功能磁共振成像技術(shù)的研究進(jìn)展

功能磁共振成像技術(shù)的研究進(jìn)展

功能磁共振成像（mri）于20世紀(jì)90年代出版。為了探索人類的高級認(rèn)知功能，它提供了一個新的平臺，是目前最重要的研究腦功能的成像手段之一。1dent功能核磁共振成像功能磁共振成像其特點如下：(1)能在活體下反復(fù)、無創(chuàng)、直觀觀測腦活動改變；(2)可考察各激活腦區(qū)間的相互聯(lián)系；(3)空間分辨率高，可在全腦精確到1mm范圍，高于PET;(4)fMRI試驗的成功依賴良好的任務(wù)設(shè)計和資料分析。基于血氧水平依賴（BloodOxygenationLevelDependent,BOLD）的功能磁共振成像是目前使用最廣的具有高空間分辨力及無創(chuàng)傷性的腦功能研究方法之一，其以血氧水平依賴效應(yīng)為核心檢測和定位腦功能。其基本原理是：神經(jīng)元活動對局部氧耗量和腦血流影響程度不匹配，血液中氧合血紅蛋白/脫氧血紅蛋白比例不同導(dǎo)致局部磁場性質(zhì)發(fā)生改變。血氧水平的變化由一系列生理參數(shù)決定，主要包括氧耗量、腦血流量（CerebralBloodFlow,CBF）和腦血容量（CerebraBloodVolume,CBV)。當(dāng)人體執(zhí)行特定任務(wù)時，其相應(yīng)腦功能中樞的神經(jīng)元被激活，氧耗量增加，進(jìn)而引起鄰近血管床的血流量和血容量增加，從而使神經(jīng)元活動區(qū)氧合血紅蛋白增加，脫氧血紅蛋白減少。脫氧血紅蛋白作為順磁性物質(zhì)，有明顯的T2*值縮短效應(yīng)。因此，在激活狀態(tài)下該腦區(qū)T2*值相對延長，MRI信號強度增加。根據(jù)腦部未激活區(qū)與激活區(qū)局部血流中氧合血紅蛋白/脫氧血紅蛋白比例不同所導(dǎo)致的MRI信號的差別，通過應(yīng)用計算機相關(guān)分析軟件繪制大腦皮層功能圖，從而達(dá)到直觀的反映相關(guān)皮層功能變化的目的。2mri技術(shù)在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用2.1視覺運動刺激源在視覺研究中，當(dāng)被測試者受到某種視覺刺激時，視覺信號通過視通路后傳至視覺皮層，處理相關(guān)視覺信息的神經(jīng)元活動增強，引起局部血流變化，fMRI可間接反映神經(jīng)元活動的部位、范圍及強度。目前，fMRI已經(jīng)成為視覺研究中的重要方法。非人靈長類動物及人類視覺系統(tǒng)可以分為腹側(cè)束、背側(cè)束兩條相對獨立的功能特異性處理通路。二者均以紋狀皮層作為起始輸入端。腹側(cè)束或稱枕顳通路，其神經(jīng)元主要對顏色和形狀等特征進(jìn)行反應(yīng)，處理物體識別等信息，該通路從枕葉的初級視皮層V1區(qū)、次級視皮層V2區(qū)經(jīng)高級視皮層V4區(qū)投射至顳下區(qū)；背側(cè)束或稱枕頂通路，其神經(jīng)元主要對刺激的運動速度與方向等特征進(jìn)行反應(yīng)，處理物體空間位置和運動檢測等信息，該通路從V1、V2、V3區(qū)經(jīng)顳中區(qū)（MT）投射至頂葉。利用隨機點動態(tài)運動圖作為視覺相干運動檢測刺激源，能夠敏感的探測人類視覺皮層運動覺處理相關(guān)腦區(qū)。平均腦激活圖顯示，運動刺激主要激活雙側(cè)顳下溝升支和枕外溝交匯處，即人類顳中回復(fù)合體（humanmiddletemporalcomplex,hMT+），說明該區(qū)域主要參與視覺運動知覺的皮層處理。