磁共振波谱成像技术在脑成像中的应用

磁共振波谱成像技术在脑成像中的应用

功能磁共振成像、计算机伪影器断裂图像、单光子发射计算机断层图像和内贤光学成像技术可以直接观察活动大脑的解剖和功能变化，并在屏幕上看到人类的思维活动。这将我们列入人类思维的分类时代。现就有关文献进行综述。1病理组织学检测影像的方法1.1功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)依成像原理,fMRI可分为三类:第一类,灌注基础上(perfusion-based)的fMRI,以示踪剂在脑内的时间过程来计算脑血流。第二类,血流基础上(flow-based)的fMRI,可探查大血管里的血流变化。第三类,磁敏感对照基础上(susceptibilitycontrast-based)的fMRI,如血氧水平依赖性(bloodoxygenationleveldependent,BOLD)方法。BOLDfMRI对神经元活动的敏感性是第一、二类fMRI的2~3倍,故它是最常用的fMRI技术。其基本成像原理是脱氧血红蛋白是一种顺磁性物质,当大脑活动时脱氧血红蛋白减少,使局部脑组织T2*时间延长,信号强度增加,从而获得激活脑区的数据及影像。fMRI除具有非侵入性、无放射性同位素参与以及可任意重复检查等优点外,其显著的优势在于具有很高的空间和时间分辨力,能将解剖和功能图像融为一体,更适宜于研究非人类灵长类相对较小的脑。特别是近年来清醒灵长类动物fMRI图像的成功获得,使神经生理学、神经药理学、神经心理学和病理生理学的活体实验影像研究成为现实。1.2磁共振波谱成像外加磁场对电子的作用会引起原子核位置的微小变化,即所谓的“化学位移”,后者使原来具有固定空间的共振原子核所产生的频率发生少许变化,以波谱形式表现出来,即磁共振波谱(magneticresonancespectrum,MRS)。将MRI提供的空间信息及由MRS提供的化学信息进行复合即得到磁共振波谱成像(MRSimaging,MRSI)。MRS为研究组织代谢和功能的无创性方法,常用的原子核有:31P、1H、13C、23Na、39K和19F,其中以31P和1H应用最广泛。31PMRS主要用于能量代谢的研究,1HMRS能检测脂肪、氨基酸、酮体和乳酸等代谢物质,其固有敏感性比31PMRS高1.5倍以上。1.3正电子发射计算机断层显像(positronemissioncomputedtomography,PET)PET是利用发射正电子(β+)的放射性核素进行器官断层显像的仪器。它以11C、13N、15O、18F及其许多标记化合物进行脑和心肌血流灌注、氧耗量、葡萄糖、蛋白质和脂肪代谢显像,还能进行神经受体显像。因此,PET是在分子水平上显示活体器官代谢、受体和功能活动的影像技术,被誉为生理生化断层。PET除可获得图像外,还可借助一定的生理数学模型,求出局部脑葡萄糖代谢率来了解脑的功能。1.4单光子发射计算机断层显像(singlephotonemissioncomputedtomography,SPECT)SPECT为利用发射γ射线的放射性核素进行器官断层显像的设备。脑功能SPECT显像主要包括局部脑血流(regionalcerebralbloodflow,rCBF)、脑代谢显像和脑神经受体显像。80年代后期,99mTC标记的脑血流显像剂和心肌灌注显像剂研制成功,并被广泛应用。近几年来,111In或123I生长抑制素受体显像剂的研制也取得突破,它们不仅可广泛应用于心脑血管疾病的诊断、癫痫灶的术前定位和肿瘤的诊断,而且还可进行脑功能和受体研究。1.5影像融合术CT、MRI所显示的主要是器官的解剖学信息,而PET和SPECT所显示的主要为功能和代谢的信息,形态学结构不清晰。因此将两者的图像重叠起来,既可得到器官的功能和代谢的信息,又能显示器官的形态学结构,即影像融合(co-registration或imagefusion)。当今,CT/PET的研制成功,使影像融合可同机进行,减少误差。1.6内禀光学成像内禀信号(intrinsicsignals)是指那些由神经元活动所引起的有关物质成分、运动状态的改变而导致其光学特性的变化在与某些特定波长的光量子相互作用后得到的包含了这些特性的光信号。