FMRI的进展以及应用

功能磁共振成像的进展以及应用字数：3198来源：健康必读·中旬刊2012年3期字体：大中小打印当页正文摘要：功能磁共振（fMRI) 技术因具有无创伤性、无放射性、较高的时间和空间分辨率等优点。

近年来，基于静息态功能磁共振(resting - state fMRI) 技术对癫痫、老年痴呆症、精神分裂症以及抑郁症等疾病的研究是热点。

本文综述了静息态fMRI 成像的基本原理及其在临床疾病研究应用。

关键词：静息态；功能磁共振；磁共振成像【中图分类号】R256.12【文献标识码】A【文章编号】1672-3783(2012)03-0020-0220世纪90年代初发展起来的血氧水平依赖的功能磁共振成像(blood oxygenation level- dependent functional MRI,BOLD-fMRI)技术具有无创伤性、无放射性、较高的时间和空间分辨率及可多次重复操作等优点，已成为现今进行脑科学和生命科学研究的重要工具。

1 简介人类大脑重量占体重的近2%，在清醒的静息态下，脑接受心输出量的11%，但却占全身总耗氧量的20%[1]。

Ogawa S等人[2]于1992 年在活体上证明用MRI可以测量血中氧含量，即是将核磁共振物理学和脑生理学的结合，产生了BOLD信号。

fMRI (functional magnetic resonance imaging, fMRI)技术是将传统共振成像的高分辨率解剖成像能力与核示踪的血流动态的特异性相结合，将人脑的功能像精确地投影到解剖图像上，从而成为研究大脑认识思维活动的检测技术。

FMRI应用于人脑功能的研究，主要方法分为两种：一种是事件相关功能性磁共振(event-related fMRI)，即为利用各种刺激诱导局部脑组织BOLD信号发生变化，间接反映神经元的活动；另一种为最常用的方法是静息态fMRI (resting- state fMRI)，即在没有明确的输入或输出因素状态下，大脑内部发生的BOLD 信号的自发调节。

静息态指的是受试者闭眼、放松、静止不动，并避免任何有结构的思维活动的状态。

与基于任务的fMRI比较，它的临床应用简单，可操作性好，无需实验设计及被试训练等。

1995年Biswal等[3]第一次证实了静息状态下BOLD信号具有低频波动(low frequency fluctuations, LFFs, f<0.1 Hz)特性,并且发现双侧感觉运动皮层的自发BOLD信号存在较强的同步性。

一般认为静息状态fMRI的LFF的机理是由于神经元的自发活动引起的[4]。

Raiehle等[5]用PET研究大脑血流和血氧情况发现扣带回后部(PCC)、楔前叶(Precuneus)、前额叶中分(medial prefrontal cortex，MPFC)等脑区构成一个网络系统，这些脑区在静息状态下比在绝大多数任务状态下有更强的激活，因此推测在静息状态下，大脑存在着一个自组织的默认脑网络，提出了默认网络(defaut mode network，DMN)的概念，并推测该网络可能与人脑的意识、记忆等高级功能有密切的关系。

2 静息态fMRI 的原理功能磁共振最初的假设是局部的神经活动与血液动力学改变有关，所以局部BOLD信号的改变可以反映神经活动的变化[6]。

静息态fMRI 的原理：血液动力学反应与大脑的神经活动之间存在密切联系，神经元兴奋时会引起脑血流量和耗氧量的增加，但耗氧量增加幅度较低，其综合效应是局部血液的氧含量增加，即去氧血红蛋白含量相对减低，后者是顺磁性物质，它的含量降低引起T2 加权像(T2WI) 信号增强，即神经元兴奋能引起局部T2 加权像(T2WI) 信号增强，反之，T2加权像(T2WI) 信号也能反映局部神经元活动。

这就是BOLD 效应的基本原理和生理基础。

3 fMRI的优点以及应用静息态fMRI 具有其自身独特的优点：（1）成本较PET、SPECT低，依靠内源性物质变化进行成像，无创、无示踪剂和电离辐射损害；（2）EPI图像采集速度快，有很好的时间分辨率；（3）空间分辨率佳；（4）可对同一个体的某个脑功能活动进行重复研究，提供更准确的功能图像信息；（5）静息态fMRI的临床应用简单，与基于任务的fMRI比较，无需实验设计及被试训练等，可操作性好。

静息态fMRI的主要临床应用如下：（1）癫痫(Epilepsy)：癫痫是以脑部神经元过度放电所致的突然、反复和短暂的中枢神经系统功能失常为特征的神经系统慢性疾病。