hMT+的激活體積隨著相干水平的提高而減小。對健康受試者的視覺中樞進(jìn)行BOLD-fMRI的研究，采用組塊化設(shè)計，活動期給予以10Hz閃爍的黑白棋盤格刺激，靜息期給予黑屏刺激，表明雙側(cè)枕葉有較明顯的激活，雙側(cè)距狀回則更加明顯，激活最強點位于右側(cè)距狀回。枕葉還有其他除了視覺通路以外的功能值得探索。Sathian等發(fā)現(xiàn)視覺通路完好的正常人，枕葉參與觸覺的神經(jīng)通路。其原因可能為當(dāng)受試者觸摸到某一物品時，會在腦海中浮現(xiàn)出這一物品的外形，質(zhì)地及顏色。失明的患者枕葉皮質(zhì)還參與感覺和語言的處理，且失明越早，枕葉功能的重塑能力越強。相比于成年人，由于低齡兒童無法配合磁共振檢查，因而針對低齡兒童進(jìn)行視覺方面的fMRI研究時不可避免地要使用鎮(zhèn)靜藥物。水合氯醛，是目前進(jìn)行兒童fMRI研究的首選藥物。有研究表明，大劑量（大于100mg/kg）應(yīng)用時對受試者BOLD信號有較明顯影響。兒童口服小劑量水合氯醛后進(jìn)對兒童原始視覺區(qū)fMRI的視覺刺激檢查結(jié)果無顯著影響。在應(yīng)用方面，fMRI在光刺激時能發(fā)現(xiàn)大腦皮層相關(guān)區(qū)域的活動，該技術(shù)可對活體人腦進(jìn)行準(zhǔn)確的功能定位，已成為一項日益成熟的新的檢查技術(shù)。近年來，由于各種因素，近視等各種屈光不正發(fā)病率居高不下。研究發(fā)現(xiàn)，屈光不正眼進(jìn)行糾正后，視皮層激活范圍明顯增大，激活強度明顯增加。正常眼離焦后，皮層激活范圍明顯減小，神經(jīng)元活動水平明顯降低。但激活部位仍主要位于枕葉距狀裂為中心的視皮層。屈光不正會嚴(yán)重影響了兒童視覺皮層神經(jīng)元的活動，長期屈光不正造成視皮層處于低活動狀態(tài)，由于皮層神經(jīng)元接受不到足夠的信息使視皮層發(fā)育遲緩，長時間必將導(dǎo)致功能乃至結(jié)構(gòu)的改變，嚴(yán)重者可導(dǎo)致無法矯正的視力障礙，形成弱視。弱視臨床顯著特點是視力和對比敏感度（contrastsensitivity,CS）損害。研究顯示弱視患者CS及BOLD-FMRI信號在高空間頻率下都有減退表現(xiàn)，且fMRI反應(yīng)與CS之間無相關(guān)性。2.2單耳和雙耳的fmri對語言任務(wù)激活的作用聽覺是一種特殊的主觀感覺，其形成和傳導(dǎo)較復(fù)雜，而且fMRI檢查環(huán)境噪聲較強，因此聽覺刺激fMRI與其他神經(jīng)系統(tǒng)fMRI研究相比發(fā)展較晚，報道較少。觀察右利手正常人在純音刺激時聽覺中樞的興奮情況及兩側(cè)半球的差異，表明純音刺激激活兩側(cè)聽覺中樞顳橫回，兩側(cè)次級聽覺中樞顳平面前極和顳平面和其周圍鄰近腦區(qū)，右側(cè)半球聽覺中樞的激活強度明顯大于左側(cè)。事實上，人腦兩側(cè)半球的結(jié)構(gòu)和功能并不完全對稱，對多種感覺傳入的處理存在著偏側(cè)化，即優(yōu)勢半球的現(xiàn)象。但是目前，對功能成像聽覺中樞優(yōu)勢半球尚存在許多不同的認(rèn)識。綜合以往的文獻(xiàn)大致有3種觀點:左側(cè)半球優(yōu)勢、右側(cè)半球優(yōu)勢、對側(cè)半球優(yōu)勢。對側(cè)半球優(yōu)勢的觀點主要見于單耳聲音刺激的研究。Suzuki等的fMRI研究利用不同聲音刺激單耳，發(fā)現(xiàn)對側(cè)聽覺中樞較同側(cè)激活明顯。