功能性磁共振成像的应用和发展前景

功能性磁共振成像的应用和发展前景王君1*刘嘉1，21认知神经科学与学习国家重点实验室，北京师范大学，1008752中国科学院研究生院，北京，100049摘要：功能性磁共振成像（functionalMagneticResonanceImaging，fMRI）是当代医学影像技术应用于脑神经科学研究最为迅速的领域之一。本文首先简要介绍功能性磁共振成像的基本原理，然后着重叙述该技术在临床和基础研究中的应用和发展前景。关键词：功能性磁共振成像脑神经科学临床应用基础研究ApplicationsoffMRIinClinicalMedicineandBrainNeuroscienceJunWang1*,JiaLiu1，21StateKeyLabofCognitiveNeuroscienceandLearning，BeijingNormalUniversity,Beijing,1008752GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing，Beijing,100049Abstract:NowfunctionalMagneticResonanceImaging(fMRI)hasbeenmorerapidlyappliedinclinicalmedicineandbrainneurosciencethansomeothermodernmedicalimagingtechniques.ThispaperfirstbrieflyintroducestheprincipleoffMRI,andthenitssomeapplicationsinclinicalmedicineandbrainfunctionresearcharedescribedindetailstogetherwithitssomerecentdevelopments.Keywords:fMRIBrainNeuroscienceClinicalapplicationBasicResearch20世纪90年代以来，在传统磁共振成像（MagneticResonanceImage，MRI）技术的基础上发展的功能磁共振成像（functionalMagneticResonanceImage,fMRI）技术已广泛应用于脑功能的临床和基础研究。fMRI结合了功能、解剖和影像三方面的因素，为临床磁共振诊断从单一形态学研究到与功能相结合的系统研究提供了强有力的技术支持。该技术具有无创伤性、无放射性、可重复性、较高的时间和空间分辨率、可准确定位脑功能区等特点，为脑神经科学提供了广阔的应用前景。1.fMRI的基本原理1990年,Ogawa等人根据脑功能活动区氧合血红蛋白（HbO2）含量的增加导致磁共振信号增强的原理得到了关于人脑的功能性磁共振图像[1]，即血氧水平依赖的脑功能成像(BloodOxygenLevelDependentfMRI,BOLDfMRI)。由于血液动力学通讯作者(CorrespondingAuthor)：王君(JunWang)，email:[e-mail]反应与脑神经活动之间存在着紧密的联系，BOLDfMRI信号与局部脑血流、氧合血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（dHb）含量密切相关。当被特定的任务刺激后（如视觉、运动等），可激活相应的脑功能皮质区，从而引起局部脑血流量和氧交换量的增加，氧的供量大于氧的消耗量，其结果导致氧合血红蛋白含量增加，脱氧血红蛋白含量降低。脱氧血红蛋白具有顺磁特性[2]，可使组织毛细血管内外出现非均匀性的磁场，从而加快质子的失相位，缩短了T2驰豫时间，导致T2加权信号降低。因此当脱氧血红蛋白含量减少时可促使局部的T2加权信号增强，从而获得相应激活脑区的功能成像图[1,3-5]。