在癫痫发作间期，致痫灶及其周围脑组织有癫痫样放电，该种放电会带来功能的变化，从而伴随血氧水平的改变，这就为静息态fMRI的应用提供了条件。

Gotman等[7]在癫痫病人的研究中提示，丘脑皮层的激活及默认脑功能活动的暂停可能共同引起了尖波放电期间病人的反应降低。

Laufs H等[8]发现发作间期颞叶癫痫病人静息状态时DMN 脑区的活动均有减弱。

08年Lui[9]等研究发现部分性发作癫痫患者默认网络与正常人无显著差异，全面性发作癫痫患者双侧楔前叶/PCC区域缺少自发低频振幅，说明上述脑区功能异常。

2009年Cheng等[10]研究原发全面性癫痫患者，认为癫痫患者长期反复的全脑放电可能导致默认网络的损害，并验证了有严重意识障碍的情况下大脑默认网络均受到严重影响的理论，结果提示局部大脑BOLD信号同步性变化有利于我们对癫痫灶的定位，可以有效地用于癫痫临床和基础研究。

2010年Zheng等[11]利用联合脑电功能磁共振（EEG-fMRI）方法研究颞叶癫痫患者发现丘脑、脑干及部分皮层区域有明显的时间相关性，提示上述脑区为癫痫网络。

Vulliemoz等[12]通过颅内电极脑电图联合fMRI （icEEG-fMRI）的方法研究发现默认网络参与了颞叶癫痫的活动。

（2）抑郁症(Depression)：抑郁症是一种具有持续的情绪低落等多种临床表现的精神障碍。

有研究表明静息态下抑郁症患者存在默认状态网络的异常[13]，利用静息态fMRI可进一步观察抑郁症默认状态网络，将有助于对抑郁症发生机制的理解。

Yao等[14]研究抑郁症患者默认状态网络内脑区的功能连接强度，结果提示了静息态下抑郁症默认网络的连接效能降低、协调性紊乱。

Yao等[15]应用ReHo方法对22名抑郁症患者进行研究发现抑郁症患者的焦虑、认知障碍、迟缓、睡眠障碍及绝望感症状可能是部分特定的脑自发活动一致性异常的表现。

Peng等[16]在2010年发现抑郁症患者左侧丘脑在基础状态下自发神经活动一致性减低，脑区内神经活动协调一致性功能异常，可能与脑区内神经元受损及其能量代谢相关的线粒体功能异常相关。

（3）阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease)：AD是一种进行性发展的致死性神经退行性疾病，临床表现为认知和记忆功能不断恶化，日常生活能力进行性减退，并有各种神经精神症状和行为障碍。

Nestor等[17]总结了AD患者后扣带回、顶叶、颞叶以及前额叶皮质低代谢以及低灌注。

Greicius 等[18]于2004 年采用了简单的感觉运动处理任务，结果提示阿尔茨海默病患者相对于对照DMN的激活降低，特别是在PCC和海马。

同年利用独立成分分析发现后扣带回与海马、前额叶中线区等发生连通性减弱[19]。

有研究发现海马是AD病变最早影响的脑区。

Wang 等[20]研究发现AD病变影响海马与默认网络之间的功能连接。

Damoiseaux 等[21]报道老年人DMN 脑区的BOLD 信号降低，并验证了老年人DMN 信号强度与年龄和认知能力下降呈负相关。

（4）精神分裂症(Schizophrenia)：精神分裂症为一种功能性精神病，是一种是以基本个性，思维、情感、行为的分裂，精神活动与环境的不协调为主要特征的一类最常见的精神疾病。

2006年Liu等[22]应用ReHo方法研究发现静息状态精神分裂症患者异常脑区主要分布在额叶、颞叶、右顶叶以及枕叶。

2007 年Bluhm RL 等[23]发现精神分裂症患者后扣带回、侧顶叶、内侧额叶及小脑等脑区之间的自发缓慢波动的相关性明显减低。

Zhou等[24]研究显示精神分裂症患者双侧海马至一些脑区的功能连接减少。

He 等[25]发现精神分裂症患者脑桥有功能异常。

Zhou 等[26]对早发性精神分裂症患者的功能连接分析中亦发现额叶皮层与扣带回功能连接异常。

4 小结与展望FMRI对于研究静息状态下人脑自发活动以及各脑区之间的功能联系具有重要意义。

fMRI 研究是近几年脑功能成像研究的热点，作为发展迅速、应用前景最为广阔的脑功能成像技术，fMRI已经在脑科学、临床等领域的应用中获得了巨大成功，取得了很多突破性的研究成果。

但使之广泛应用于临床，还需进行探索性临床前研究。

目前，fMRI发展趋势是：fMRI与PET联合应用，更准确地测定脑组织的基础血流，使其信号更客观地反应生理变化。

fMRI与具有时间特性的脑电检测手段(EEG、MEG) 相结合，就能解决磁共振信号滞后于神经或生理响应而不能实时反应人脑活动的问题。

随着深入的研究，我们坚信fMRI 必将会再探索人类认知与思维活动，诊治脑部疾病等方面发挥越来越大的作用。

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