由于設(shè)備噪聲的影響，對聽覺方面的研究相對滯后，尤其對聾人的聽覺研究更為少見。有研究表明，正常人和感音性聾人接受適當(dāng)純音刺激均可激活聽覺中樞，表現(xiàn)為兩側(cè)枕葉明顯的激活。在相同刺激條件下聾人聽覺中樞激活程度較正常人低。人腦以網(wǎng)絡(luò)模式處理聽覺信息，不同感覺中樞間存在固有的聯(lián)系，聾人的聽覺中樞有重組現(xiàn)象發(fā)生。耳鳴患者的主要病變部位是耳蝸，中樞神經(jīng)系統(tǒng)也參與了耳鳴的產(chǎn)生與維持。健康人刺激單耳時對側(cè)聽覺皮質(zhì)激活體積和信號強度明顯大于同側(cè)，表現(xiàn)為對側(cè)半球傳導(dǎo)優(yōu)勢。耳鳴組純音刺激單耳時大腦皮質(zhì)激活解剖部位、激活體積和信號強度無明顯規(guī)律，表明長期耳鳴患者可能存在聽覺皮質(zhì)的異常神經(jīng)活動。耳鳴患者受到純音刺激雙耳時．全腦激活部位呈多樣性。個體間激活情況差異較大，無明顯規(guī)律，雙側(cè)聽覺皮層激活區(qū)體積和強度明顯小于正常耳。2.3兩種任務(wù)的交叉語言是人類特有的高級認(rèn)知功能。關(guān)于腦功能區(qū)的劃分，普遍觀點認(rèn)為，視覺語言中樞是處理視覺信息的區(qū)域，而聽覺語言中樞是處理聽覺信息的區(qū)域。利用fMRI技術(shù)表明兩種任務(wù)激活區(qū)存在多個交叉，提示在組詞水平上，兩者可能具有共同環(huán)路。視覺任務(wù)主要激活雙側(cè)額上回、中央前回及枕葉，左側(cè)額中回、頂上小葉，右側(cè)顳上回；聽覺任務(wù)主要激活了雙側(cè)顳上回、中央前回及枕葉，左側(cè)頂上小葉。2種任務(wù)都同時激活左額上回、左頂上小葉、右顳上回及雙側(cè)中央前回。聽覺和視覺任務(wù)都見到海馬激活，聽覺任務(wù)海馬激活的范圍更廣。聽覺任務(wù)的枕葉激活范圍較視覺任務(wù)廣。兩種任務(wù)都伴隨頂上小葉的激活。2.4認(rèn)知功能的腦功能定位按記憶材料在腦中保持的時間分類，記憶可分為(1)瞬時記憶：或稱感覺記憶，保持時間不超過1秒；(2)短時記憶：分為直接記憶和工作記憶兩種，是信息加工系統(tǒng)的核心。直接記憶未經(jīng)加工，容量有限；若經(jīng)過加工編碼即變?yōu)楣ぷ饔洃洠?3)長時記憶；保持時間大于1～2分鐘，有的可終生不忘。功能磁共振成像為工作記憶等人腦高級神經(jīng)功能的研究提供了的很好的研究手段，使認(rèn)知功能的腦功能定位研究成為可能。工作記憶是指對信息進(jìn)行短暫存儲并能對其進(jìn)行加工處理的記憶系統(tǒng)，通常被認(rèn)為是許多高級認(rèn)知功能如學(xué)習(xí)、心算、語言理解及推理判斷等的基礎(chǔ)。工作記憶包括多個認(rèn)知成分，Sternberg項目認(rèn)知任務(wù)涵蓋了按時序排列的不同認(rèn)知成分和過程，即編碼期、維持期和提取期，可以利用事件相關(guān)fMRI對各個認(rèn)知成分進(jìn)行研究。不同的工作記憶認(rèn)知成分具有不同的功能腦區(qū)，同一腦區(qū)可具有不同認(rèn)知功能。國內(nèi)外大量研究表明額頂葉皮質(zhì)在工作記憶的各個環(huán)節(jié)中具有重大的作用，通過BOLD-fMRI與其他技術(shù)合用，研究表明成人工作記憶功能與額頂葉白質(zhì)纖維髓鞘化程度間存在密切聯(lián)系。Bunge等對腦患者研究發(fā)現(xiàn)，頂下葉背側(cè)和頂下葉腹側(cè)與短時記憶缺陷有關(guān)。