金真-北师大讲课北师大ERP课程课件

磁共振脑功能成像系列讲座

脑血流与BOLDfMRI

HemodynamicActivity

&BOLDfMRI

306医院MR中心暨“认知神经科学与学习”国家重点实验室脑功能成像中心金真mdjinzhen@163.com

PartI

BrainNeuronVesselHemoglobin脑的外观viewofthebrainSagital矢状位（左右）Axial

轴位（上下）Coronal

冠状位（前后）brain

大脑的分叶

cerebrallobesbrain体积：额叶最大,枕叶最小(代谢最高)大脑的分区

Brainareas

Brodmann(1909)分为52区(根据神经细胞的结构划分)

分区20-200

brain

灰质和白质Gray&whitematterbrain

皮层和神经元

Cortex&NeuronsNeuron皮质厚约1.5～4.5mm,总面积约2200cm2功能柱：直径300～500um贯穿皮层的垂直细胞柱神经元的定义和结构

神经元:神经系统的结构和功能单位(人脑约有1000亿个)神经元构成:细胞体(核、质、膜)突起(树突、轴突)Neuron树突&轴突(Dendrites&axon)Neuron树突:神经元的天线

轴突:传出/传出神经元间的连接轴-树(51%),轴-棘(47%),轴-体,轴-轴树-树,树-体,体-体,体-轴Neuron

突触synapse构成:突触前膜(5~7nm)

间隙(25~30nm)

后膜(50~60nm)突触：神经元间的接触点（数百～上千个/神经元,人脑100trill.)分类:化学性传递,电传递;兴奋性突触,抑制性突触线粒体突触小泡突触前膜神经介质神经受体高等动物点对点,快速准确的传递方式Neuron

离子通道Ionchannel

NeuronGlu.:Na+NMDA:Ca++

GABA:Ch-&K+脑血管:

cerebralvesselsvessel脑重约1300-1400克（脑：体＝1/40）

脑血流量80ml/min/100g（脑：体＝1/5）皮层80ml/min/100g；白质21ml/min/100g动脉和静脉(artery&vein)vessel动脉：离心方向,口径粗-细,3cm-30um静脉:回心方向,Stroke

男，46，右肢不利1天Perfusion(stroke)

TTP

MTT

rCBFrCBVMRSCSI毛细血管capillary

vessel毛细血管：

直径5～10um300mm/m3白质1000mm/m3

皮层；血红蛋白hemoglobin

-4个球蛋白-每个球蛋白包含一个血红素-每个血红素中心有一个铁原子(Fe)-每个血红素可以结合一个氧分子(O2)

Hb血红蛋白的磁敏感性

Oxyhemoglobin(Hb)Deoxyhemoglobin(dHb)

Diamagneticparamagnetic

氧合血红蛋白磁化率低，具抗磁性(磁场－）

去氧血红蛋白磁化率高,具顺磁性

(磁场＋）

HbLinusPauling

(1901-1994)AmericanchemistNobellaureate

Hbv.sdHb

20%difference!

HbRTThulborn

1T12T

43T8Hb血红蛋白与MR信号

HbBrainThelastfrontierof20thcenturyPartIIBOLDfMRIAngeloMosso

1890ThemostwidelyusedfMRImethod,to“see”howthebrainisworking

BOLDfMRIArteryVeinArteriolesVenulesCapillaryBedNeurons血氧水平依赖对比

BloodOxygenationLevelDependentcontrast

OxyhemoglobinDeoxyhemoglobin

Diamagneticparamagnetic

氧合血红蛋白磁化率低，具抗磁性去氧血红蛋白磁化率高,具顺磁性SeijiOgawa1934-1990discoveredBOLDinBelllab.HbdHbSEGEGE7T血流↑↑↑(ca.50％)氧耗↑（ca.5％）血氧水平↑,顺磁性去氧

