功能磁共振成像技术的研究进展

功能磁共振成像技术的研究进展

功能磁共振成像（mri）于20世纪90年代出版。为了探索人类的高级认知功能，它提供了一个新的平台，是目前最重要的研究脑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点如下：(1)能在活体下反复、无创、直观观测脑活动改变；(2)可考察各激活脑区间的相互联系；(3)空间分辨率高，可在全脑精确到1mm范围，高于PET;(4)fMRI试验的成功依赖良好的任务设计和资料分析。基于血氧水平依赖（BloodOxygenationLevelDependent,BOLD）的功能磁共振成像是目前使用最广的具有高空间分辨力及无创伤性的脑功能研究方法之一，其以血氧水平依赖效应为核心检测和定位脑功能。其基本原理是：神经元活动对局部氧耗量和脑血流影响程度不匹配，血液中氧合血红蛋白/脱氧血红蛋白比例不同导致局部磁场性质发生改变。血氧水平的变化由一系列生理参数决定，主要包括氧耗量、脑血流量（CerebralBloodFlow,CBF）和脑血容量（CerebraBloodVolume,CBV)。当人体执行特定任务时，其相应脑功能中枢的神经元被激活，氧耗量增加，进而引起邻近血管床的血流量和血容量增加，从而使神经元活动区氧合血红蛋白增加，脱氧血红蛋白减少。脱氧血红蛋白作为顺磁性物质，有明显的T2*值缩短效应。因此，在激活状态下该脑区T2*值相对延长，MRI信号强度增加。根据脑部未激活区与激活区局部血流中氧合血红蛋白/脱氧血红蛋白比例不同所导致的MRI信号的差别，通过应用计算机相关分析软件绘制大脑皮层功能图，从而达到直观的反映相关皮层功能变化的目的。2mri技术在认知神经科学中的应用2.1视觉运动刺激源在视觉研究中，当被测试者受到某种视觉刺激时，视觉信号通过视通路后传至视觉皮层，处理相关视觉信息的神经元活动增强，引起局部血流变化，fMRI可间接反映神经元活动的部位、范围及强度。目前，fMRI已经成为视觉研究中的重要方法。非人灵长类动物及人类视觉系统可以分为腹侧束、背侧束两条相对独立的功能特异性处理通路。二者均以纹状皮层作为起始输入端。腹侧束或称枕颞通路，其神经元主要对颜色和形状等特征进行反应，处理物体识别等信息，该通路从枕叶的初级视皮层V1区、次级视皮层V2区经高级视皮层V4区投射至颞下区；背侧束或称枕顶通路，其神经元主要对刺激的运动速度与方向等特征进行反应，处理物体空间位置和运动检测等信息，该通路从V1、V2、V3区经颞中区（MT）投射至顶叶。利用随机点动态运动图作为视觉相干运动检测刺激源，能够敏感的探测人类视觉皮层运动觉处理相关脑区。平均脑激活图显示，运动刺激主要激活双侧颞下沟升支和枕外沟交汇处，即人类颞中回复合体（humanmiddletemporalcomplex,hMT+），说明该区域主要参与视觉运动知觉的皮层处理。hMT+的激活体积随着相干水平的提高而减小。对健康受试者的视觉中枢进行BOLD-fMRI的研究，采用组块化设计，活动期给予以10Hz闪烁的黑白棋盘格刺激，静息期给予黑屏刺激，表明双侧枕叶有较明显的激活，双侧距状回则更加明显，激活最强点位于右侧距状回。枕叶还有其他除了视觉通路以外的功能值得探索。Sathian等发现视觉通路完好的正常人，枕叶参与触觉的神经通路。其原因可能为当受试者触摸到某一物品时，会在脑海中浮现出这一物品的外形，质地及颜色。失明的患者枕叶皮质还参与感觉和语言的处理，且失明越早，枕叶功能的重塑能力越强。