功能磁共振成像

第四节 脑功能成像技术1

语言神经认知机制研究是语言科学研究的重要内容，它主要研究语言与大脑的关系，简单的说就是研究语言在人脑中的理解与产生的过程。但是人脑被一层厚厚的颅骨所包围，因此仅凭肉眼无法判断大脑处理语言时的情况。认知语言学通过语言理论的假设来构建语言认知模型，心理语言学则通过行为学方法，通过测试量表来研究具体语言结构的反应时间和正确率。但是，这两种研究方向都不能直接观察大脑实时处理语言的情况。随着科学技术的发展，新的语言科学研究技术已经被广泛用于语言研究中，其中PET和fMRI尤其是fMRI技术又是神经认知科学研究被最广泛应用的一种新的技术手段。

一 脑功能成像技术简介

PET（Positron Emission Tomography,PET）即正电子发射断层扫描技术，其基本原理是：刺激作用于大脑会产生血流变化，利用血液中注射的放射性示踪物质来和脑活动的某些脑区进行对比，从而确定刺激任务与特定脑区之间的关系。fMRI是functional Magnetic Resonance

Imaging的简称，中文名称为功能性磁共振成像。其实质就是在磁共振成像的基础上获取大脑活动的功能图像，以获取被试对所给语言、图形、声音等刺激材料进行加工时产生的fMRI信号并加以分析，以确定这些刺激材料与对应脑区的关系，从而分析其脑机制。赵喜平（2000）认为所谓的fMRI就是利用MRI对组织磁化高度敏感的特点来研究人脑功能，特别是大脑各功能区划分或定位的无创伤性检测技术。由于PET技术在技术要求以及资金需求方面的原因，用于认知任务的研究越来越少，现在主要的脑成像技术就是fMRI,因此这里主要介绍fMRI技术以及实验数据的处理和对实验数据的解读。

1.1 fMRI的发展及其原理

MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）产生于上个世纪70年代。1970年，美国纽约州立大学的Raymond Damadian发现正常组织的NMR（Nuclear Magnetic Resonance）信号与病变组织的信号明显不同。这以后Paul Lauterbur、Peter Mansfield 和Graunell发展了各种成像方法。1976年 Mansfield得到了第一幅人体断层像，1977年世界上第一台名为indomitable的全身磁共振成像装置诞生，1978年的图像质量已经接近CT，1980年磁共振成像设备用于商业用途，这之后，磁共振成像技术开始进入一个飞速发展的时期。美国Technicare公司、GE公司、

磁共振成像名词解释

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种无创性的医学成像技术，利用具有特定磁性的核磁共振信号来获得人体内部的高分辨率图像，从而对人体组织的结构、功能、代谢和血流等进行评估。磁共振成像不需要使用X射线或其他有害辐射，因此相对安全。

磁共振成像的原理基于核磁共振现象，它是一种原子核在外磁场作用下发生共振吸收和放射的现象。在MRI中，通过在患者身上施加一个大强度又稳定的强磁场，然后行来回震荡的电磁波，使人体内的原子核从低能级跃迁到高能级。当电磁波停止时，原子核会回到基态并释放出能量。这些能量便是核磁共振信号，通过捕获和分析这些信号，可以生成详细的图像。

磁共振成像可以对全身各个部位进行检查，如头部、胸部、腹部、盆腔等，对脑部、颈椎、胸部、腰椎、肝脏、肺部、骨骼、关节等疾病具有很高的分辨率，能够提供更多的相关信息，有利于临床医生进行确诊和治疗方案的制定。

磁共振成像的优势在于：首先，不使用X射线或其他有害辐射，相比传统的CT扫描和放射线成像技术更加安全。其次，因为利用了核磁共振的原理，可以更准确地观察到组织的水分分布、灌注情况，对肿瘤、炎症、神经系统、血管系统、骨骼系统等疾病具有非常高的敏感性。此外，磁共振成像还可以提供结构、功能和代谢信息，对于研究人体生理和疾病的机制也有着重要的意义。

然而，磁共振成像并非完美无缺的技术，其局限性主要包括：第一，成像时间较长，对患者的耐心要求较高。第二，成本较高，设备维护和使用成本较高。第三，某些人群存在磁共振成像的禁忌症，如携带金属植入物、心脏起搏器等，对这些人群的检查需要慎重考虑。

