 论， 结果提示局部大脑 可以 有 效 地 用 于 癫 痫 Ｂ Ｏ Ｌ Ｄ 信号同步性变化有利于我们对癫痫灶的定位 ， ［１］ 临床和基础研究 。２ 利用联合脑电功能磁共振（ ０ １ ０年 Ｚ ｈ ｅ ｎ Ｅ Ｅ Ｇ－ ｇ等 １ ） 方法研究颞叶癫痫患者发现丘脑 、 脑干 及 部 分 皮 层 区 域 有 明 显 的 时 ｆ ＭＲ Ｉ １ ２］ 间相关性 ， 提示上述脑区为癫痫网络 。Ｖ 通过颅内电极脑电 ｕ ｌ ｌ ｉ ｅ ｍ ｏ ｚ等 ［ （ ） 的方法研究发现默认网络参与了颞叶 癫痫的 图联合ｆ ＭＲ Ｉｉ ｃ Ｅ Ｅ Ｇ－ ｆ ＭＲ Ｉ 活动 。 ） 抑郁症 （ ） ： 抑郁症是一种具有持续的情绪低落等多种 （ ２ Ｄ ｅ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｐ 临床表现的精神障碍 。 有研究表明 静 息 态 下 抑 郁 症 患 者 存 在 默 认 状 态 网 １ ３］ 络的异常 ［ ， 利用静息态ｆ 将有 ＭＲ Ｉ可进一步 观 察 抑 郁 症 默 认 状 态 网 络 ， １ ４］ 助于对抑郁症发生机制的理解 。Ｙ 研究抑郁 症 患 者 默 认 状 态 网 络 ａ ｏ等 ［ 内脑区的功能连接强度 ， 结果提示了静息态下抑郁症默认网络的连 接 效 能 １ ５］ 协调性紊乱 。Ｙ 应用 Ｒ 降低 、 ａ ｏ等 ［ ｅ Ｈ ｏ 方法 对 ２ ２名抑郁症患者进行研 究发现抑郁症患者的焦虑 、 认知障碍 、 迟缓 、 睡眠障碍及绝望感症状 可 能 是 ［６］ 在２ 部分特定的脑自发活动一致性 异 常 的 表 现 。Ｐ ｅ ｎ ０ １ ０年发现抑 ｇ等 １ 郁症患者左侧丘脑在基础状态下自发神经活动一致性减低 ， 脑区内 神 经 活 动协调一致性功能异常 ， 可能与脑区内神经元受损及其能量代谢相 关 的 线 粒体功能异常相关 。 （ ） 阿尔茨海默病 （ ’ ） ： ３ Ａ ｌ ｚ ｈ ｅ ｉ ｍ ｅ ｒ ｓｄ ｉ ｓ ｅ ａ ｓ ｅ Ａ Ｄ 是一种进行 性 发 展 的 致 死性神经退行性疾病 ， 临床表现为 认 知 和 记 忆 功 能 不 断 恶 化 ， 日常生活能 １ ７］总 结 了 并有各种神 经 精 神 症 状 和 行 为 障 碍 。 Ｎ 力进行性减退 ， ｅ ｓ ｔ ｏ ｒ等 ［ 顶叶 、 颞叶以及前额叶皮质低代谢以及低灌注 。Ｇ Ａ Ｄ 患者后扣带回 、 ｒ ｅ ｉ ｃ ｉ １ ８］ 于２ 结果提示阿尔茨海 ｕ ｓ等［ ０ ０ ４ 年采用了简 单 的 感 觉 运 动 处 理 任 务 ， 默病患者相对于对照 ＤＭＮ 的激活降低 ， 特别是在 Ｐ Ｃ Ｃ 和海马 。 同年利用 １ ９］ 独立成分分析发现后扣带回与海马 、 前额叶中线区等发 生 连 通 性 减 弱 ［ 。 ［０］ 有研究发现海马是 Ａ 研究发现 Ａ Ｄ 病 变 最 早 影 响 的 脑 区。 Ｗ ａ ｎ Ｄ ｇ等 ２ ２ １］报 道 老 年 病变影响海马与默 认 网 络 之 间 的 功 能 连 接 。