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核磁共振脑功能成像BOLD信号的特征及其神经电生理机制

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摘要 基 于脑血 氧 水平 依赖 （ＢｏＬＤ）对 比的 ｆＭＲＩ技术 作 为脑 功 能成像 的主 要 方法 已广 泛 用 于 脑 的生理 、病理 及 人 的心理 活 动 等 研 究 领 域 ，成 为 研 究脑 功 能活 动 的 一种 重 要 的无 损 伤 探 测 手 段． 目前对 ＢＯＬＤ信 号 的特征 及 其神 经 电生理机 制 的研 究 受到 广 泛 的 重视 ，研 究结 果 也 非 常 丰 富 ，但 还 有很 多问题 尚未解 决． 同时 ，由于 ＢＯＬＤ信 号 是 对神 经 活 动 的 间接 测 量 ，要 准 确 推 演神 经 活 动 信 息 需要对 该信 号 的机制 有较 为全 面及 深 入 的理 解． 文 中就 ＢＯＬＤ 信 号 的特征 、对 外部 刺 激 的非 线性 响应 问题和 ＢＯＬＤ信 号 与神 经 电生理 活 动 的关 系 等作 简 要 评述 ． 对 非 线性 响 应 问题 提 出 了新 的观 点 ，并对今 后 的研 究做 了展 望．
关 键词 核磁共振脑功能成像 血氧水平依赖性 非线性响应 神经电生理活动
基 于 脑 血 氧 水 平 依 赖 （ＢＯＬＤ）的 对 比 方 法 是 Ｏｇａｗａ等［１ 在 １９９０年 建立 的 ，它 是 用 于 研 究 体 脑 功 能 的核磁 共振 成像 （ｆＭＲＩ）方法 ． 十 多年 来 ＢＯＬＤ 对 比 ｆＭＲＩ作 为脑 功 能 成像 的 主要 方 法 已广 泛 用 于 脑 的生理 、病 理 及 人 的心 理 活 动 等 研 究 领 域［２ ］， 成 为研 究 脑 功 能 活 动 的一 种 重 要 的 无 损 伤 探 测 手 段 ． 正是 由于 它 的这 种 重 要 性 ，ＢＯＬＤ 的机 制及 与 脑 神经 活 动 的关 系一 直 是 国际 上 十分 活跃 的研 究领 域 ，尤其 是在 实验 研 究 方 面．许 多 实 验研 究 探 索外 部刺 激 （如视 觉刺 激 、 听觉 刺激 及 手 指 运 动等 ）引起 的 ＢＯＬＤ 响应 时 空 特 性 ，并 建 立 两 者 间 的 相 互 关 系． 还有 研究 同时测量 了 实验 动 物 的 ＢＯＬＤ信 号 和 神经 电生 理 信 号 ，或 者 比较 两 类 不 同 实 验 的 结 果 ， 试 图建立 ＢＯＬＤ信 号 和神 经 电生理 信 号 的关 系 ．但 由于 这些研 究 所用 的实 验条 件 不 尽 相 同 ，所 得 的结 论并 不完 全一 致．本 文 将 就 ＢＯＬＤ信 号 的 特征 、它 对外 部刺 激 的非线性 响应 和 ＢＯＬＤ信 号 与神 经 电生 理 活动 的关 系等作 简 要 评 述 ，同 时对 非 线 性 响 应 问
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自皿科荸越展 第１ ７卷 第１期 ２００７年１月
