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脑功能磁共振成像及其应用进展
聂生东
1,
聂
斌
2
(1.
上海第二医科大学计算机教研室
,
上海
200025; 2.
泰山医学院
)
功能磁共振成像是近
10
余年来在传统
的磁共振成像技术的基础上迅速发展
起来的一种新的成像技术。
与传统的磁共振成像技术不同的是，
功能磁共振成像
得到的是人
脑在执行某项任务或受到某种刺激时的功能映射图，
而不是人脑的解
剖图像。
它能够确定人脑在执行某项任务或受到某种刺激时大脑的哪些区域被激
活。
目前，
功能磁共振成像技术在国外已经
得到了广泛的应用，
其应用领域涉及
到脑科学研究的各个领域，
如认知科学、心理学、神经科学、药物滥用以及临床
应用等。
国
内在这一方面的研究和应用还刚刚开始。
本文对近年来功能磁共振成
像及其在国内外的应用进行了综述。
一、功能磁共振成像的原理及特点
功能磁共振成像（
functional
magnetic
resonance
imaging,fMRI
）的突出特点
是可以利用超快速
的成像技术，
反映出大脑在受到刺激或发生病变时脑功能的变
化
。它突破了过去仅从生理学或病理生理学角度对人脑实施研究和评价的状态，
打开了从语
言、记忆和认知等领域对大脑进行探索的大门。
传统的磁共振
成像（
MRI
）与功能磁共振成像（
f
MRI
）之间的主要区别是
它们所测量的磁共振信号有所不同<
/p>
[1-3,6]
。
MRI
是利用组织水分子中的氢原子核
处于磁场中发生的核磁共振现象，对组织结构进
行成像，而
fMRI
所测量的是在
受到
刺激或发生病变时大脑功能的变化。
根据所测量的脑功能信号的不同，
< br>磁共
振功能成像主要有
以
下四种
工
作方式
：
①
血氧水
平依赖
功能磁共振
成像
（
blood-oxygen-level-dependent
fMRI
，
BOLD-fMRI
）
,
它主要是通过测量区域中
氧合血流的变化（或血流动力学的变化）
，实现对不同脑功能区域的定位；②灌
注功能磁共振成像（
perfusion
fMRI
）
,
又称为灌注加权成像
(perfusion
weighted
< br>imaging
，
PWI)
。这
种成像方法主要用于测量局部脑血流和血容积；③弥散加权
功
能磁共振成像（
diffusion-weighted fM
RI
）
,
这种方法主要用于测量水分子
的随
机运动；④磁共振波谱成像（
MRI spectrosc
opy
）
,
该方法用于测量脑的新陈代
谢
状态以及参加到新陈代谢中的某些物质
(
如磷和氧
)
的含量。目前，临床上和脑科
< br>学研究中一般都是用第一种方式，文献中出现的
fMRI
，如果不做特别说明，一
般都是指
BOLD-fMRI
，简称为
fMRI
。以下只给出其工作原理。<
/p>
BOLD
技术是
fMRI
的理论基础。当大脑在执行一些特殊任务或受到某种刺
激时，
某个脑区的神经元的活动就会增强。
增强的脑活动导致
局部脑血流量的增
加，
从而使得更多的氧通过血流传送到增强活
动的神经区域，
使该区域里的氧供
应远远超出了神经元新陈代谢
所需的氧量，
导致了血流中氧供应和氧消耗之间的
失衡，结果造
成了功能活动区血管结构中氧合血红蛋白
(oxyhemoglobin)
的增加，
而脱氧血红蛋白
(deoxyhemogl
obin)
的相对减少
[3-7]
。<
/p>
脱氧血红蛋白是一种顺磁性
物质，其铁离子有四个不成对电子，磁
距较大，有明显的
T2*
缩短效应，因此在
某一脑区脱氧血红蛋白的浓度相对减少将会造成该区域
T2*
信号的相对延长，
使
得该区域中的
M
R
信号强度增强，
在脑功能成像时功能活动区的皮层表现为高信
号，利用
EPI
快速成像序列就可以把
它检测出来。
目前，
在临床和脑科学
研究中进行脑功能成像的手段主要有：
单光子发射计
算机断层成
像
（
SPECT
）
，
正电子发射断层成像
（
PET<
/p>
）
