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fMRI——磁共振脑功能成像知多少?

   2024-04-09 admin77
核心提示:功能磁共振(functional magnetic resonance imaging, fMRI)是一种无创非放射性观察大脑活动的技术,已被广泛用于神经科学及认知科学领域的研究,其主要的原理是血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent,BOLD)。在人脑中,氧气是通过毛细血管的血红蛋白运送给神经元细胞的。当神经活动增加时,耗氧量也会随之增加,从而引起局部区域血流量的增加

fMRI——functional magnetic resonance imaging, fMRI

磁共振脑功能成像(fMRI)是通过刺激特定感官,引起大脑皮层相应部位的神经活动(功能区激活),并通过磁共振图像来显示的一种研究方法。
它不但包含解剖学信息,而且具有神经系统的反应机制,作为一种无创、活体的研究方法,对进一步了解人类中枢神经系统的作用机制,以及临床研究提供了一个重要的途径。

 

fMRI 最初是采用静脉注射增强剂等方法等来实现的。
1990 年美国贝尔实验室学者Ogawa 等首次报告了血氧的T2*效应。在给定的任务刺激后,血流量增加,即氧合血红蛋白增加,而脑的局部耗氧量增加不明显,即脱氧血红蛋白含量相对降低。脱氧血红蛋白具有比氧合血红蛋白T2*短的特性,另一方面, 脱氧血红蛋白较强的顺磁性破坏了局部主磁场的均匀性,使得局部脑组织的T2*缩短,这两种效应的共同的结果就是,降低局部磁共振信号强度。由于激活区脱氧血红蛋白相对含量的降低,作用份额减小,使得脑局部的信号强度增加,即获得激活区的功能图像。由于这种成像方法取决于局部血氧含量,故称为血氧水平依赖功能成像。

应用:

包括正常脑功能的基础研究与临床应用的研究,涉及的主要方面包括:神经生理学和神经心理学 。


fMRI 最早应用于神经生理活动的研究,主要是视觉和功能皮层的研究。后来随着刺激方案的精确、实验技术的进步,fMRI 的研究逐渐扩展于听觉、语言、认知与情绪等功能皮层及记忆等心理活动的研究。
对于脑神经病变的fMRI 研究,已有大量的论文报道,涉及到癫痫、帕金森综合症、阿尔茨海默病(AD)、多发性脑硬化(MS)及脑梗死等方面。由于其时间、空间的分辨高,所以对疾病的早期诊断、鉴别、治疗和愈后的跟踪具有重要的意义。在精神疾病方面,对精神分裂症患者、抑郁症患者也有相应的研究。


fMRI 对于神经疾病的研究、诊断、进展估计及实验性干预治疗效果的评价,能提供敏感、客观精确的信息评价。对肿瘤病变的手术及放疗计划的制定、预后估计、减少手术损伤和并发症,提高术后生活质量具有重要意义。


fMRI 的实验设计主要采用“基线-任务刺激的OFF-ON 减法模式”来实现。
通过外在有规律的、任务与静止状态的交互刺激,得到激活条件与控制条件下同一区域的信号,经过傅立叶转换后获得一系列随时间推移的动态原始图像。图像后处理时,通过设定阈值使两种状态下的原始图像进行匹配减影,减影图像经过像素平均化处理后,使用统计方法重建可信的功能激发图像。常用的统计方法主要是相关分析、t 检验。通过这些后处理我们不但可以提高实验结果的可信度,并可有效地消除部分图像伪影。


技术方面,对于小血管BOLD 效应与场强的平方成正比,所以fMRI 的研究较适合于在高场强的系统上进行。研究表明,场强在1.5T 以下的系统不适于进行脑功能研究。对成像序列的要求,一般使用T2*效应敏感的快速成像序列,如GRE、GRE-EPI、SE-EPI 等。