核 磁 共 振 脑 功 能 成 像 ＢＯＬＤ信 号 的特 征 及 其 神 经 电 生理 机 制 ＊
吴义 根 卜 赵 小 虎 郭 胜 利
１． 南 京 信 息 工 程 大 学 物 理 系 ，南 京 ２１００４４；２．同济 大学 附属 同济 医 院放 射 科 ，上 海 ２０００６５
题给 出我 们 的解 释 ，并 对今 后 的研究 作 出展望 ．
１ ＢＯＬＤ信 号 特 征
众所 周 知 ，ＢｏＬＩ）－ｆＭＲＩ通 过 探 测 与 神 经 活 动 耦合 的血 流动 力学 变化 来 间 接 反 映神 经 活 动 ，这 里 首先 需要 弄 清 楚 什 么是 ＢＯＬＤ 信 号 的 本 质． ＢＯＬＤ 信号 ，是 指血 氧水 平 依 赖性 的增 强 效应 所 引起 的信 号Ｌ１］． 当刺激 开始 时 ，神经 电 活动 增 加 ，必 然 加 大 氧 消耗 ，导 致 脱 氧 血 红 蛋 白 （ｄＨｂ）含 量 的 增 加． ｄＨｂ是顺 磁 性 物 质 ，其 直 接 作 用 是 使 氢 质 子 （ＭＲＩ 主要 探测 的是 来 自氢 质 子 的信 号 ）周 围 的 磁 环 境 稳 定性 破 坏 ，使 Ｔ 衰 减 时 问 缩 短［５ｌ６］，ＭＲ 信 号 减 低 ，所 以 刺 激 起 始 阶 段 可 以 看 到 负 的 ＢＯＬＤ 信 号Ｌ７ ］，只是 这 种 负 信 号 相 对 较 弱 ，在 更 高 磁 场 下 才 能探测 到 ．但 当 刺激 开 始 后 ，为 了补偿 氧 消耗 需 要增 大血 流 ，而 这种 血 流 的增 加是 过 度 的 ，使 得 微 血 管及 组 织 中 血 氧 的 供 应 大 于 组 织 对 氧 的代 谢 需 求Ｌ９ ． 氧过剩 （相对 于 需 求 ）的结 果 是 血 液 的 ｄＨｂ
２００６—０５—１１收 稿 ，２００６－０７－０３收修 改稿 ＊ 国家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（批 准 号 ；３０４００１０３和 ３０５７０５３８） ＊＊ Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｕｙｇ｛￣ｎｕｉｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
维普资，展 第１ ７卷 第１期 ２００７年１月
ｍＥＦＰ主要 是突 触 电位 （树 突 活 动 ）和 邻 近 数 百 个 神 经 元的 动作 电位 的总 和口 引，因而 ｍＥＦＰ电位 可分 成 两部 分 ：树 突 活 动 或 峰 电 位［１ ． 用 高 通 滤 波 （截 止频 率 为 ３Ｏ０— ４Ｏ０ Ｈｚ）测 量 的 是 单 单 元 动 作 电 位 （ＳＵＡ，单 个 电极 的 情 况 下 ）或 多 单 元 动 作 电位
含 量相 对减 少 ，氧合 血 红 蛋 白含量 相 对 增 多． 氧 合 血红 蛋 白是抗 磁性 物质 ，它 对 Ｔ 时间 的影 响甚微 ． 氧过 剩所 导致 的 ｄＨｂ相对 含量 减少 时 ，磁环 境 的稳 定性 较好 ，Ｅ 衰 减 时 间相 对 延 长 ， ＭＲ 可 探 测 到 高信 号． 由于这种 信 号 的 变化 是 血 流 导 致 的 ，相 对