2.5視覺運動功能區(qū)的研究關(guān)于知覺：知覺是對事物的整體及其聯(lián)系與關(guān)系的認(rèn)識。對物體的大小、形狀、距離和運動的知覺屬于視知覺，其中運動知覺問題在整個知覺理論中占有重要的地位。運動知覺是處理物體在空間位移的知覺，主要用于分辨物體的運動與靜止以及運動速度的快慢。通過fMRI的神經(jīng)成像方法對運動知覺進(jìn)行了大量研究，最普遍的研究視角是視覺：先識別視網(wǎng)膜上運動圖像的有機體，識別后再通過大腦某個路徑的計算處理最終識別運動，這一過程稱為視覺運動知覺。Tootell采用功能磁共振成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)hMT/VS+對低對比度的視覺刺激更敏感，而對發(fā)光強度一樣的運動?xùn)艡诜磻?yīng)明顯減弱，這些特點均與猴MT/vs神經(jīng)元特性相似，從而證明了人類與猴的視覺運動加工區(qū)是同源的。利用具有高空間分辨率特點的fMRI研究與事件相關(guān)電位（ERP）聯(lián)用的方式，可以克服ERP空間分辨率低的缺點，豐富了人類視覺運動知覺的研究。在探究知覺競爭現(xiàn)象中，運用功能核磁共振方法，比較Necker立方體的內(nèi)源性翻轉(zhuǎn)和外源性翻轉(zhuǎn)的信號，表明額葉皮質(zhì)可能是產(chǎn)生知覺翻轉(zhuǎn)神經(jīng)生理過程的功能部位。關(guān)于靜息態(tài)腦功能研究：不難發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)關(guān)于腦部神經(jīng)科學(xué)的研究都是建立在不同任務(wù)或是刺激的基礎(chǔ)上，事實上，腦在沒有明確的輸入或輸出信息的情況下也是非?；钴S的。這種自發(fā)波動的血氧水平依賴信號并不是隨意的噪音，而是與相應(yīng)的功能性的腦區(qū)域和已知的腦結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。有意識的靜息態(tài)不是神經(jīng)休止?fàn)顟B(tài)，此狀態(tài)除腦源性自身平衡系統(tǒng)調(diào)節(jié)基本機體功能外，皮層仍存在持續(xù)神經(jīng)活動。最近的研究表明大振幅自發(fā)波動的功能磁共振成像信號存在于人類的靜息態(tài)，這些自發(fā)波動的血氧水平依賴信號往往是同步的位于遠(yuǎn)處的大腦，這種現(xiàn)象稱為功能連接。功能連接被廣泛認(rèn)為是反映了區(qū)域間的一致性波動活動的基本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。睡眠剝奪后靜息狀態(tài)下與前扣帶回的功能連接增強的腦區(qū)有頂葉皮層、島葉、顳葉等，下降的腦區(qū)有丘腦。FMRI的問題與展望雖然fMRI信號空間分辨率很高，可以達(dá)到毫米，但時間分辨率受血液動力學(xué)響應(yīng)延遲影響，一般為數(shù)秒。而且，血液動力學(xué)響應(yīng)和神經(jīng)活動間關(guān)系未知，限制了其追蹤神經(jīng)活動高頻分量時間演化的能力。與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，將會使功能磁共振成像技術(shù)發(fā)揮更大的作用。在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)方面，fMRI的相關(guān)研究也不夠豐富、全面。比如在聽覺研究