磁共振波譜成像技術在腦成像中的應用

功能磁共振成像、計算機偽影器斷裂圖像、單光子發射計算機斷層圖像和內賢光學成像技術可以直接觀察活動大腦的解剖和功能變化，并在屏幕上看到人類的思維活動。這將我們列入人類思維的分類時代。現就有關文獻進行綜述。1病理組織學檢測影像的方法1.1功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)依成像原理,fMRI可分為三類:第一類,灌注基礎上(perfusion-based)的fMRI,以示蹤劑在腦內的時間過程來計算腦血流。第二類,血流基礎上(flow-based)的fMRI,可探查大血管里的血流變化。第三類,磁敏感對照基礎上(susceptibilitycontrast-based)的fMRI,如血氧水平依賴性(bloodoxygenationleveldependent,BOLD)方法。BOLDfMRI對神經元活動的敏感性是第一、二類fMRI的2~3倍,故它是最常用的fMRI技術。其基本成像原理是脫氧血紅蛋白是一種順磁性物質,當大腦活動時脫氧血紅蛋白減少,使局部腦組織T2*時間延長,信號強度增加,從而獲得激活腦區的數據及影像。fMRI除具有非侵入性、無放射性同位素參與以及可任意重復檢查等優點外,其顯著的優勢在于具有很高的空間和時間分辨力,能將解剖和功能圖像融為一體,更適宜于研究非人類靈長類相對較小的腦。特別是近年來清醒靈長類動物fMRI圖像的成功獲得,使神經生理學、神經藥理學、神經心理學和病理生理學的活體實驗影像研究成為現實。1.2磁共振波譜成像外加磁場對電子的作用會引起原子核位置的微小變化,即所謂的“化學位移”,后者使原來具有固定空間的共振原子核所產生的頻率發生少許變化,以波譜形式表現出來,即磁共振波譜(magneticresonancespectrum,MRS)。將MRI提供的空間信息及由MRS提供的化學信息進行復合即得到磁共振波譜成像(MRSimaging,MRSI)。MRS為研究組織代謝和功能的無創性方法,常用的原子核有:31P、1H、13C、23Na、39K和19F,其中以31P和1H應用最廣泛。31PMRS主要用于能量代謝的研究,1HMRS能檢測脂肪、氨基酸、酮體和乳酸等代謝物質,其固有敏感性比31PMRS高1.5倍以上。1.3正電子發射計算機斷層顯像(positronemissioncomputedtomography,PET)PET是利用發射正電子(β+)的放射性核素進行器官斷層顯像的儀器。它以11C、13N、15O、18F及其許多標記化合物進行腦和心肌血流灌注、氧耗量、葡萄糖、蛋白質和脂肪代謝顯像,還能進行神經受體顯像。因此,PET是在分子水平上顯示活體器官代謝、受體和功能活動的影像技術,被譽為生理生化斷層。PET除可獲得圖像外,還可借助一定的生理數學模型,求出局部腦葡萄糖代謝率來了解腦的功能。1.4單光子發射計算機斷層顯像(singlephotonemissioncomputedtomography,SPECT)SPECT為利用發射γ射線的放射性核素進行器官斷層顯像的設備。腦功能SPECT顯像主要包括局部腦血流(regionalcerebralbloodflow,rCBF)、腦代謝顯像和腦神經受體顯像。80年代后期,99mTC標記的腦血流顯像劑和心肌灌注顯像劑研制成功,并被廣泛應用。近幾年來,111In或123I生長抑制素受體顯像劑的研制也取得突破,它們不僅可廣泛應用于心腦血管疾病的診斷、癲癇灶的術前定位和腫瘤的診斷,而且還可進行腦功能和受體研究。1.5影像融合術CT、MRI所顯示的主要是器官的解剖學信息,而PET和SPECT所顯示的主要為功能和代謝的信息,形態學結構不清晰。因此將兩者的圖像重疊起來,既可得到器官的功能和代謝的信息,又能顯示器官的形態學結構,即影像融合(co-registration或imagefusion)。當今,CT/PET的研制成功,使影像融合可同機進行,減少誤差。1.6內稟光學成像內稟信號(intrinsicsignals)是指那些由神經元活動所引起的有關物質成分、運動狀態的改變而導致其光學特性的變化在與某些特定波長的光量子相互作用后得到的包含了這些特性的光信號。