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功能性脑成像技术的研究进展

功能性脑成像技术的研究进展

功能性脑成像技术的研究进展功能性脑成像技术，也被称为神经影像学技术，是一种能够直接测量大脑神经活动的方法。

该技术主要包括以下几种：功能性磁共振成像（fMRI）、正电子发射断层扫描（PET）、脑电图（EEG）和磁脑电图（MEG）。

这些技术的兴起，使得人们能够非侵入性地及时观察到人脑的活动，从而解读人脑的行为和思维机制。

本文将介绍这方面的研究进展。

一、功能性磁共振成像技术功能性磁共振成像技术主要是基于血氧水平依赖性信号（BOLD）。

该技术通过扫描大脑，观察到局部血流量和质量的变化，从而测量脑细胞的活动情况。

目前，该技术被广泛用于各种神经认知研究中，如学习、记忆和情绪等。

近年来，科学家们致力于将fMRI技术引入临床实践。

对于脑卒中和癫痫等神经类疾病的早期诊断和病因分析，fMRI已经显示出了潜在的优势。

此外，功能性脑成像技术在疼痛治疗、神经科学基础研究以及文化心理学、社会心理学等领域的应用也逐渐受到人们的关注。

二、正电子发射断层扫描技术和fMRI不同，PET技术主要利用放射性核素的比放射性来测量活动组织和器官的新陈代谢率。

PET技术可以为科学家们提供非常高精度的脑部图像数据，而这些图像数据对于研究人类认知功能，如视觉、听觉和语言等，都非常重要。

在医疗领域，PET技术早已被应用于医学影像和疾病研究中，如癌症、糖尿病、心脏病等。

在神经科学领域，PET技术同样具有广泛的应用前景，已经被应用于许多研究，例如探究脑部皮层和下丘脑的功能区和脑区的远距离的相互调节等。

三、脑电图和磁脑电图技术脑电图和磁脑电图技术可以通过记录人脑神经元的电磁活动，以实时显示人脑活动。

这些技术可以用在很多领域，包括神经科学研究、神经逆生物学研究、睡眠研究、神经反馈和神经疾病治疗等。

脑电图与磁脑电图通常被应用在神经生物反馈疗法中，例如，该疗法利用脑电图活动的反馈，用于改进大脑在情感、认知和行为方面的功能。

此外，在社交、网络和安全领域等方面，脑电图与磁脑图技术也被广泛使用，以促进人们的沟通和交流。

大脑白质bold功能连接的神经电生理与结构基础

大脑白质bold功能连接的神经电生理与结构基础

大脑白质bold功能连接的神经电生理与结构基础标题：深度解析大脑白质bold功能连接的神经电生理与结构基础在神经科学领域中，大脑白质bold（Blood Oxygenation Level Dependent）功能连接是一个备受关注的研究课题。

它揭示了大脑内部神经元之间的活跃性和相互作用，为我们理解认知功能提供了重要线索。

本文将对大脑白质bold功能连接的神经电生理与结构基础进行深入探讨，逐步解析其重要性和神秘之处。

一、神经电生理基础在大脑白质bold功能连接的研究中，神经电生理是一个至关重要的基础。

神经元之间的信息传递依赖于电生理信号的产生和传播。

脑内的神经元通过细胞膜上的离子通道以及突触间的化学传导，形成了复杂的电活动网络。

这些电活动网络在大脑白质bold功能连接的形成和维持过程中扮演着至关重要的角色。

研究神经电生理对于理解大脑白质bold功能连接至关重要。

具体来说，通过脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）技术，我们可以观察到大脑不同区域之间的神经电活动和功能连接。

这些技术为我们提供了窥视大脑网络活动的窗口，揭示了大脑白质bold功能连接的神经电生理基础。

该基础为我们理解大脑认知功能的形成和调节机制提供了重要线索。

二、结构基础除了神经电生理基础外，大脑白质bold功能连接的结构基础也是不容忽视的。

大脑白质是由神经元的轴突和胶质细胞构成的，它们连接了不同脑区，形成了大脑内部的庞大网络。

这些网络对于信息的传递和加工至关重要，是形成大脑白质bold功能连接的结构基础。

在大脑白质bold功能连接的研究中，结构连接的重要性被逐渐凸显出来。

通过拓扑学和强度学的分析方法，我们可以揭示出大脑结构网络的特征和特殊模式，探讨大脑白质bold功能连接的结构基础。

神经影像学技术的发展也为我们提供了更为清晰的大脑结构连接图像，加深了对大脑结构基础的理解。

总结回顾通过对大脑白质bold功能连接的神经电生理与结构基础的深入探讨，我们不仅可以更加深入地理解大脑网络的复杂性和多样性，也可以理解大脑认知功能的形成和调节机制。