相比于成年人，由于低龄儿童无法配合磁共振检查，因而针对低龄儿童进行视觉方面的fMRI研究时不可避免地要使用镇静药物。水合氯醛，是目前进行儿童fMRI研究的首选药物。有研究表明，大剂量（大于100mg/kg）应用时对受试者BOLD信号有较明显影响。儿童口服小剂量水合氯醛后进对儿童原始视觉区fMRI的视觉刺激检查结果无显著影响。在应用方面，fMRI在光刺激时能发现大脑皮层相关区域的活动，该技术可对活体人脑进行准确的功能定位，已成为一项日益成熟的新的检查技术。近年来，由于各种因素，近视等各种屈光不正发病率居高不下。研究发现，屈光不正眼进行纠正后，视皮层激活范围明显增大，激活强度明显增加。正常眼离焦后，皮层激活范围明显减小，神经元活动水平明显降低。但激活部位仍主要位于枕叶距状裂为中心的视皮层。屈光不正会严重影响了儿童视觉皮层神经元的活动，长期屈光不正造成视皮层处于低活动状态，由于皮层神经元接受不到足够的信息使视皮层发育迟缓，长时间必将导致功能乃至结构的改变，严重者可导致无法矫正的视力障碍，形成弱视。弱视临床显著特点是视力和对比敏感度（contrastsensitivity,CS）损害。研究显示弱视患者CS及BOLD-FMRI信号在高空间频率下都有减退表现，且fMRI反应与CS之间无相关性。2.2单耳和双耳的fmri对语言任务激活的作用听觉是一种特殊的主观感觉，其形成和传导较复杂，而且fMRI检查环境噪声较强，因此听觉刺激fMRI与其他神经系统fMRI研究相比发展较晚，报道较少。观察右利手正常人在纯音刺激时听觉中枢的兴奋情况及两侧半球的差异，表明纯音刺激激活两侧听觉中枢颞横回，两侧次级听觉中枢颞平面前极和颞平面和其周围邻近脑区，右侧半球听觉中枢的激活强度明显大于左侧。事实上，人脑两侧半球的结构和功能并不完全对称，对多种感觉传入的处理存在着偏侧化，即优势半球的现象。但是目前，对功能成像听觉中枢优势半球尚存在许多不同的认识。综合以往的文献大致有3种观点:左侧半球优势、右侧半球优势、对侧半球优势。对侧半球优势的观点主要见于单耳声音刺激的研究。Suzuki等的fMRI研究利用不同声音刺激单耳，发现对侧听觉中枢较同侧激活明显。由于设备噪声的影响，对听觉方面的研究相对滞后，尤其对聋人的听觉研究更为少见。有研究表明，正常人和感音性聋人接受适当纯音刺激均可激活听觉中枢，表现为两侧枕叶明显的激活。在相同刺激条件下聋人听觉中枢激活程度较正常人低。人脑以网络模式处理听觉信息，不同感觉中枢间存在固有的联系，聋人的听觉中枢有重组现象发生。耳鸣患者的主要病变部位是耳蜗，中枢神经系统也参与了耳鸣的产生与维持。健康人刺激单耳时对侧听觉皮质激活体积和信号强度明显大于同侧，表现为对侧半球传导优势。耳鸣组纯音刺激单耳时大脑皮质激活解剖部位、激活体积和信号强度无明显规律，表明长期耳鸣患者可能存在听觉皮质的异常神经活动。耳鸣患者受到纯音刺激双耳时．全脑激活部位呈多样性。个体间激活情况差异较大，无明显规律，双侧听觉皮层激活区体积和强度明显小于正常耳。2.3两种任务的交叉语言是人类特有的高级认知功能。关于脑功能区的划分，普遍观点认为，视觉语言中枢是处理视觉信息的区域，而听觉语言中枢是处理听觉信息的区域。利用fMRI技术表明两种任务激活区存在多个交叉，提示在组词水平上，两者可能具有共同环路。视觉任务主要激活双侧额上回、中央前回及枕叶，左侧额中回、顶上小叶，右侧颞上回；听觉任务主要激活了双侧颞上回、中央前回及枕叶，左侧顶上小叶。2种任务都同时激活左额上回、左顶上小叶、右颞上回及双侧中央前回。听觉和视觉任务都见到海马激活，听觉任务海马激活的范围更广。