fMRI的实验设计主要有两种类型：组块设计（BlockedDesign）和事件相关设计（Event-relatedDesign）。组块设计特点是以组块的形式进行刺激，在每一个组块内同一类型的刺激反复、连续呈现，常用于功能定位；事件相关设计特点是随机化设计，常用于对行为事件的研究。fMRI扫描序列通常采用回波平面成像技术(EchoPlanarImaging,EPI)[4,6]、梯度回波脉冲序列（GRE）[7]或螺旋成像技术（SPIRAL）[8-9]。梯度回波脉冲序列的成像速度较慢，易受运动影响产生伪影，一般只用于单一刺激的简单运动研究。回波平面成像技术是目前fMRI研究中最常用、最快速的成像方法，可以在极短时间内（数毫秒-数秒）完成脑皮层的功能性成像，可用于多刺激、复杂运动的多功能区成像研究。回波平面成像技术需要梯度磁场的快速转换，因而产生的噪声较大。螺旋成像技术对梯度切换速率要求较低，与回波平面成像技术相比较成像时间分辨率较高。2.fMRI的临床应用fMRI在神经外科、神经内科、药理学和精神病学等领域的临床应用十分广泛。2.1神经外科应用2.1.1脑肿瘤治疗中的应用利用fMRI可以在切除脑肿瘤术前无创地进行脑皮质功能区的定位，为神经外科医生制定最优化的手术方案提供准确的信息，从而最大限度地切除病灶，最大程度地减少对邻近重要功能皮层的损伤，进而避免正常功能的丧失并对手术的风险进行准确的评估。Krishnan等[10]在两年间利用fMRI辅助神经导航系统手术治疗了54例位于运动区及其附近的肿瘤，结果显示神经功能较术前改善的有16例、无改变的有29例，较术前变差的有9例，并且发现当病灶离被激活的功能区小于5mm时，病灶不易被完全切除，且易于引起新的功能障碍。2.1.2癫痫手术中的应用通讯作者(CorrespondingAuthor)：王君(JunWang)，email:[e-mail]在癫痫手术中的应用已十分广泛。利用fMRI可准确定位癫痫病灶和周围的功能区皮层、指导癫痫手术方式及癫痫病灶的切除范围，从而了解致痫灶与皮层功能区的关系，防止病灶切除后出现永久性的神经功能障碍，对手术前方案的制定和手术后的评估提供客观的依据[11]。Bookheimer等对癫痫患儿术后并发症的研究发现，术前fMRI脑功能区的定位可以最大限度地减少癫痫患儿术后遭受新的神经功能损伤，改善手术的预后[12]。Detre的研究发现fMRI可用于检测精神运动性癫痫患者记忆激活的不对称性[13]。fMRI还可应用于脑动静脉畸形、海绵状血管瘤等颅内血管畸形手术，也应用于其它神经疾病手术中，如脑炎、结节状硬化症等的手术，其作用与脑肿瘤和癫痫手术中的作用相似[14]。2.2神经内科应用fMRI在老年痴呆-阿尔茨海默病（Alzheimer’sDisease，AD）、脑卒中（Stroke）、多发性硬化(MultipleSclerosis及帕金森综合症(Parkinson’sDisease)等多种脑部疾病治疗中的应用十分广泛。利用fMRI可对疾病治疗后的功能恢复、功能性重组进行深入的研究，并且可以定性、定量地检测药物治疗的疗效，为临床诊断、治疗及评估预后提供新的思路。AD是以记忆障碍和认知障碍为特征的退行性神经疾病，是引起老年痴呆最常见的病因。利用fMRI可作为早期诊断AD的依据之一。Golby等提出早期AD患者的外显记忆与内隐记忆的神经网络系统可能存在分离[15]。Johnson等研究了fMRI信号变化与脑萎缩之间的联系，结果发现与健康人相比，AD患者左侧额下回的激活与脑萎缩显著相关[16]。Prvulovic等进一步探讨了脑萎缩与激活强度的关系以及AD患者的视空间过程，结果发现健康人在顶上回的激活较强，而AD患者在颞枕叶的激活较强，由此推论出AD患者在顶上回的萎缩导致了激活较弱并且可由背侧的视觉回路进行功能补偿[17]。2.3药理学应用fMRI在药理学中的应用具有很大潜力。fMRI快速、无创性、可重复性的特点有利于跟踪性检测神经性药物的疗效和药理机制，并进一步地对药物作用进行神经解剖定位。