和功能磁共振成像
（
< br>fMRI
）
。
与其他脑功能成像
手段相比，
fMRI
具有以下特点
[8
]
：①
fMRI
的空间分辨率和
时间分辨率要比
PET
和
SPECT
高的多，这意味着
fMRI
能够对瞬间的认知事件
和大脑的微细结构进行成像，并能够提供比较清晰的图像；②
与
PET
和
SPECT
不同，
fMRI
技术对人体无辐射性伤害，
它利用脱氧血红蛋白作为内生的造影剂，
在成像过程中不需要注射放射性同
位素，可对同一患者进行重复成像；③利用
fMRI
，可以对发
生在同一个体的不同的精神状态（如躁狂、压抑和欣喜等）进
行比较时，易于作统计推断
，而利用
PET
和
SPECT
扫描通常要对一组个体在不
同的精神状态之间做统计推断。这样，
fMRI
在理解个体脑功能方面具有重要的
应
用；④与其他功能成像仪器比，
fMRI
的扫描费用较低。基于
以上特点，
fMRI
技术在临床和脑科学研究中得到了广泛的应
用。
二、功能磁共振成像的应用
1991
年，
Belliveau
等人在美国麻
省总医院首先报道了
MRI
对脑功能活动的
敏感性
[3]
。他们通过在静脉内注射顺磁性的造影剂，首
次利用光刺激获得了人
类视觉皮层的功能磁共振图像。
1992
年，
Ogawa
等直接利用血液中脱氧
血红蛋
白的顺磁性特点而不是注射造影剂进行了脑的
fMRI<
/p>
。目前
fMRI
主要应用领域
有：临床、药物滥用和正常脑功能研究。这些研究相辅相成，其研究所涉及到的
学科主要有：神经生理学、神经生物学、认知科学、心理学、病理学和精神科学
等，
研究成果可以互相借鉴。
例如，
正常脑
功能的研究成果可以作为临床和药物
滥用研究中的异常脑功能的对照，
< br>通过与正常脑功能的对比研究，
为研究患者的
异常脑功能
和行为提供依据。
（一）
fMRI<
/p>
在临床上的应用
患者的生存时间和生
活质量与病灶
（如肿瘤、
血肿等）
的切
除程度密切相关
[9-11]
。如果对病灶过度切除，会造成对
病灶周围重要功能区域的损害，而这种
损害是不可逆转的，
严重
影响患者的生活质量；
反之如果对病灶切除不够，
残余
病灶会严重影响患者的生存时间。
最大程度地切除病灶，
同时使主要的脑功能区
域（如视觉、语言和感知运动皮层等）得以保留是神经外
科手术的目标。神经外
科的风险主要是由外科手术对重要脑功能区域的损伤程度决定的<
/p>
[9,11]
。手术的
成功与否取决于对
大脑结构和重要组织功能的精确描述。
迄今为止，
实施神经外<
/p>
科手术的主要程序是：在术前，外科医生根据由患者得到的二维
C
T
或
MRI
图
像想象和估计病灶的大小及形状，
“
构思
”
病灶与周围组织之间的空间关系，
从而
确定手术方案；
在术中，
为了最大程度地切除病灶，
最小限度地减小患者重要功
能区域的损伤，
外
科医生一般是通过对脑皮层直接电刺激的方法对重要功能区域
进行定位，
根据定位结果决定病灶的切除范围。
因此，
术前计划的
合理性及手术
的成功与否极大地取决于医生的经验。目前，对重要脑功能区域进行定位的
“
金
标准
”<
/p>
仍然是对脑皮层直接进行电刺激
[11,12,16]
。这种功能定位方法的局限性是
显而易见的。
首先
，
它对患者会造成一定的伤害和痛苦，
定位的时间和精度取决<
/p>
于医生的经验；
其次，
这种定位方法只能
适用于很有限的脑区
（开颅后裸露的脑
区）
[12]
，定位数据只能在术中得到，不能用于术前的手术计划和手术风险的评
估。因此，功能定位结果如果能在术前获得，将会大大缩短手术时间，提高手术
效率，减轻患者痛苦等。近年来，脑功能成像技术，特别是功能磁共振成像技术
（
fMRI
）的发展，为这一设想的实施奠定了技术基础。<
/p>
利用
fMRI
可以在术前无创地获得人脑重要区域的功能映射图，这些信息可
被外科医生用来制定最优
手术方案，
以便在最大程度地切除病灶的同时，
把患者
的重要功能区域保留下来。在术前，把由
fMRI
得到的患者的功能定位图像与其
脑结构图像进行配准
/