BOLD-fMRI脑功能成像

BOLD-fMRI脑功能成像

BOLD-fMRI脑功能成像复旦大学附属肿瘤医院影像中心周良平一、概述大脑是生物体内结构和功能最复杂的组织，是人体接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指令、产生行为的指挥部：是人体内外环境信息获得、存储、处理、加工和整合的中枢。

近年来，随着其他学科和技术的飞速发展，出现了许多新概念、新技术和新方法，使脑科学的研究取得了较大的进展。

当代脑科学的研究有两个显著特点:一是对脑研究由宏观深入到微观，在细胞与分子水平把功能与结构研究结合起来，研究神经元、突触及神经网络的活动规律；二是对脑的研究已经突破了感觉与运动等一般生理功能的控制，而把复杂的、高级的精神意识纳入了科学研究的轨道，探索大脑与行为、大脑与思维的关系。

总之，要在局部深入了解的基础上解决脑的整体功能问题。

脑功能研究方法很多，可以分为⑴测量脑内化合物的方法：目前可用于测量活体人脑化合物的技术主要有三种，包括单光子发射计算机断层显像技术（singlephotoemissioncomputerizedtomography，SPECT）、正电子发射断层成像技术（positronemissiontomography，PET）和磁共振波谱分析技术（magneticresonancespectroscopy，MRS）；⑵测量局部代谢和血氧变化的技术：当神经元活动增加时，局部的血流、氧代谢、糖代谢会产生相应的变化，因此通过测量局部血流和代谢等神经元活动的次级反应可以了解该部位的神经元活动情况，测量神经元活动的次级反应的主要方法包括PET、功能磁共振成像（functionalmagneticresonanceimaging，fMRI）和光学成像技术。

这类技术在认知科学的研究中应用最为广泛。

主要用于功能定位和脑局部反应特征的研究；⑶测量脑内神经元活动的技术：目前直接用于测量人脑神经元活动的技术主要有脑电图，脑磁图（magnetoencephalography，MEG）以及以上述两种技术为基础发展起来的事件相关电位技术（event-relatedpotential，ERP）。

bold 磁共振原理

bold 磁共振原理

bold磁共振原理磁共振成像（fMRI）原理及对比度产生机制fMRI信号来源与灵敏度fMRI仍然以氢质子为信号来源，借助磁共振技术实现对生物组织内部结构和功能活动的成像。

MRI解剖图像对解剖结构的敏感性已广为人知，而fMRI功能图像则更为敏感，能够捕捉神经元活动引起的生理变化。

fMRI的生理学基础脑的血液动力学在fMRI的生理学基础中占据关键地位。

大脑由多个功能区域组成，其血流分布反映了大脑多样性的结构。

研究发现，不同大脑区域的血流量可相差高达18倍。

毛细血管中的血流会根据周围组织的代谢需求而变化，这构成了fMRI信号的生理学基础。

血红蛋白及其磁性血液中的脱氧血红蛋白（dHb）具有顺磁特性，而氧合血红蛋白（HbO2）具有逆磁特性。

这两种血红蛋白在红细胞中的含量不同导致了血流与周围组织的不同磁敏感性。

BOLD效应BOLD（BloodOxygenLevelDependent）效应是fMRI中关键的信号机制。

氧合血红蛋白的逆磁特性不影响信号的弛豫过程，而脱氧血红蛋白的顺磁特性则导致非均匀的磁场，加速质子的散相，使得NMR 信号出现缺失。

在BOLD效应中，神经元活动导致氧的供应超过代谢所需的耗氧量，使氧合血红蛋白的增加量大于脱氧血红蛋白的产生量。

这导致顺磁性物质相对减少，质子的散相减少，T2*延长，最终在图像上表现为信号强度的增加。

血氧水平依赖性BOLD当大脑皮层微血管中的血氧水平发生变化时，局部磁场均匀性变化引起NMR信号强度的变化，称为血氧水平依赖性BOLD效应。

这一效应在fMRI图像中提供了对神经活动的高灵敏度检测。

通过磁共振成像技术，特别是fMRI的应用，我们能够更深入地了解脑功能活动的生理学基础，为神经科学和医学研究提供了强大的工具。