大量研究表明药物受体的位置与药物作用的功能区不吻合[18]，采用fMRI技术可直接检测神经系统功能性的变化。Breiter等利用fMRI对静脉注射可卡因进行了研究，结果表明可卡因注射可导致在胼胝体下皮质、扣带回、脑岛、海马旁区的脑区激活，BOLD信号增强；颞极和内侧额叶皮质BOLD信号减低,重复性实验具有相同的激活模式[19]。Stein等利用fMRI对尼古丁的药物依赖性进行了深入的研究,结果显示激活的脑区包括脑岛、扣带回、背侧和内侧额叶，以及部分的颞叶、视觉皮层、边缘皮质下区域（杏仁核、下丘脑）[20]。他们的研究表明尼古丁可导致脑功能区的区域性、选择性的激活，并且与药物行为学检测具有时间上的通讯作者(CorrespondingAuthor)：王君(JunWang)，email:[e-mail]一致性。2.4精神病学应用fMRI具备的无损性、无放射性、可重复性等特点使其在精神病学的研究方面有很大的潜力，可以纵向地跟踪观察精神疾病的发病机制及发展动态，如精神分裂症(Schizophrenia)、抑郁症（Depression）、儿童孤独症（Autism）、儿童注意缺陷多动障碍(AttentionDeficitHyperactivityDisorder,ADHD)等。大量fMRI研究发现精神分裂症患者产生幻觉的同时听觉系统的颞叶功能区的激活减低[21-22]。在执行词语产生的任务时，Yurgelun-Todd等发现精神分裂症患者左侧前额叶区的激活减低，而左侧前颞叶区的激活增强[23]。情绪活动的fMRI研究通常采用可以诱发负性、正性、中性情感反应的图片，刺激并诱发被试者产生相应的情感反应。抑郁症是一种情绪障碍，fMRI研究发现抑郁症患者与健康人相比，除了在前额叶、边缘皮层和扣带回的激活有差异外，还会在其它脑功能区有所变化，如下丘脑、海马、杏仁核及苍白球等[24]。Beauregard等通过fMRI对重度抑郁症患者与正常人进行比较发现前者左侧扣带回的改变显著[25]。Malhi等则发现患者皮层下脑区如：丘脑、岛叶、基底节的激活异常[26]。Sheline等人利用fMRI发现在使用抗抑郁药时患者杏仁核的活动增强[27]。Anand等[28]发现患者前扣带回对皮层下的杏仁核、旁纹状体、丘脑及海马情绪调节环路（Mood-Regulating-Circuit,MRC）的调控能力下降，抗抑郁药万拉法辛治疗可以增强前扣带回的调控作用，从而缓解抑郁的症状。孤独症患者在观察面部表情的图片时小脑、丘脑和颞叶皮质异常激活[29]。结构磁共振成像研究发现儿童注意缺陷多动障碍患者前额叶、基底节、胼胝体、丘脑、小脑等部位体积异常。fMRI研究[29]认为该病患者的功能缺陷可能主要存在于额叶-扣带回前部-基底节环路，前额叶皮层调控的执行功能缺陷是核心缺陷。3.fMRI在正常人脑功能基础研究中的应用fMRI在正常人脑功能区（视觉、听觉、嗅觉、运动、感觉及语言等）的基础研究方面均取得了一定的进展。3.1视觉系统对视觉皮层的研究是fMRI应用最早的领域，这主要与视刺激条件易于控制，视皮层激活信号强度相对较大有关。虽然以猴神经生理学为基础对视觉系统进行了大量研究，但其理论还不能完全推断和解释人类复杂的视觉系统的神经机制。运用fMRI则实现了对人类视觉系统相关脑皮层的功能定位、颜色识别、视觉加工等的研究。通讯作者(CorrespondingAuthor)：王君(JunWang)，email:[e-mail]等[30]于1991年第一次利用fMRI对人类视觉皮层进行了研究，结果显示在视觉刺激后，在初级视觉皮层的血流容积有显著的增加，并且报导了脑区激活的坐标和线形程度。Zeki等[31]利用fMRI研究了颜色识别过程的传导通路，推测颜色识别过程大致可分为三个阶段：首先V1区和V2区激活，记录不同波长的光线、强度以及波长差；第二阶段位于梭状回内的V4区激活，进行自动的颜色处理，无须记忆、判断和学习；第三阶段颞下叶和额叶