大多数fMRI成像需要1.5-2.0T以上高场强的MR设备,一般使用对T2效应敏感的GRE序列和快速成像EPI序列。单纯GRE序列成像的缺点是图像采集时间较长,成像层面数量有限,图像容易受运动影响而产生伪影。EPI是由MansField在1997年首次阐述的[5],该技术把经典成像中的多次扫描简化为一次扫描,使成像速度得到巨大提高,大多数高场强MR机都采用GRE与EPI相结合的序列EPI。梯度场切换速度快,单次或少于一次激发便可完成整个K空间的数据采集,成像时间可缩短至30-100ms,这样大大降低了运动伪影。


功能磁共振(functional magnetic resonance imaging, fMRI)是一种无创非放射性观察大脑活动的技术,已被广泛用于神经科学及认知科学领域的研究,其主要的原理是血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent,BOLD)。在人脑中,氧气是通过毛细血管的血红蛋白运送给神经元细胞的。当神经活动增加时,耗氧量也会随之增加,从而引起局部区域血流量的增加。当血红蛋白结合氧分子形成氧合血红蛋白时,它是反磁性的;而当氧分子脱离后,它是顺磁性的。这种磁性差异就引起了磁共振信号的微小改变,即BOLD的基本原理。需要注意的是,随着神经元活动与血流量、氧合血红蛋白间的关系是动态改变的。在神经元活动的初期,局部区域的氧含量被消耗而下降,引发一个初始的“谷点”。而随之而来的是血流的大量增加,不仅可以满足局部的氧需求,而且大大超过这一水平,因此整体的氧合血红蛋白含量反而会表现出增加。这一峰值会持续大约6秒后回落至基线水平,同时伴随一个后续的低谷。


功能磁共振的BOLD信号基于T2* 加权像,因为磁共振所能探测到的去氧血红蛋白和氧合血红蛋白所产生的信号在这一类成像方法上强度最大。典型的MRI实验是先获取一般状态下的T2* 加权像,然后让被试者在扫描过程中执行一个安排好的任务。当任务刺激开始被呈现给被试者,相应神经元的活动导致局部微环境中相对氧合血红蛋白含量的增加,也就是BOLD信号的增加,于是获取到“功能性”的T2加权像。通过比较刺激前后不同的信号强度,可以分析得出神经元活动增加的脑区,并用不同色彩的方式标注出来。


让被试者执行任务是传统的fMRI实验方法,该实验方法获取的影像一般被称为“任务态”。通过区分实验设计中最重要的是任务的范式,也就是实验过程中呈现给研究对象的刺激策略,实验可分为两大类:区组设计(Blocked designs)和事件相关设计(Event-related designs)
任务态功能磁共振研究中发现有任务不相关脑区活动的降低,以及发现静息状态下也有在时间和空间尺度上的自发神经活动。这些发现提出了一个任务态没能解答的关于大脑神经活动的根本问题:为何一个只占体重2%的器官却能占到全身能量消耗的20%?传统的任务态fMRI之揭示了一小部分脑活动,所谓“静息态”并非是完全静息状态。早在20世纪初通过脑电图(EEG)发现神经电活动呈现出8-12Hz频率的振荡。其他哺乳动物的实验表明神经元网络电活动振荡呈现出不同谱带,频率覆盖了0.05Hz – 500Hz。在多数功能磁共振的研究中,BOLD信号的振荡被当作是噪点或是干扰。随着新技术和分析方法的进展,可以通过将非神经元真正的BOLD噪声信号排除,提取出自发波动的BOLD信号部分来分析。


对静息态fMRI中表现的特定频率范围进行分析,不同的方法可以辨认出大脑中不同的空间模式。对于整个大脑中远距离区域之间活动模式,可以分离出一些所谓的网络,比如默认网络,执行控制等等,常见的方法有感兴趣区域(Region of Interest, ROI),独立成分分析(Independent Component Analysis, ICA),分级群聚(Hierarchical Clustering, HC)。另外还有一些局部模式,包括局部一致性(Regional Homogeneity, ReHo)、低频振幅(Amplitude of Low Frequency Fluctuation, ALFF)等。

 
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