磁共振成像：一場無心插柳的杰作

現(xiàn)在不少醫(yī)院都配備有磁共振成像儀，就是那種形狀像個(gè)大圓筒的白色儀器，人往上一躺，送到圓筒中，過幾分鐘就能得到身體相應(yīng)部位的三維結(jié)構(gòu)圖。過去人們耳熟能詳?shù)慕o身體“照相”的技術(shù)是X光片或者CT，這兩者都是借助X光的成像原理，具有放射性。而磁共振只是給人體加上磁場，無傷害性地就看見了人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

要說起來，這確實(shí)是門挺“神”的技術(shù)。X射線能穿透物體，所以能照見“內(nèi)部的東西”，這不難理解，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之后馬上給妻子的手拍了張“骨感”相片。而磁共振所涉及到的科學(xué)原理在上世紀(jì)初成為研究熱點(diǎn)的時(shí)候，人們根本想都沒往醫(yī)學(xué)成像上想，它們是純粹的量子力學(xué)研究，目的是推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。誰也沒料到，這些知識(shí)在世紀(jì)末為醫(yī)學(xué)和心理學(xué)帶來了一項(xiàng)劃時(shí)代的技術(shù)。

量子力學(xué)研究的是微觀粒子中的物理學(xué)，用不專業(yè)的詞兒來說，就是研究中子、質(zhì)子、電子這些小到快沒有了的玩意兒是怎么運(yùn)動(dòng)和相互作用的。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些微觀粒子都具有一種叫做“自旋”的性質(zhì)，就好像它們永遠(yuǎn)在繞著自身旋轉(zhuǎn)，像地球自轉(zhuǎn)一樣。其中質(zhì)子是帶正電荷的，而帶電物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場。這個(gè)自旋產(chǎn)生的磁場在遇到別的磁場時(shí)就會(huì)發(fā)生力的作用，作用力會(huì)導(dǎo)致自旋所圍繞的那根軸也開始轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

這個(gè)過程可以和我們玩陀螺時(shí)遇到的現(xiàn)象進(jìn)行類比：當(dāng)鞭子把陀螺抽起來的時(shí)候，陀螺是筆直旋轉(zhuǎn)的，中間那根軸固定在豎直方向上。這時(shí)如果輕輕推一下那根軸，陀螺不會(huì)馬上倒下，而是繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并且中間那根軸也跟著轉(zhuǎn)起來。自旋的質(zhì)子遇到磁場，就像陀螺被推了一下，不同之處在于陀螺最終會(huì)倒下，而只要質(zhì)子周圍的磁場保持不變，質(zhì)子的“軸”就會(huì)圍繞著磁場的方向一直旋轉(zhuǎn)下去。這個(gè)現(xiàn)象在量子物理中有個(gè)專門的名詞，叫做“拉莫爾進(jìn)動(dòng)”。

上世紀(jì)三十年代末，物理學(xué)家們想研究質(zhì)子的“拉莫爾進(jìn)動(dòng)”都有些什么規(guī)律。他們把一些質(zhì)子放進(jìn)一個(gè)均勻的磁場當(dāng)中，不出所料觀察到了進(jìn)動(dòng)的產(chǎn)生。然后他們又對著容器發(fā)射電磁波，結(jié)果電磁波的能量被吸收了；過了一會(huì)兒，這個(gè)能量又從容器中被釋放了出來。他們最后證明電磁波的能量是被進(jìn)動(dòng)著的質(zhì)子給吸收了。根據(jù)量子物理的理論，質(zhì)子吸收能量之后會(huì)發(fā)生躍遷，也就是從一種進(jìn)動(dòng)狀態(tài)變成另一種進(jìn)動(dòng)狀態(tài)。但是高能的狀態(tài)不穩(wěn)定，質(zhì)子過了一段時(shí)間又會(huì)把能量釋放出來，變回原來的狀態(tài)，因此就出現(xiàn)了上述觀測到的現(xiàn)象。

怎么樣，到此為止，全是純粹的物理學(xué)，你看出一點(diǎn)兒可以用來給人體照相的端倪來了嗎？似乎還沒有?？扇鄙俚闹皇顷P(guān)鍵的一句話：氫原子核就是一個(gè)質(zhì)子，水分子中有兩個(gè)氫原子，而人體中不均勻地分布著很多很多水分子。這句話說明，人體中有大量質(zhì)子以不均勻的密度分布著。那么，把人推入一個(gè)大磁場，人體中的氫原子核們——也就是質(zhì)子們——就集體發(fā)生“拉莫爾進(jìn)動(dòng)”。這時(shí)向各個(gè)部位發(fā)射電磁波，由于質(zhì)子的密度不同，它們吸收然后釋放出能量的時(shí)間間隔也就不同。如果我們把發(fā)射電磁波的目標(biāo)部位看做一個(gè)個(gè)像素點(diǎn)，用上述時(shí)間間隔的長短來作為像素的深淺程度，就得到了一幅“質(zhì)子密度圖”。正如黑白照片靠像素的深淺顯現(xiàn)出風(fēng)景，“質(zhì)子密度圖”就靠質(zhì)子密度的高低顯現(xiàn)出人體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

