静息态功能核磁共振发展及其应用

静息态功能核磁共振技术发展及其应用

一、什么是静息态功能核磁共振技术

（一）、功能磁共振技术及其原理

人脑是自然界进化最为复杂的产物，揭示脑的奥秘是当代自然科学面临的最重大的挑战之一。近年来随着脑成像技术及神经科学的发展，人们对脑的研究已不仅局限于解剖定位，更多的是对脑功能活动基本过程的深入研究。功能磁共振成像是90年代以后发展起来的一项新技术，它结合了功能、影像和解剖三方面的因素，是一种在活体人脑中定位各功能区的有效方法，它具有诸多优势，如无创伤性、无放射性、具有较高的时间和空间分辨率、可多次重复操作等，因此，功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI )作为脑功能成像的首选方法已被较广泛应用。功能磁共振成像主要是基于血流的敏感性和血氧水平依赖性(blood oxygenation level dependent，BOLD )对比度增强原理进行成像。所谓血氧水平依赖性是指大脑皮层的微血管中的血氧浓度发生变化时，会引起局部磁场发生变化，从而引起核磁共振信号强度的变化。采用基于 BOLD的功能磁共振成像技术进行脑活动研究在近十年中得到了迅速的发展，BOLD f MRI以空间和时间分辨率均较高的优势,逐渐成为对活体脑功能生理、病理活动研究的重要手段之一。其无创性和可重复性使之在临床得以迅速而广泛的应用和认同功能磁共振检查方法对人体无福射损伤，并且其时间及空间分辨率较高，一次成像可同时获得解剖影像及功能影像。功能磁共振成像原理是通过磁共振信号检测顿脑内血氧饱和度及血流量，从而间接反映神经元的活动情况，达到功能成像的目的。BOLD 技术是功能磁共振成像的基础；神经元活动增强时，脑功能区皮层的血流量和氧交换増加，但与代谢耗氧量增加不成比例，超过细胞代谢所需的氧供应量，其结果可导致功能活动区血管活动氧合血红蛋白増高，脱氧血红蛋白相对减少。脱氧血红蛋白是顺磁性物质，其铁离子有４个不成对电子，磁矩较大，有明显的Ｔ２缩短效应。因此，脱氧血红蛋白减少，导致Ｔ２＊和Ｔ２弛豫时间延长，信号増高，使脑功能成像时功能活动去抑制的皮层表现为高信号。功能磁共振成像应用于人脑功能的研究，最常用的方法是利用各种刺激诱导局部脑组织血氧水平依赖信号发生变化，间接反映神经元的活动,这种方法被称为“事件相关功能性磁共振( event-related f MRI)”。

（二）、静息态功能核磁共振技术

相比于任务态功能核磁共振技术，静息态 f MRI( resting -state f MRI)研究是大脑在静息状态时的自发活动,即在没有明确的输入或输出因素状态下,大脑内部发生的BOLD 信号的自发调节。最新的研究表明,大脑中的神经细胞在非任务状态也存在协同活动,并保持着传统认为只有在执行任务时才出现的复杂网络系统，这种非任务状态目前被广泛地称为——静息状态( resting state)。更具体地说，静息状态是指被试者保持清醒、不接收任何外部刺激或执行任何高级功能的状态。1995年，Biswal等发表了第一篇有关静息态 f MRI的论文，发现不仅在双手运动时两侧运动区同时被激活，而且在静息时两侧运动区的活动也是高度同步的，同时发现了静息状态下，运动区之间的信号存在低频振荡( low frequency fluctuations，LFFs，0.01 -0.08H z)的特性，不同脑区之间这种低频振荡存在一定的相关性[1]；一些研究者发现静息态下大脑中 BOLD 信号低频涨落与呼吸、心跳以及动脉血中二氧化碳分压(PaCO 2)的节律性变化有关[2，3，4]，从而认为这些信号变化可能由生理噪声引起 .但更深入的研究发现，虽然原始的静息态 BOLD 信号时间序列中包含有生理噪声，但生理噪声并非 BOLD 信号低频涨落及其在不同脑区中具有同步性的生理学基础。首先，静息态脑功能研究关心的 BOLD 信号涨落的频率一般在0.1 Hz 或 0.08 Hz 以下,而人类呼吸和心跳的频率分别约为 0.1 ～ 0.5 Hz 和 0.6 ～ 1.2 Hz[5]。Cordes 等人[5]定量分析了生理噪声对 BOLD 信号低频涨落的贡献，发现其大小不足10 %.此外，大量的实验证据表明 :在减少或消除生理噪声的影响后，静息态下不同脑区中 BOLD 信号低频涨落的相关性(即功能连接)依然显著存在。这些都说明，静息态下大脑中 BOLD信号的低频涨落主要反应了神经细胞的自发活动，而其在不同脑区中的同步性则显示了静息态下脑功能的连接模式。在前人研究的基础上,Raichle 等[6]提出在静息状态下人脑存在默认功能网络,即扣带回后部皮层、楔前叶、前额叶内侧皮层。近年来对这一静息态默认功能网络的研究取得了很大进展。值得注意的是，在清醒的静息态下，脑接受心输出量的11%,虽然脑仅占体质量的2%,但却占全身总耗氧量的20%[7]。脑在休息状态下全部能量的80%被用于参与谷氨酸盐循环和神经元的信号处理，提示在基线或休息状态下存在明显的功能活动。这种自发BOLD信号与心脏或呼吸活动引起的生理噪声信号不同,它是人脑静息状态时发生的神经元活动。近年来，人们越来越重视静息态下的脑功能研究,主要研究手段包括:功能磁共振成像( f MRI)、正电子发射断层扫描( PET)、脑电图( EEG)、脑磁图( MEG)、扩散光学成像(DOT) 等。其中 fMRI 作为一种非损伤性的脑成像技术在静息状态脑功能研究中发挥了不可替代的作用。