Ｄ ａ ｍ ｏ ｉ ｓ ｅ ａ ｕ ｘ 等［ 并验证了老年人 ＤＭＮ 信号强度与年龄 人 ＤＭＮ 脑区的 Ｂ Ｏ Ｌ Ｄ 信号降低 ， 和认知能力下降呈负相关 。 （ ） 精神分裂症 （ ） ： 精神分裂症为一种功能性精神病 ， 是 ４ Ｓ ｃ ｈ ｉ ｚ ｏ ｈ ｒ ｅ ｎ ｉ ａ ｐ 一种是以基本个性 ， 思维 、 情感 、 行为 的 分 裂， 精神活动与环境的不协调为 ２ ２］ 主要特征的一类最常见的精神疾病 。２ 应用 Ｒ ０ ０ ６年 Ｌ ｉ ｕ等 ［ ｅ Ｈ ｏ方 法 研 究发现静息状态精神分裂症患者 异 常 脑 区 主 要 分 布 在 额 叶 、 颞 叶、 右顶叶 ２ ３］ 发现精神分 裂 症 患 者 后 扣 带 回 、 侧顶 以及枕叶 。２ ０ ０ ７年 Ｂ ｌ ｕ ｈ ｍＲ Ｌ 等［ 叶、 内侧额 叶 及 小 脑 等 脑 区 之 间 的 自 发 缓 慢 波 动 的 相 关 性 明 显 减 低 。 ２ ４］ 研究显示精神分裂 症 患 者 双 侧 海 马 至 一 些 脑 区 的 功 能 连 接 减 Ｚ ｈ ｏ ｕ等 ［ ２ ５］ ２ ６］对 早 发 少 。Ｈ 等 发现精神分 裂 症 患 者 脑 桥 有 功 能 异 常 。Ｚ ｅ ［ ｈ ｏ ｕ 等［ 性精神分裂症患者的功能连接分析 中 亦 发 现 额 叶 皮 层 与 扣 带 回 功 能 连 接 异常 。 ４ 小结与展望 ＦＭＲ Ｉ对于研究静息状态 下 人 脑 自 发 活 动 以 及 各 脑 区 之 间 的 功 能 联 系具有重要意义 。 作为发展 ｆ ＭＲ Ｉ 研究是近几年 脑 功 能 成 像 研 究 的 热 点 ， 迅速 、 应用前景最为广阔的脑功 能 成 像 技 术 ， 临床等 ｆ ＭＲ Ｉ已 经 在 脑 科 学 、 领域的应用中获得了巨大成功 ， 取得了很多突破性的研究成果 。 但 使 之 广 泛应 用 于 临 床 ， 还 需 进 行 探 索 性 临 床 前 研 究。 目 前， ｆ ＭＲ Ｉ发 展 趋 势 是 ： 更准确地 测 定 脑 组 织 的 基 础 血 流 ， 使其信号更客 ｆ ＭＲ Ｉ与 Ｐ Ｅ Ｔ 联合应用 ， 观地反 应 生 理 变 化 。ｆ ＭＲ Ｉ与 具 有 时 间 特 性 的 脑 电 检 测 手 段 （ Ｅ Ｅ Ｇ、 就能解决磁共振信号滞后于神经或生理响应而不能实时反 ＭＥ Ｇ）相结合 ， 应人脑活动的问题 。 随着深入的研 究 ， 我 们 坚 信ｆ ＭＲ Ｉ必将会再探索人类认知与思维活 动， 诊治脑部疾病等方面发挥越来越大的作用 。
论 著
健康必读 Ｈ ｅ ａ ｌ ｔ ｈｍ ｕ ｓ ｔ － ｒ ｅ ａ ｄ
Baidu Nhomakorabea
２ ０ １ ２ 年 ３ 月第 １ １ 卷第 ３ 期 中旬刊
功能磁共振成像的进展以及应用
曹 志１综述 赵世刚 马文娟２审校 （ １．内蒙古医学院 内蒙古 呼和浩特 ０ １ ０ ０ ５ ９； ２．内蒙古医学院附属医院 内蒙古 呼和浩特 ０ １ ０ ０ ５ ９）