也許你得花點(diǎn)時(shí)間仔細(xì)琢磨琢磨這其中的邏輯，量子力學(xué)就是以這么“詭異”的方式為我們貢獻(xiàn)了當(dāng)代醫(yī)學(xué)影像的前沿技術(shù)。

但詭異的故事還沒完呢。磁共振成像照出的只是人體結(jié)構(gòu)，你也許還聽說過一個(gè)詞叫“功能性磁共振成像”，后者可以讀出人腦的活動(dòng)。說得玄乎點(diǎn)，它能幫助我們窺探意識(shí)的奧秘。它在磁共振成像的基礎(chǔ)上又向前邁進(jìn)了一步，但這一步所借助的知識(shí)，其風(fēng)馬牛不相及的程度比之量子力學(xué)有增無減。

血紅蛋白中有鐵離子，而鐵元素恰好是一種可以被磁化的物質(zhì)。就像被磁鐵磁化的小釘子可以吸引普通釘子，當(dāng)人被推進(jìn)磁場，血液中的鐵離子也被磁化，在鐵離子周圍就形成了一個(gè)局部的新磁場。前邊我們說，人體中的質(zhì)子會(huì)在磁場中進(jìn)動(dòng)，現(xiàn)在我們把血液的影響考慮進(jìn)去。當(dāng)血液流過人體器官的時(shí)候，血液中的鐵離子產(chǎn)生的局部磁場和外界磁場疊加起來，對它附近的質(zhì)子產(chǎn)生影響。這不會(huì)破壞顯現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)的“質(zhì)子密度圖”，因?yàn)槊?xì)血管密布全身，鐵離子的分布是相對均勻的，對質(zhì)子的影響也相對均勻（所以在磁共振成像的原理中不考慮血流也不妨礙理解）。

既然鐵離子的存在對顯現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)沒有影響，那把它考慮進(jìn)來干嘛？答案是測量血液中含氧量的變化。結(jié)合了氧氣的鐵離子是三價(jià)，未結(jié)合的是二價(jià)。價(jià)位不同的鐵離子被磁化后產(chǎn)生的局部磁場不同，對附近質(zhì)子的影響也不同。那么含氧量的變化就可以從質(zhì)子受影響的程度上間接探測出來。

含氧量變化對窺測大腦活動(dòng)特別有用，因?yàn)槟X細(xì)胞活躍的時(shí)候大量耗氧，要靠血液來補(bǔ)給。當(dāng)大腦的某個(gè)部位活躍起來，該處的血液中含氧量先是下降，緊接著就有大量的“新血”補(bǔ)充進(jìn)來，導(dǎo)致總含氧量反而上升。那么通過比對含氧量的變化，我們就能找到大腦活躍的部位在哪里。

磁共振和功能性磁共振分別為醫(yī)學(xué)和心理學(xué)做出了卓越的貢獻(xiàn)。有了無傷害觀察人體結(jié)構(gòu)的方法，醫(yī)生們可以通過磁共振圖譜來定位腫瘤和身體的器質(zhì)性病變；有了無傷害觀察大腦活動(dòng)的方法，心理學(xué)家們終于能把哲學(xué)高度的認(rèn)知理論和腳踏實(shí)地的神經(jīng)科學(xué)結(jié)合起來，邁上為意識(shí)尋找生理機(jī)制的新征程。

這兩個(gè)最好不過的例子告訴我們，沒有無用的知識(shí)，只有還沒派上用場的知識(shí)。人們往往沒有耐心去了解那些看起來很“無聊”的知識(shí)——既然用不上，何必為那些細(xì)枝末節(jié)浪費(fèi)時(shí)間?？伤麄兒雎粤酥R(shí)之間的相互聯(lián)系：一種知識(shí)并不是為了回答某個(gè)單一的問題而存在的。知識(shí)是關(guān)于世間萬物的信息，獲得一種知識(shí)相當(dāng)于多了一個(gè)看世界的角度，從這個(gè)角度看過去，一些原有的認(rèn)識(shí)會(huì)發(fā)生改變，從而又激發(fā)出新的問題和靈感。當(dāng)我們循環(huán)往復(fù)地提問和學(xué)習(xí)，當(dāng)我們知道得足夠多，原來點(diǎn)點(diǎn)滴滴的“廢知識(shí)”就會(huì)互相聯(lián)系起來顯現(xiàn)出意義，顯現(xiàn)出我們眼睛看不見的但卻更接近本質(zhì)的世界。