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    跳躍的腦活動火焰:功能神經(jīng)影像學(xué)發(fā)展史

    2018-01-16 15:40:09張志強
    關(guān)鍵詞:腦區(qū)影像學(xué)神經(jīng)

    張志強

    神經(jīng)影像學(xué)是當前生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)研究中最為廣泛深入的領(lǐng)域,根據(jù)成像模態(tài)可以分為結(jié)構(gòu)性成像和功能成像。前者是以CT、MRI等對中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行成像的技術(shù);后者是對神經(jīng)功能進行描繪的成像技術(shù),與結(jié)構(gòu)性成像相比,不僅可以提供更加豐富的信息,從腦活動局域性質(zhì)到網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)全面描述神經(jīng)功能,而且在臨床應(yīng)用方面可以檢出功能性疾病和精神病病因并評價神經(jīng)功能,彌補結(jié)構(gòu)性成像的不足,還可以廣泛應(yīng)用于認知神經(jīng)科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,成為腦科學(xué)研究的主要工具[1]。

    功能神經(jīng)影像學(xué)涵蓋的成像技術(shù)和指標較結(jié)構(gòu)性影像學(xué)更加豐富,功能神經(jīng)影像學(xué)按照原理可以分為3種類型:一是直接測量神經(jīng)電活動或電磁活動,如腦電圖(EEG)、事件相關(guān)電位(ERP)、視覺誘發(fā)電位(VEP)和腦磁圖(MEG)等;二是通過測量神經(jīng)物質(zhì)代謝以反映腦活動,如PET和磁共振波譜(MRS)等;三是測量間接反映腦活動的血氧代謝,如PET、SPECT、fMRI和生物光學(xué)成像等,尤以第3種技術(shù)的臨床應(yīng)用最為廣泛,即多模態(tài)MRI和核素顯像。核素顯像中PET顯像通過多種示蹤劑對腦組織灌注、葡萄糖和氧代謝、多種神經(jīng)受體活動進行成像;SPECT顯像測量腦組織灌注。與之相比,多模態(tài)MRI具有無創(chuàng)性、簡便、信息更加豐富等優(yōu)點,可以測量腦組織灌注[如動脈自旋標記(ASL)、基于T2的動態(tài)磁敏感對比增強灌注成像(DSC?PMI)、基于 T1的 動 態(tài) 對 比 增 強 MRI(DCE?MRI)]和 代 謝(MRS、氧代謝分數(shù)、氨基質(zhì)子轉(zhuǎn)移和鐵代謝),并通過反映水分子活動進行擴散加權(quán)成像(DWI)。目前,臨床應(yīng)用最廣泛的是血氧水平依賴性功能磁共振成像(BOLD?fMRI)。本文以BOLD?fMRI為主線,介紹功能神經(jīng)影像學(xué)發(fā)展史,歸納功能神經(jīng)影像學(xué)發(fā)展規(guī)律并對未來進行展望。

    一、功能神經(jīng)影像學(xué)發(fā)展史

    盡管對神經(jīng)科學(xué)相關(guān)現(xiàn)象的探索和認識可以追溯至遠古,但現(xiàn)代神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的歷史卻較短暫,甚至晚于現(xiàn)代科學(xué)整體發(fā)展——至19世紀,在其他科技發(fā)展基礎(chǔ)上方出現(xiàn)功能神經(jīng)影像學(xué)的雛形。

    1.神經(jīng)電生理學(xué) 在19世紀40年代德國神經(jīng)科學(xué)家 Emil DuBois?Reymond(1818-1896年)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)電活動現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,德國科學(xué)家Hans Berger(1873-1941年)于20世紀20年代發(fā)明頭皮腦電圖技術(shù),使無創(chuàng)性檢測人腦電活動成為可能。此后,又相繼發(fā)明腦磁圖技術(shù)及基于電刺激和磁刺激的腦刺激系統(tǒng),構(gòu)成現(xiàn)有的神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域龐大的神經(jīng)電生理學(xué)技術(shù)陣容。