通过成像仪器系统探测到这些光信号的某一时间间隔内的空间分布,也就是脑功能的内禀光学成像或称内禀信号光学纪录(opticalrecordingofintrinsicsignals,ORIS)。内禀光学成像具有比fMRI更高的空间和时间分辨力,可以更小的体素来测量总脱氧血红蛋白、总血红蛋白和血容量的改变。内禀光学成像有多种,其中以近红外谱技术(nearinfraredspectroscopy,NIRS)和光学相干断层成像技术(opticalcoherencetomography,OCT)发展迅速,它们均能提供观察脑皮质功能柱的高分辨图像。NIRS可穿过颅骨,已用于动物和儿童的无创性脑功能研究。内禀光学成像在空间和时间分辨力两个基本性能方面,居目前几种脑功能成像技术之首,又由于它体积小、重量轻、特征信号易获得和可行床边监测等优势,可以预见内禀光学成像在脑功能的研究中将发挥越来越大的作用。2全面地定位大脑皮质的各功能区脑功能成像技术具有自身的特色和优势,主要表现在以下方面:①可准确、直观地观察到脑功能活动的部位和范围,与脑磁图(magnetoencephalography,MEG)和脑电图结合后,可更加全面地定位大脑皮质的各功能区;②可在生理状态下,无创地研究人脑的形态结构和功能活动,从而改变了神经生物学的研究结果主要来自动物实验的局面;③可从整体水平上研究脑的功能和形态变化,从而克服了离体组织细胞和分子生物学研究的不足;④使活体分子神经生物学和神经受体研究成为可能,若结合死后组织的研究,可得到更深入的研究结果;⑤可在同一个体进行多次、重复实验,从而探讨脑功能的时间或年龄变化;⑥可早期、准确地定位脑功能性病灶的部位和占位性病变对脑功能的影响程度,从而为疾病的预防和临床提供更加精确地信息。3脑功能成像技术的应用和前景3.1同侧脑皮质的激活Catalan等使用PET测量局部脑血流(rCBF)的方法研究了简单和复杂序列手指运动的功能神经解剖,发现在所有不同序列长度运动条件下,对侧第1感觉运动区、运动前区皮质、补充运动区和同侧小脑皮质被激活;从静止状态至简单的重复运动,上述区域功能活动有大的增加;同侧运动前区(Brodmann6区)、双侧顶后区(Brodmann7区)和楔前叶皮质仅对不同的序列长度运动表现出相应的rCBF增加,而对简单的手指重复运动无反应。fMRI能够描绘出每一个手指运动的代表区,单一手指的运动受到第1运动皮质内占据重叠区域的神经元网的控制。几年来的研究揭示第1躯体运动区不含有按顺序排列的倒置侏儒图,而应代之以由控制躯体不同部位神经元组成的复杂的镶嵌图案。利用脑功能成像技术探讨大脑运动皮质的功能重组及其机制是近年来的研究热点,许多工作有待开展。3.2刺激时,受刺激者为运动的手Puce等比较了感觉激活类型与运动激活的结果,发现两者间有相当大的重叠。对这项发现有几种解释:①当受到刺激时,受检者运动了手;②MRI探测到的最大BOLD效应离神经元的活动区有数毫米远,主要在毛细血管后血管内,因此难以区分中央沟相邻的前、后壁;③躯体感觉皮质和运动皮质可能难以严格区分。尚有其他几位作者也在挑战严格区分中央前回是运动性的、中央后回是感觉性的这一概念。3.3分区神经运动活性PET研究表明:局部脑功能和与之相连的神经纤维的完整和正常有关,例如由于脑梗塞使视神经通路受损,引起远端的视觉中枢—枕叶皮质区葡萄糖代谢率降低。Li等使用fMRI研究了7位可卡因长期服用者,结果发现:在第1视觉皮质空间相关系数(spatialcorrelationcoefficient,SCC)减少50%,第1运动皮质SCC减少43%,这反映了上述区域神经运动活性的改变和两皮质间存在着密切的功能联系。Miki等使用4Tesla的fMRI研究了人的视觉活动,结果在所有受检者的双侧第1视觉皮质均发现神经活动,且均延伸至纹状区外皮质,双侧外侧膝状体均被激活。此研究揭示高场强的fMRI可更有效的探测视觉系统的生理活动。3.4被动听音乐过程中,双蝌蚪叶和额叶代谢率在半数PET的研究资料表明:单耳听有趣的故事时对侧颞叶上部的代谢率增高,单纯语言刺激使左侧颞叶代谢率增高;单纯音乐刺激(无歌词)刺激时,主要为右侧颞叶代谢率增高,语言和乐曲同时刺激则双颞叶和额叶代谢率均增高;单纯回忆乐曲而不进行形象思维仅见右侧颞叶代谢率增高,回忆乐曲同时进行形象思维则可见左侧颞叶放射性也增高。