（三）、静息态功能核磁共振技术相比经典功能核磁共振技术的优点

经典的功能 f MRI( functional MRI，f MRI)所研究的是任务相关的脑激活，研究中所显示的功能脑区就是由任务状态与无任务的对照状态相减后得出的。静息态ｆMRI与任务状态下MRI比较，简单易行，可重复性离功能磁共振是一种完全无创的条件下对人脑进行功能分析的影像学检查手段。静息状态脑活动一经提出就引起了研究者极大的兴趣，相比任务状态的ｆMRI研究，静息状态ｆMRI不需给予刺激、受试者无需执行任何任务，因此可有效避免由于实验设计或被试执行情况的差异导致的实验结果的不可靠性，具有较高的临床可行性和实用巧。美国国家也理健康研究所总结2010度十大科学事件中，静息态ｆMRI的神经网络连接研究位列第二位。

二、静息态功能核磁共振技术的应用

（一）、静息态功能连接与解剖连接

最新的研究发现,静息状态很多功能连接有相应的结构基础，表明静息态功能连接与解剖连接之间可能存在密切的联系。对于这种联系的研究可以从几个方面进行。首先,可以利用脑损伤患者作为研究对象,有人发现胼胝体发育不良者双侧运动和听觉皮层之间的功能连接显著降低,提示解剖连接的破坏可导致功能连接的缺失,暗示了二者之间的相关性[8]。其次成像方法的发展为活体检测解剖连接提供了重要途径,VandenHeuvel等人使用扩散张量成像( DTI)与 f MRI相结合的方法,同时研究了静息状态作为脑结构通路的白质纤维束的分布和功能连接网络的结构,发现至少有 8 套静息态功能网络内部脑区之间存在结构连接。如默认网络各脑区间有扣带白质束,上额-枕白质束,胼胝体膝部白质束等构成了功能连接的解剖基础[9] ；Honey 等人用则扩散谱成像( DSI)方法得出了类似的结论,并认为静息态的功能连接特性受到大脑皮层解剖连接的限制[10] 。另外,实验动物的相关研究也可为此提供一定依据。虽然目前的研究方法对于解剖和功能连接的检测大多是间接的,结果也不尽完整,但是静息态功能连接与解剖连接之间存在相关的理论正渐渐成为趋势和共识,各种技术的发展和更多的实验结果有望为此提供更有力的证据。综上所述,目前的研究认为,静息态功能连接很可能反应大脑的解剖连接,同时在一定程度上受限于解剖连接的模式,二者之间相互联系并彼此影响。在此基础上,二者的分析方法及研究结果便可互为参考,使得一方面可以通过静息态的研究更精确地提供解剖连接的信息,另一方面在静息状态下大脑活动的相关性质,如默认网络随年龄变化的特征等,也可以结合解剖连接的发展给出更全面的解释。