通過成像儀器系統探測到這些光信號的某一時間間隔內的空間分布,也就是腦功能的內稟光學成像或稱內稟信號光學紀錄(opticalrecordingofintrinsicsignals,ORIS)。內稟光學成像具有比fMRI更高的空間和時間分辨力,可以更小的體素來測量總脫氧血紅蛋白、總血紅蛋白和血容量的改變。內稟光學成像有多種,其中以近紅外譜技術(nearinfraredspectroscopy,NIRS)和光學相干斷層成像技術(opticalcoherencetomography,OCT)發展迅速,它們均能提供觀察腦皮質功能柱的高分辨圖像。NIRS可穿過顱骨,已用于動物和兒童的無創性腦功能研究。內稟光學成像在空間和時間分辨力兩個基本性能方面,居目前幾種腦功能成像技術之首,又由于它體積小、重量輕、特征信號易獲得和可行床邊監測等優勢,可以預見內稟光學成像在腦功能的研究中將發揮越來越大的作用。2全面地定位大腦皮質的各功能區腦功能成像技術具有自身的特色和優勢,主要表現在以下方面:①可準確、直觀地觀察到腦功能活動的部位和范圍,與腦磁圖(magnetoencephalography,MEG)和腦電圖結合后,可更加全面地定位大腦皮質的各功能區;②可在生理狀態下,無創地研究人腦的形態結構和功能活動,從而改變了神經生物學的研究結果主要來自動物實驗的局面;③可從整體水平上研究腦的功能和形態變化,從而克服了離體組織細胞和分子生物學研究的不足;④使活體分子神經生物學和神經受體研究成為可能,若結合死后組織的研究,可得到更深入的研究結果;⑤可在同一個體進行多次、重復實驗,從而探討腦功能的時間或年齡變化;⑥可早期、準確地定位腦功能性病灶的部位和占位性病變對腦功能的影響程度,從而為疾病的預防和臨床提供更加精確地信息。3腦功能成像技術的應用和前景3.1同側腦皮質的激活Catalan等使用PET測量局部腦血流(rCBF)的方法研究了簡單和復雜序列手指運動的功能神經解剖,發現在所有不同序列長度運動條件下,對側第1感覺運動區、運動前區皮質、補充運動區和同側小腦皮質被激活;從靜止狀態至簡單的重復運動,上述區域功能活動有大的增加;同側運動前區(Brodmann6區)、雙側頂后區(Brodmann7區)和楔前葉皮質僅對不同的序列長度運動表現出相應的rCBF增加,而對簡單的手指重復運動無反應。fMRI能夠描繪出每一個手指運動的代表區,單一手指的運動受到第1運動皮質內占據重疊區域的神經元網的控制。幾年來的研究揭示第1軀體運動區不含有按順序排列的倒置侏儒圖,而應代之以由控制軀體不同部位神經元組成的復雜的鑲嵌圖案。利用腦功能成像技術探討大腦運動皮質的功能重組及其機制是近年來的研究熱點,許多工作有待開展。3.2刺激時,受刺激者為運動的手Puce等比較了感覺激活類型與運動激活的結果,發現兩者間有相當大的重疊。對這項發現有幾種解釋:①當受到刺激時,受檢者運動了手;②MRI探測到的最大BOLD效應離神經元的活動區有數毫米遠,主要在毛細血管后血管內,因此難以區分中央溝相鄰的前、后壁;③軀體感覺皮質和運動皮質可能難以嚴格區分。尚有其他幾位作者也在挑戰嚴格區分中央前回是運動性的、中央后回是感覺性的這一概念。3.3分區神經運動活性PET研究表明:局部腦功能和與之相連的神經纖維的完整和正常有關,例如由于腦梗塞使視神經通路受損,引起遠端的視覺中樞—枕葉皮質區葡萄糖代謝率降低。Li等使用fMRI研究了7位可卡因長期服用者,結果發現:在第1視覺皮質空間相關系數(spatialcorrelationcoefficient,SCC)減少50%,第1運動皮質SCC減少43%,這反映了上述區域神經運動活性的改變和兩皮質間存在著密切的功能聯系。Miki等使用4Tesla的fMRI研究了人的視覺活動,結果在所有受檢者的雙側第1視覺皮質均發現神經活動,且均延伸至紋狀區外皮質,雙側外側膝狀體均被激活。此研究揭示高場強的fMRI可更有效的探測視覺系統的生理活動。3.4被動聽音樂過程中,雙蝌蚪葉和額葉代謝率在半數PET的研究資料表明:單耳聽有趣的故事時對側顳葉上部的代謝率增高,單純語言刺激使左側顳葉代謝率增高;單純音樂刺激(無歌詞)刺激時,主要為右側顳葉代謝率增高,語言和樂曲同時刺激則雙顳葉和額葉代謝率均增高;單純回憶樂曲而不進行形象思維僅見右側顳葉代謝率增高,回憶樂曲同時進行形象思維則可見左側顳葉放射性也增高。