听觉任务的枕叶激活范围较视觉任务广。两种任务都伴随顶上小叶的激活。2.4认知功能的脑功能定位按记忆材料在脑中保持的时间分类，记忆可分为(1)瞬时记忆：或称感觉记忆，保持时间不超过1秒；(2)短时记忆：分为直接记忆和工作记忆两种，是信息加工系统的核心。直接记忆未经加工，容量有限；若经过加工编码即变为工作记忆；(3)长时记忆；保持时间大于1～2分钟，有的可终生不忘。功能磁共振成像为工作记忆等人脑高级神经功能的研究提供了的很好的研究手段，使认知功能的脑功能定位研究成为可能。工作记忆是指对信息进行短暂存储并能对其进行加工处理的记忆系统，通常被认为是许多高级认知功能如学习、心算、语言理解及推理判断等的基础。工作记忆包括多个认知成分，Sternberg项目认知任务涵盖了按时序排列的不同认知成分和过程，即编码期、维持期和提取期，可以利用事件相关fMRI对各个认知成分进行研究。不同的工作记忆认知成分具有不同的功能脑区，同一脑区可具有不同认知功能。国内外大量研究表明额顶叶皮质在工作记忆的各个环节中具有重大的作用，通过BOLD-fMRI与其他技术合用，研究表明成人工作记忆功能与额顶叶白质纤维髓鞘化程度间存在密切联系。Bunge等对脑患者研究发现，顶下叶背侧和顶下叶腹侧与短时记忆缺陷有关。2.5视觉运动功能区的研究关于知觉：知觉是对事物的整体及其联系与关系的认识。对物体的大小、形状、距离和运动的知觉属于视知觉，其中运动知觉问题在整个知觉理论中占有重要的地位。运动知觉是处理物体在空间位移的知觉，主要用于分辨物体的运动与静止以及运动速度的快慢。通过fMRI的神经成像方法对运动知觉进行了大量研究，最普遍的研究视角是视觉：先识别视网膜上运动图像的有机体，识别后再通过大脑某个路径的计算处理最终识别运动，这一过程称为视觉运动知觉。Tootell采用功能磁共振成像技术发现hMT/VS+对低对比度的视觉刺激更敏感，而对发光强度一样的运动栅栏反应明显减弱，这些特点均与猴MT/vs神经元特性相似，从而证明了人类与猴的视觉运动加工区是同源的。利用具有高空间分辨率特点的fMRI研究与事件相关电位（ERP）联用的方式，可以克服ERP空间分辨率低的缺点，丰富了人类视觉运动知觉的研究。在探究知觉竞争现象中，运用功能核磁共振方法，比较Necker立方体的内源性翻转和外源性翻转的信号，表明额叶皮质可能是产生知觉翻转神经生理过程的功能部位。关于静息态脑功能研究：不难发现，大多数关于脑部神经科学的研究都是建立在不同任务或是刺激的基础上，事实上，脑在没有明确的输入或输出信息的情况下也是非常活跃的。这种自发波动的血氧水平依赖信号并不是随意的噪音，而是与相应的功能性的脑区域和已知的脑结构密切相关。有意识的静息态不是神经休止状态，此状态除脑源性自身平衡系统调节基本机体功能外，皮层仍存在持续神经活动。最近的研究表明大振幅自发波动的功能磁共振成像信号存在于人类的静息态，这些自发波动的血氧水平依赖信号往往是同步的位于远处的大脑，这种现象称为功能连接。功能连接被广泛认为是反映了区域间的一致性波动活动的基本神经网络。睡眠剥夺后静息状态下与前扣带回的功能连接增强的脑区有顶叶皮层、岛叶、颞叶等，下降的脑区有丘脑。FMRI的问题与展望虽然fMRI信号空间分辨率很高，可以达到毫米，但时间分辨率受血液动力学响应延迟影响，一般为数秒。而且，血液动力学响应和神经活动间关系未知，限制了其追踪神经活动高频分量时间演化的能力。与其他技术的联合应用，将会使功能磁共振成像技术发挥更大的作用。在认知神经科学方面，fMRI的相关研究也不够丰富、全面。比如在听觉研究