Ohnishi等用fMRI研究了音乐家和非音乐家的音乐知觉,发现:在被动听音乐过程中,音乐家左侧颞叶皮质第2听觉区占优势和左后背外侧额前皮质被激活,而非音乐家右侧第2听觉区占优势;左侧颞平面的激活程度与开始音乐训练的年龄密切相关,而左后背外侧额前皮质的激活程度和绝对定调能力呈有意义的相关。fMRI还能研究听觉传导路,在蜗神经核、上橄榄核和内侧膝状体均可发现功能活动。3.5功能活动的常发生在脑区内部功能Sobel等对嗅觉的系列研究表明:①不论臭气是否存在,嗅动作均引起颞叶梨状区皮质及额叶内和后眶额回的功能活动,其所引起的功能活动是由气流通过鼻孔导致的躯体感觉刺激;相反,无论是否嗅,气味主要在额叶外和前眶额回引起功能活动,在嗅觉探索(嗅)与嗅觉内容(气味)所激活脑区之间的非相关性表明了在人类嗅觉方面脑组织的特性。②香草醛和丙酸的气味均主要在小脑半球后外侧引起有意义的功能活动,活动的大小是浓度依赖性的;无味气体的嗅活动在小脑前部主要是中央小叶引起有意义的功能活动,据此推测小脑可能是维持味觉反馈机制,以调节与气味浓度有关的嗅容量。③在无味感时,空气中高及低浓度的化合物均在丘脑前内侧部和额下回引起功能活动;在高浓度条件下,额下回的功能活动右侧大于左侧。④在第1嗅觉皮质内,气味引起了一个强烈、早期和短暂的信号幅度的增高,然后在气味存在下的30-40秒内适应了。有关嗅觉皮质的确切定位、时间程序及嗅觉与情绪活动之间的联系等还有大量的问题有待解决。3.6pet和fmri研究的结论这方面的研究很多,如语言作业、记忆功能和认知心理学等。记忆系统又分为工作记忆(workingmemory)、语义记忆(semanticmemory)、情景记忆(episodicmemory)和程序记忆(proceduralmemory),记忆作业均影响海马和双侧颞下回的局部脑血流。近期的PET和fMRI研究结果提示,在左侧半球内有四个清晰的脑区与语义处理有关:①颞叶腹后区,包括颞中回的一部分、颞下回的一部分、梭状回的一部分和海马旁回的一部分;②一个大的额前区,包括额下回、额上回、额中回的几部分、额内侧回和扣带回前部的一部分;③角回;④胼胝体周区,包括扣带回后部和楔前叶腹侧部。最近的研究证实小脑亦参与了认知过程,在阅读中,fMRI探测到小脑皮质和深部核团有明显的功能活动。依PET的研究结果,Wise等将Wernicke区分为两个神经亚系统:第1部分,沿着颞上平面与顶下小叶相连,对语言及非语言声音包括说话者自己的声音做出反应,与声音的产生有关,而不是知觉;第2部分,位于左颞上沟后部的腹外侧部,对外源性声音做出反应,也被单词表的回想所激活。PET和fMRI对认知心理学的研究可归纳为以下三个方面:①证实精神活动的可定位性;②辨识单独的脑控制系统(注意网络);③发现在同一些脑区内感觉输入和精神意象的会聚现象。有关局部脑功能和认知之间关系的研究,为神经心理学开辟了广阔前景。3.7不同性别脑kotc脑代谢的特征George等用PET研究了11例健康成人妇女,发现短暂的悲伤使双侧边缘叶和边缘叶旁的结构(扣带回、额内侧回和内侧颞叶皮质)以及脑干、丘脑和尾状核兴奋增加,而短暂的喜悦与广泛的局部脑血流减少有关,特别是右侧额叶前区和双侧颞、顶叶。Kotz以PET图像研究提示:在什么都不想的时候,男、女脑的代谢活动总量并无什么不同,但有两个有意义的差别,就是男性比女性在颞叶和边缘叶区域有较高的代谢,而在扣带回有较低的代谢。于是研究者推测男性更倾向于通过肉体侵略来表达情感,而女性则喜欢以语言进行。3.8人类东北部脑思维活动对人类脑化学变化的背景为人类犯罪提供了理想工具PET神经受体显像摆脱了数十年来受体研究只能在动物和离体组织标本上进行的状况,为在人类活体上探讨脑思维活动与脑化学变化的关系提供了理想工具。目前11C-螺环哌啶多巴胺D2受体显像、11C-卡芬太尼阿片受体显像和11C-心得安β肾上腺素能受体显像研究的较多。3.9针刺镇痛作用PET研究显示:当针刺一侧手三里、合谷穴时,发现对侧皮质中央前、后回和对侧丘脑脑局部血流量、局部脑葡萄糖代谢率及局部氧摄分数增高。fMRI的研究证实针刺可调节边缘系统和皮质下结构的活动。Biella等使用PET研究了