融合，经三维重建后，可明确标示病灶区与周围组织皮层、
血管之间的
空间关系，
帮助外科医生选择最佳手术路线，
并对外科手术的风
险进
行评估，
这就是近年来在生物医学工程领域产生的一个新的
研究方向
——
集成可
视化技术
(integrated visualization)
。
在术中，
如果对个别患者有必要利用直接电刺
激的
方法进行功能定位时，
外科医生也可以在术前功能定位图的指导下，
直接对
感兴趣的皮层区进行刺激，
从而大大缩短定位时间；
在术后，
术前的功能定位图
与患者的随
访数据进行比较，可用来评价手术效果，并评估预后。
目前，
利用
fMRI
进行神经外科术前功能定位在国外已相当普及。文
献
[7]
报道了利用
fMRI
在术前对运动皮层进行定位，作为定位方法在手术中得到了验
证。美国麻
省总医院利用
fMRI
对
31
例患有肿瘤、海绵状血管瘤、脑皮层萎缩
和灰质异位移位的患者进行术前
评估
[10]
，并辅助术前计划的制定，取得了很好
的手术效果。
Maximilian
等人
[9]
，
利用
fMRI
技术对脑肿瘤患者在术前进行功能
定
位（主要是感知运动皮层和语言皮层）
，并在术中利用直接电刺激的方法对定
位精度进行了验证，结果表明，利用
fMRI
在术
前进行功能定位是非常可靠的。
大约
70%
的病人在肿瘤的治疗过程中接受放疗
[13]
。
放疗的目的就是最大限
度地把放射能量集中在靶
位上，
从而使周围的重要功能区和正常组织的损害减到
最小，在
这一方面，
fMRI
可以对病变组织周围的功能定位起到关键的
作用。大
量的临床应用表明，对肿瘤周围的主感觉运动皮层、辅助运动区、运动皮层、语
言运动中枢等功能活动区进行
fMRI
的术前评价，与术中生理功能实验具有良好
的一致性
[11]<
/p>
。
在改善神经病学上的紊乱治疗方面，
f
MRI
同样具有广阔的应用前
景
[4]
，某些潜在的应用包括在对肿瘤或顽固性癫痫进行手术前，要对运动、语
言和记忆等重要的功能皮层进行精确定位，
确定手术入口，
为最大限度地切除病
灶，最小限度地减少对重要功能区域的损伤奠定基础。
目前，
fMRI
在老
年痴呆（
Alzheimer
）
、帕金
森综合征
(Parkinson)
和精神分裂
< br>症
(schizophrenia)
等疑难病的早期诊断
和治疗方面也有相关报道
[15,16],
但从总的
应用情况看，
这些应用尚处在临床应用研究阶段。
但有可能为最终揭示这些疾病
的发病机制，
并对这些疾病的早期
诊断和治疗方面提供有力的支持。
另外，
fMRI
在对慢性和顽固性疼痛的发病机制以及治疗，
对神经紊乱的生理学基础的揭示
等
诸多方面有广阔的应用前景。
（二
）
fMRI
在药物滥用研究中的应用
毒品已成为全球性公害，且有日益增长的趋势
[17]
。近年来，各国都投入大
量的人力、物力广泛开展对吸毒成瘾、戒毒方法
以及复吸和防复吸的机制研究。
目前国内外在毒品成瘾及戒断的脑机制研究方面采用的主
要方法有：
①在细胞和
分子水平上研究毒品对脑的影响，探索脑
兴奋的传导与传递回路，从神经病理、
神经药理、
分子生物学等
角度研究毒品对脑的作用机制；
②利用脑成像技术观察
脑内受体
的上调、下调，受体亲和力，脑内递质变化，糖和氨基酸等代谢变化。
前一种方法只能从
单纯结构或单一介质的角度来研究毒品对脑的影响，
而且这种
方
法不直观，
其研究结果只能反映身体依赖时的一些变化，
还不好
反映精神依赖
时的变化。
脑成像技术可以在整体，
而且是在清醒状态下观察脑内受体和很多微
观的生物化学变化，
因此这种方法具备了前一种方法所没有的优点。
它不仅可以
< br>用来分析身体依赖时的变化，也可用来分析精神依赖时的变化。
尽管人们利用各种手段对药物滥用进行了大量的研究，
但是到目前为止，
毒
品对人脑的作用位置和作用机制知之甚少，
而这些信息对于研究更有效的治疗方
法是至关重要的
[22]<
/p>
。从大量报道的文献可以看出，
fMRI
在药物滥用研究中的
主要目的是：
确定毒品成瘾患者在不同的吸