Ohnishi等用fMRI研究了音樂家和非音樂家的音樂知覺,發現:在被動聽音樂過程中,音樂家左側顳葉皮質第2聽覺區占優勢和左后背外側額前皮質被激活,而非音樂家右側第2聽覺區占優勢;左側顳平面的激活程度與開始音樂訓練的年齡密切相關,而左后背外側額前皮質的激活程度和絕對定調能力呈有意義的相關。fMRI還能研究聽覺傳導路,在蝸神經核、上橄欖核和內側膝狀體均可發現功能活動。3.5功能活動的常發生在腦區內部功能Sobel等對嗅覺的系列研究表明:①不論臭氣是否存在,嗅動作均引起顳葉梨狀區皮質及額葉內和后眶額回的功能活動,其所引起的功能活動是由氣流通過鼻孔導致的軀體感覺刺激;相反,無論是否嗅,氣味主要在額葉外和前眶額回引起功能活動,在嗅覺探索(嗅)與嗅覺內容(氣味)所激活腦區之間的非相關性表明了在人類嗅覺方面腦組織的特性。②香草醛和丙酸的氣味均主要在小腦半球后外側引起有意義的功能活動,活動的大小是濃度依賴性的;無味氣體的嗅活動在小腦前部主要是中央小葉引起有意義的功能活動,據此推測小腦可能是維持味覺反饋機制,以調節與氣味濃度有關的嗅容量。③在無味感時,空氣中高及低濃度的化合物均在丘腦前內側部和額下回引起功能活動;在高濃度條件下,額下回的功能活動右側大于左側。④在第1嗅覺皮質內,氣味引起了一個強烈、早期和短暫的信號幅度的增高,然后在氣味存在下的30-40秒內適應了。有關嗅覺皮質的確切定位、時間程序及嗅覺與情緒活動之間的聯系等還有大量的問題有待解決。3.6pet和fmri研究的結論這方面的研究很多,如語言作業、記憶功能和認知心理學等。記憶系統又分為工作記憶(workingmemory)、語義記憶(semanticmemory)、情景記憶(episodicmemory)和程序記憶(proceduralmemory),記憶作業均影響海馬和雙側顳下回的局部腦血流。近期的PET和fMRI研究結果提示,在左側半球內有四個清晰的腦區與語義處理有關:①顳葉腹后區,包括顳中回的一部分、顳下回的一部分、梭狀回的一部分和海馬旁回的一部分;②一個大的額前區,包括額下回、額上回、額中回的幾部分、額內側回和扣帶回前部的一部分;③角回;④胼胝體周區,包括扣帶回后部和楔前葉腹側部。最近的研究證實小腦亦參與了認知過程,在閱讀中,fMRI探測到小腦皮質和深部核團有明顯的功能活動。依PET的研究結果,Wise等將Wernicke區分為兩個神經亞系統:第1部分,沿著顳上平面與頂下小葉相連,對語言及非語言聲音包括說話者自己的聲音做出反應,與聲音的產生有關,而不是知覺;第2部分,位于左顳上溝后部的腹外側部,對外源性聲音做出反應,也被單詞表的回想所激活。PET和fMRI對認知心理學的研究可歸納為以下三個方面:①證實精神活動的可定位性;②辨識單獨的腦控制系統(注意網絡);③發現在同一些腦區內感覺輸入和精神意象的會聚現象。有關局部腦功能和認知之間關系的研究,為神經心理學開辟了廣闊前景。3.7不同性別腦kotc腦代謝的特征George等用PET研究了11例健康成人婦女,發現短暫的悲傷使雙側邊緣葉和邊緣葉旁的結構(扣帶回、額內側回和內側顳葉皮質)以及腦干、丘腦和尾狀核興奮增加,而短暫的喜悅與廣泛的局部腦血流減少有關,特別是右側額葉前區和雙側顳、頂葉。Kotz以PET圖像研究提示:在什么都不想的時候,男、女腦的代謝活動總量并無什么不同,但有兩個有意義的差別,就是男性比女性在顳葉和邊緣葉區域有較高的代謝,而在扣帶回有較低的代謝。于是研究者推測男性更傾向于通過肉體侵略來表達情感,而女性則喜歡以語言進行。3.8人類東北部腦思維活動對人類腦化學變化的背景為人類犯罪提供了理想工具PET神經受體顯像擺脫了數十年來受體研究只能在動物和離體組織標本上進行的狀況,為在人類活體上探討腦思維活動與腦化學變化的關系提供了理想工具。目前11C-螺環哌啶多巴胺D2受體顯像、11C-卡芬太尼阿片受體顯像和11C-心得安β腎上腺素能受體顯像研究的較多。3.9針刺鎮痛作用PET研究顯示:當針刺一側手三里、合谷穴時,發現對側皮質中央前、后回和對側丘腦腦局部血流量、局部腦葡萄糖代謝率及局部氧攝分數增高。fMRI的研究證實針刺可調節邊緣系統和皮質下結構的活動。Biella等使用PET研究了