脑功能成像原理和技术

《脑功能成像原理和技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、脑功能成像原理和技术翁旭初贾富仓（中国科学院心理研究所脑高级功能研究实验室，北京100101）目录引言第一节常用脑功能成像技术简介1.1测量脑内化合物技术1.2测量脑局部代谢和血流变化的技术1.3测量脑内神经元活动的技术第二节功能磁共振成像原理与技术2.1物理原理和成像技术2.2实验设计2.3数据处理第三节研究实例问题与展望参考文献1引言20世纪70年代以来，相继诞生了各种无创伤或创伤性较小的测量活体人脑结构和功能的技术，其中大多数能把测量的结果用通过图像形式显示出来,这些技术统称为脑成像技术。脑成像技术总体上可分为两大类。一类主要用于脑结构静态特征的测量，如已在临床普遍应用的计算机辅助X

2、线断层显像(CT,computerizedtomography)和磁共振成像(MRI,magneticresonanceimaging)技术，两者均可显示正常头颅和脑组织的结构以及病变的直接或间接特征。脑结构成像技术不但在临床实践中得到了广泛应用，而且可以借助该技术研究脑结构损伤和认知功能缺陷之间的的关系，为理解认知功能的脑结构基础提供了重要的研究手段。但不管这些技术如何发展，本质上只能提供脑结构的静态信息，应用于认知神经科学研究有一定局限性。另一类脑成像技术就是最近受到认知神经科学家普遍重视的脑功能成像技术。与脑结构成像不同的是，这些技术可以动态地检测知体脑的生理活动，对当代认知神经科学

3、的发展产生了深刻而巨大的影响。脑功能成像技术发展非常迅速，迄今进入实用阶段的已有十几种。根据所测量的内容，可以把脑功能成像技术分为三大类。第一类是各种活体脑内化合物测量技术，这些技术也可看作特殊的神经化学研究技术，它们可定位、定量（或半定量）地测量活体人脑内各种生物分子的分布和代谢；第二类是非侵入性电生理技术，可实时测量活体脑内神经元的活动，但现有的技术只能测量大群神经元的总体活动，空间分辨率有限；第三类脑功能成像技术则通过测量神经元活动引起的次级反应（如局部葡萄糖代谢和血流、血氧变化等）研究与行为相关性的脑局部神经元的活动情况，这类技术的时间和空间分辨率已能在一定程序上满足认知神经科学研

4、究的需要，受到了普遍的关注，这些技术也正是本章将要重点介绍的内容。本章首先概要性地介绍各种较常脑功能成像技术的原理、特点和应用范围，然后以功能磁共振成像（fMRI，functionalmagneticresonanceimaging）为例，较为详细地讨论利用脑功能成像研究认知神经科学问题的一些较为实用的技术细节，最后介绍一个研究实例并简要讨论现有脑功能成像技术面临的一些问题和发展展望，希望这种安排有助于读者对脑功能成像在认知神经科学中的应用有一个较为具体的认知。2第一节常用脑功能成像技术概述1.1测量脑内化合物的方法测量脑内化合物的目的有二。其一是测量脑内受体、递质和其它神经分子的分布和代

5、谢，其二是通过测量脑局部葡萄糖、氧和氨基酸等物质的代谢推测与行为相关的局部神经元的兴奋性水平。目前可用于测量活体人脑内化合物的技术主要有三种，分别是单光子发射计算机断层显像技术（SPECT，singlephotonemissioncomputerizedtomography）、正电子发射断层成像术（PET，positronemissiontomography）和磁共振波谱分析技术（MRS，magneticresonancespectroscopy）。SPECT和PET是目前仅有的两种发射型断层扫描技术，都需要注射放射性核素。前者采用γ相机对脑内放射性核素释放的γ光子进行捕获而成像，而后者测

6、量正电子湮灭产生的两个背对背的γ光子，通过适当的定量或半定量度数据处理技术计算出标记物的分布和含量。应用这两种方法不但可以观察酶、递质、受体等各种生物分子在脑内的分布和代谢情况，而且可以通过测量葡萄糖和氧代谢了解脑局部的神经元兴奋性水平，从而进一步研究认知活动的脑结构基础。这些技术在临床诊断和治疗中也具有重要的应用价值。如可利用PET测量葡萄糖和氧代谢、局部血流、氨基酸摄取和蛋白质合成以及化疗药物的运输和代谢帮助肿瘤的定位和定性，并可了解治疗效果。还可通过测量脑局部葡萄糖代谢、各种受体的分布和密度为癫痫病、帕金森病和精神分裂症等神经、精神疾病的诊断提供量化的指标。此外，这两种技181815

7、术，特别是PET，也可以借助注射F标记的2-脱氧葡萄糖（F-FDG）和O标记的水分别测量脑局部的葡萄糖代谢率和区域血流量（rCBF），研究认知活动相关的脑局部神经活动，在认知神经科学研究得到普遍应用（详见下文）。-9PET的灵敏度非常高，可以检测到10摩尔浓度的化合物，定位也比SPECT精确，但价格非常昂贵，我国少数几家大医院最近也开始装备。我国PET研究和应用都还处在初步探索阶段，目前最大的问题是大多数拥有PET的医疗