毒行为
（如欣快感、
戒断症状以及对
药
物的强烈渴求和不可控制的觅药行为等）
出现后，
大脑的哪些区
域被激活，
从
而确定参与到不同吸毒
行为的大脑环路，
为研究新的戒毒方法或对现有戒毒方法
的改进
提供客观依据和理论基础。
Sue
等
[
18]
利用
fMRI
研究大脑对可卡因
的反
映，结果显示多于
90
个脑区对可
卡因表现出增加的活动。这一研究给出了一个
可卡因作用于脑回路的详细图。
上述脑回路涉及到奖赏系统的两个方面：
强化和
刺
激。强化是指一种直接的积极或愉快的反映，刺激是指重复某一行为的动机。
文献
[19]
利用
fMRI
获得了可卡因对大脑的作用映射图，利用
fMRI
发现，可卡
因
激
活
了
具有
高
浓度多
巴<
/p>
胺
受
体并
与
愉快感
觉
相
关
联的
伏
隔核（
nu
cleus
accumbens
）
，
降低了参与到情绪记忆以及其他认知功能的杏仁核
(amygdala)
和前
额叶
(frontal
cortex)
的活性
。应用
fMRI
技术，在与可卡因使用有关的不同行
为
实验中，麻省总医院（
MGH
）的科
学家获得了被激活的极其详细的许多不同的
脑回路
[20]
。
MGH
的研究显示出在可卡因成瘾的不同
阶段，如可卡因极度快感
（
rush
）
、快感
(high)
和渴求
(craving)
，脑的不同区域被激活。这些研究成果提供
了一个清晰和非常详细的可卡因作用在人脑上的图像，
这对可卡因成瘾的治
疗方
面将具有重要意义。
Bloom
等
利用
fMRI
确定在大脑中可卡因、尼古丁和大麻的
作用位置
[21]
。他们的研究表明在大脑的某些
区域如伏隔核、杏仁核、额叶和
cingulate
中，尼古丁
会产生一种与剂量相关的
fMRI
信号的增加。
Elliot
等，在
由
NID
A
（美国国家药物滥用研究所，
Natoinal
Institute of Drug Abuse
）资助的研
究项目（可卡因和尼古丁作用于人脑的神经解剖学基础研究）中，利用
fMRI
技
术确定可卡因和尼古丁对人脑作用的神经解剖位置。
< br>
行为心理学家在药物滥用的研究中，
过于强调奖赏和强
化机制的作用，
忽略
了强化过程的信息加工和表现方面
[22]
。近年来，
fMRI
< br>研究开始集中在一些特
定的亚皮层和边缘系统（
para
limbic
）
，这些亚皮层和对位边缘系统涉及到与潜在
的奖赏有关的信息加工，其区域包括：杏仁核、脑岛、伏隔核等。当戒断后的药
物滥用患者看到吸毒场景或吸毒工具以及其往日的吸毒同伴时，
往往会使其回
忆
起吸毒时的欣快感，
从而产生强烈的觅药行为，
这也是复吸率居高不下的主要原
因。
这种由与吸毒有
关的场景刺激引起的患者觅药行为，
是否是由神经解剖的特
异性
（
specificity
）造成的，
Hugh
等
[23]
回答了这个问题。
在对吸毒组和对照组
实施不同刺激
（让他们观看三个不同的录象
片段：
①吸毒者吸食可卡因；
②户外
自
然场景；③有关性的场面）的情况下，利用
fMRI
进行功能成
像，结果发现由
与吸毒有关的场景刺激引起的患者觅药行为与独特的神经解剖环路无关，
这种吸
毒行为与患者的学习能力有关。
由于药物成瘾是由不同的神经生物学、
行为和环境等诸多因素相
互作用造成的一
种重大脑疾病，
目前，
还没有一种药物或行为治疗方法能够解决药物成瘾的问题。
然而，
脑功能成像技术已经使我们离解决这一问题越来越近。
目前，
国内还未见
到有关利用
fMRI
研究药
物滥用的报道。
（三）
fMRI
在脑功能研究中的应用
脑科学研究最具
挑战性的研究课题之一是对人脑工作机制即人脑高级功能
的研究，这些功能主要包括：视
觉、听觉、认知（语言、记忆）和运动功能等。
了解人脑的高级功能可以为人类认识脑、
保护脑、
开发脑和利用脑，
为许多重大
脑疾病（如老年痴呆、帕金森综合征和药物依赖等）的诊断、治疗以及病理学、
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