总的来说，磁共振成像是一种重要的医学成像技术，能够提供高分辨率和多方面的信息，对于诊断和治疗疾病具有重要的价值。随着技术的不断进步和应用的推广，磁共振成像有望在临床医学中扮演更加重要的角色。

血氧水平依赖功能磁共振成像的基本原理及方法学应用

血氧水平依赖功能磁共振成像（BOLD-fMRI）是一种广泛应用于神经科学、

心理学和医学领域的非侵入性成像技术。它基于神经活动引起的脑部血氧水平变化，

通过成像方法来检测大脑区域的功能活动。BOLD-fMRI的原理是基于磁共振信号

的T2*加权成像，通过监测血红蛋白中的铁离子氧合水平的变化来探测神经活动。

当神经活动增加时，血液流量也会相应地增加，导致局部血氧水平的上升，这样就

能够通过BOLD-fMRI成像来检测到这一神经活动的变化。

BOLD-fMRI技术的应用涉及多个方面，包括认知神经科学、精神疾病、脑部

肿瘤等。在认知神经科学领域中，BOLD-fMRI常用于探究注意、记忆、学习等高

级认知过程在大脑中的表现。在精神疾病领域中，BOLD-fMRI被广泛应用于研究

抑郁症、焦虑症、精神分裂症等疾病的神经机制。在脑部肿瘤领域中，BOLD-

fMRI被用于定位肿瘤周围的功能性脑区，以减少手术风险。

BOLD-fMRI的方法学应用方面也非常丰富。其中，任务激活范式是一种常见

的应用方法。该方法通过要求被试在进行特定任务时记录BOLD-fMRI图像，从而

确定与该任务相关的脑区域。静息态网络连接是另一种常见的方法学应用。该方法

通过对静息态时大脑各个区域之间的相互连接进行分析，研究不同疾病状态下大脑

连接的变化。除此之外，还有基于独立成分分析（ICA）的方法，可以将大脑BOLD-fMRI信号分解为多个独立的成分，从而更好地研究大脑的功能活动。

功能性磁共振的名词解释

功能性磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）是一种先进的神经影像技术，用于研究大脑活动和功能连接的一种非侵入性方法。它结合了核磁共振成像和脑功能活动的测量，可以在非手术的情况下揭示大脑特定区域的功能。

传统的磁共振成像（MRI）是一种基于细胞和组织的结构进行成像的技术，它可以提供大脑的解剖结构信息。而fMRI则是基于大脑区域的代谢和血流变化来揭示大脑的功能活动。这一技术的诞生解决了传统MRI无法显示的大脑功能问题。

fMRI的基本原理是血液中的铁离子氧合状态的变化。当大脑区域活跃时，血液流量会增加，氧气供应也相应增加。由于血红蛋白的氧合状态和磁场的改变而改变，从而影响到fMRI图像的信号。通过捕捉这些细微的信号变化，便可以定位和识别活跃的大脑区域。

fMRI技术不仅可以测量大脑的功能活动，还可以观察不同脑区之间的连接方式，即功能连接。通过将被试者处于静息状态或执行特定任务时的fMRI图像进行比较分析，可以揭示出大脑内部各个区域之间的连接情况，也即是大脑网络的结构与功能。

广泛应用于神经科学研究和临床实践中的fMRI技术，为研究者和医生提供了可视化大脑功能活动的窗口。它不仅可以帮助我们理解大脑是如何工作的，还可以发现不同脑区功能之间的相互作用，进而解读人类的感知、认知和行为活动。

在神经科学研究领域，fMRI的应用广泛且多样。例如，通过使用fMRI，研究者可以观察特定任务对应激活的大脑区域，例如语言、记忆、运动等。同时，它也可以帮助研究者了解精神疾病或神经系统异常导致的功能异常。通过与正常人群的对比，可以发现大脑活动的异常模式，辅助诊断和治疗。

除了在研究领域的应用之外，fMRI也在临床实践中得到了广泛应用。医生可以通过fMRI技术对神经系统疾病进行诊断和治疗策略的制定。例如，对于癫痫病人，fMRI可以帮助定位病灶所在，为手术治疗提供重要信息。此外，fMRI还被用于帮助康复训练，例如中风后恢复语言功能的康复训练。