脑功能成像原理和技术

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

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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线断层显像(CT, computerized tomography)和磁共振成像(MRI, magnetic

resonance imaging)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，functional magnetic resonance imaging）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，single photon emission computerized tomography）、正电子发射断层

成像术（PET，positron emission tomography）和磁共振波谱分析技术（MRS，magnetic resonance

spectroscopy）。

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

术，特别是PET，也可以借助注射18F标记的2-脱氧葡萄糖（18F-FDG）和15O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）。

PET的灵敏度非常高，可以检测到10-9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 的医疗单位未配备相应的化学合成方的专门

实验室和技术人员，而只能利用较易制备的氟-18标记的2-脱氧葡萄糖测量葡萄糖代谢，因

此远远没有发挥PET优势。相反，尽管SPECT的功能不如PET，但价格相对较为便宜，普

及率高，在我国临床实践中发挥着重要的作用。

MRS的基本原理是化学位移，不需要注射放射性药物，因此是完全无损性的，但缺点

是目前只能测量脑组织局部的某些小分子化合物。这些小分子包括γ-氨基丁酸（GABA）、

胆碱、乳酸、N-乙酰天冬酸和谷氨酸等。由于质子谱的信号较强，而且质子在各种化合物

中普遍存在，因此目前最常的是质子波谱分析技术（1H MRS），但也可以采用13碳、23钠、19

3氟和31磷。传统的MRS由研究者预先划定一个区域，测量该区域的MR波谱，故称为定域MRS。

现在一些实验至已可以对一个断层甚至全脑进行同时测量并用伪彩色显示测量结果，被称为

磁共振波谱成像（MRSI）。

由于以上化合物在脑内的分布与年龄、性别及不同的行为状态有关，而且在一些病灶部

位有一定的特征性改变，因此MRS可用于研究脑发育的变化规律和脑部疾病的诊断。如已

经有人开始尝试利用MRS作为颅内肿瘤、癫痫、脑血管病、多发性脑硬化等疾病的辅助诊

断。还有人系统观察脑局部兴奋时的MRS信号的变化，若能发展成为一种可靠而实用的研

究手段，则MRS将可能拓展至认知神经科学领域。我国许多医院的磁共振成像系统具有

MRS功能，但似乎尚未达到实用水平。相信只要能够更好地解决一些关键的技术问题，并

加强MRS信号和脑功能之间关系的研究，MRS将会有更好的发展前景。

1．2 测量脑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

脑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神经元活动情况。测量神经元活

动次反应的主要方法有PET、功能磁共振成像（fMRI，functional magnetic resonance imaging）

和光学成像技术（optical imaging）。这类技术在认知神经科学中的应用最为广泛，主要用于

功能定位和脑局部反应特征的研究。

PET利用18F-FDG和15O-H2O等测量局部糖代谢、血流和血氧变化对各种认知活动进行脑

功能定位。在fMRI技术诞生和相对成熟以前，PET 是研究认知过程脑结构基础的最主要的

脑功能成像手段。但由于其时间和空间分别率都不如fMRI，而且费用更为昂贵，操作也较

为复杂，因此正在逐渐被fMRI所取代。但鉴于PET具有极高的化学选择性灵敏度，该技术将

在活体神经化学研究和临床实践中发挥日益重要的作用。PET在我国起步较晚，主要用于临

床诊断和脑神经化学的研究，而在认知神经科学中的应用范围可能不会太广泛。

fMRI是90年代脑研究领域中发展最为迅速的一种非侵入性活体脑功能检测技术，已成

为研究人脑高级活动的重要手段。由于其时间和空间分辨率均优于PET，是目前最为有效、

应用最普遍的脑功能成像技术。在我国迄今尚未装备研究型的MRI 系统，但已经可以利用

医疗单位临床型的MRI设备开展一些认知神经科学研究，近年来已在运动控制、视知觉和

语言加工等方面取得了一些进展。本章后半部分将对该技术的一些实用的技术细节进行较为

详细的介绍。

光学成像也可测量与神经元活动相关联的各种信号。目前大致有两大类光学成像技术。

一类需要注射染料，可以测量动作电位、离子浓度和NADH依赖的局部能量代谢等；另一

4类测量局部氧代谢和血流改变引起的内源性信号。由于基于内源性信号的光学成像（intrinsic

optical imaging）创伤性小，因此更适合于研究认知活动的神经机制。

目前较为成熟的内源性光学成像技术有两种类型。一种采用可见光作为光源，可直接

观察脑组织表面的血液动力学变化，并借此推测神经元活动。该技术的时间和空间分辨率都

很高，可以在功能柱水平研究神经元对刺激的反应，已在动物视觉系统研究中取得重要进展。

其据点是由于可见光穿透性较差，一般只能在开颅条件下才能应用，因此很难用于人脑功能

的研究。另外，该技术只能观察到浅表脑组织的活动，也一定程序上限制了其在认知神经科

学中的应用范围。另一种内源性光学成像技术以近红外作为光源，由于近红外穿透性较好，

无需开颅就可观察脑组织的活动，因此可直接用于人脑的研究。这种技术被称为近红外谱分

析技术（NIRS，near-infrared spectroscopy）。NIRS已开始用于语言和记忆等人脑高级功能的

研究。目前该技术折空间和时间分辨率都不够理想，而且不能记录深部的核团，在认知神经

科学中的应用还不够普遍。但与PET和fMRI相比，NIRS的造价非常低廉，技术支撑背景

优越，相信今后几年会有较大的发展，在认知神经科学研究的作用也会越来越重要。我国已

有一些实验室分别装备了以上两种内源性光学成像系统，并开始应用于动物视觉功能和人类

脑高级功能的研究。

1.3 测量脑内神经元活动的技术

目前最普遍的用于直接测量人脑神经元活动的技术主要有脑电图（EEG，

electroencephalography）、脑磁图（MEG，magnetoencephalography）以及以这两种技术为基

础发展起来的事件相关电位技术（MEG，magnetoencephalography）。狭义的脑功能成像并不

包括这些技术，但由于近年来记录技术（如多导记录）和有关分析（如信号源分析）方法的

改进，它们也提供了一定的空间信息，因此许多人也把这些技术称为脑功能成像技术。

EEG通过置于头皮表面的电极记录大脑皮层不同部位的大群神经元的总体活动，而

MEG利用超灵敏的超导量子干涉器（SQUID，superconducting quantum interference device）

记录脑磁信号的变化，这种变化由脑内电流改变引起。因此，尽管两种技术在工程实现上差

别极大，但测量结果在一定程度上是等价的。

EEG和MEG都可以记录人脑的自发电活动。脑的自发电活动可在一定程序上反映测试

者的脑功能状态，如正常人在清醒和疲倦时可表现出不同的EEG活动形式。此外研究者还

根据自发脑电的特征把睡眠区分为不同的类型。由于脑功能异常可伴随自发脑电的改变，因