HB↓,形成局部梯度磁场,T2*WI局域性信号强度↑(BOLD效应)。脑区激活时血流动力学变化mismatchBOLDfMRIcontrastisacomplexphenomenonwhichdependson

CMRO2氧耗

CBF血流量

CBV血容积

脑血流动力学反应曲线LargeandsmallvesselresponseLargevesselcontributions?DoestheratioofnegativetopositiveBOLDcontrastchangewithB0insuchamannerastosuggestmoreofasmallervesselcontributiontothenegativeresponserelativetothepositiveresponse?DIP&Undershoot-2%-0.5%1%5%Huetal，MRM37,877-84,1997EarlynegativeBOLD(3-4sec.)LatepositiveBOLD(8-9sec.)ObservedsiteofBOLDeffectSiteofelevatedneuronalactivity“...highlylocalizedtoindividualcorticalcolumns.However,thelatephaseofthevascularresponseislesslocalized,spreadingoverdistancesof3to5millimeters.”

Malonek&Grinvald,Science,272,551,1996.

BOLDfMRI

信号判读

Datapost-processingSPMAFNI咬肌运动及运动障碍研究

BOLDsignal

size&location

BOLDsignal

size&location

BOLDsignal

location

ADHD

BOLDsignal

size

BOLDsignal

negative

M，1，无小脑畸形

M，1.7，病脑后遗症ContralteralHippocampus(R-Hi)IpsilateralHippocampus(L-Hi)BOLDsignal

negative

BOLDsignal

where&when

fMRI

进展

NeuronalcurrentMRI(ncMRI)

Lorentzeffect

DiffusionfMRI新的成像方法

fMRI

BesidesBOLD神经（元）电流成像

NeuronalcurrentMRI(ncMRI)

Directmagneticresonancedetectionofneuronalelectricalactivity

PetridouN

PNAS2006Oct24;103

神经元兴奋电流磁场信号(相位15,幅度5%)

Lorentz

力成像

LorentzeffectimagingFindingneuroelectricactivityundermagnetic-fieldoscillations(NAMO)withmagneticresonanceimaginginvivo

Trong-KhaTruong

PNAS2006Aug15;103(33):12598-601弥散脑功能成像

DiffusionfMRIDirectandfastdetectionofneuronalactivationinthehumanbrainwithdiffusionMRI.LeBihan

PNAS2006May23;103(21):8263-8

KeyPoint：“cellswelling”2.4searlierthanBOLDsignalsignalchange1.7%

RestingStagefMRI

realtimefMRIBOLDfMRI的新方法

Restingstatecorrelation0.550.75ccRLM1S1PSAApSMACMAdPMdPMd:dorsalpremotor CMAd:dorsalcingulatemotorareaM1:primarymotorarea SMA:supplementarymotorareaS1:primarysomato- PSAAp:posteriorparietalsensoryarea somatosensoryassociationareaRightHandmovementEffectiveConnectivity(Task-drivencovariance)2.55.0t“True”Connectivity(Task-independentcovariance)PaincontroltaskdeCharmsR.C.et.al.PNAS2005;102:18626-18631Copyright©2005,TheNationalAcademyofSciencesControloverbrainactivationandpainlearnedbyusingreal-timefunctionalMRIVolumetricanalysisofthespatialpatternoflearnedcontroloveractivationConclusionofBOLDfMRI

首选的无创性脑科学研究功能影像学方法具有较高的时间和最好的空间分辨率

信号源于神经元兴奋时毛细血管和小静脉内氧合和脱氧血红蛋白比例的变化信号范围和位置与实际兴奋脑区有差异信号变化有3-6秒的延迟BOLDfMRI

v.sPET放射性：无有空间分辨率：高低信号源：血氧水平葡萄糖代谢率费用：低高重复性：易难受体：不能可以BOLDsignal=neuronactivity?

no&yesSignal=BOLDeffect?

yes&nolargeBOLDsignal=betterbrainfunction?

yes&noPositivesign