    2.腦代謝和腦活動核素顯像 與神經(jīng)電生理學(xué)相比,腦代謝和腦活動測量技術(shù)在早期階段發(fā)展緩慢。該項技術(shù)起源于19世紀60年代法國Broca教授進行的試驗,通過記錄受試者進行語言任務(wù)時頭皮表面溫度變化,進行語言功能區(qū)定位,該方法相當粗糙不準,但以其命名的腦區(qū)——Broca區(qū)一直沿用為語言中樞名稱,并奠定腦代謝和腦活動顯像的基礎(chǔ)。整個20世紀上半葉,腦代謝研究領(lǐng)域僅有數(shù)例基于腦損傷病例的觀察:意大利生理學(xué)家Mosso記錄到顱骨缺損患者進行思維活動時發(fā)生腦血流量(CBF)改變[1];美國醫(yī)師Fulton報告1例枕葉皮質(zhì)(視覺區(qū))動?靜脈畸形患者,睜眼視物時可聞及顱內(nèi)血流聲,推測腦活動可以引起腦血流量增加[1],上述研究為腦代謝和腦活動顯像提供理論基礎(chǔ)。直至20世紀50年代,美國神經(jīng)科學(xué)家Kety團隊將核素顯像引入腦成像,發(fā)明放射自顯像術(shù),方實現(xiàn)在體腦血流量和腦代謝的定量測量[1]。至此,腦代謝和腦活動顯像技術(shù)突飛猛進。1973年,英國電氣工程師Hounsfield發(fā)明CT技術(shù),是現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展史上的里程碑事件。20世紀70年代,CT與核素顯像相結(jié)合,產(chǎn)生PET和SPECT顯像,以實現(xiàn)三維(相對)高空間定位腦活動[1]。PET通過結(jié)合不同放射性示蹤劑進行顯像,可以進行中樞神經(jīng)系統(tǒng)代謝成像、灌注成像和神經(jīng)受體成像等[2?4],目前主要側(cè)重肢體腫瘤性病變的顯像[5],而在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用多已被fMRI替代。

    3.BOLD?fMRI 早在20世紀30年代即已發(fā)現(xiàn)磁共振現(xiàn)象,1946年采用視頻激勵方式成功進行磁共振實驗;在CT和射頻編碼成像基礎(chǔ)上,于1973年出現(xiàn)MRI系統(tǒng),可以測量不同特征的生物組織信號,不僅可以超高分辨力地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)性成像,還可以通過不同序列進行功能成像,即fMRI[1]。MRI是唯一橫跨諾貝爾物理學(xué)獎(1944和1952年)、化學(xué)獎(1991和2002年)、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(2003年)的偉大技術(shù)。廣義的 fMRI包括 BOLD?fMRI、MRS、灌注成像(PWI)、DWI和擴散張量成像(DTI);狹義的fMRI特指BOLD?fMRI。該項技術(shù)于1990年起源于美國Bell實驗室,1990年日本學(xué)者Ogawa等[6]發(fā)現(xiàn),不同二氧化碳(CO2)濃度下大鼠視覺皮質(zhì)MRI信號不同。1992年麻省總醫(yī)院Kwong和Belliveau[7]實現(xiàn)fMRI的人腦測圖(Human Brain Mapping)。同年Ogawa等[8]引入血氧水平依賴性(BOLD)理論,用以解釋其1990年的實驗現(xiàn)象,從而明確fMRI的理論基礎(chǔ)。血氧水平依賴性理論于1986年由華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)和放射學(xué)學(xué)家Raichle教授及其學(xué)生Fox[9]以PET顯像研究為基礎(chǔ)而提出:特定腦區(qū)(如運動中樞、語言中樞)活動(如動手、說話)時,其支配的腦區(qū)腦血流量、耗氧量和葡萄糖代謝率均增加,但增加速度不匹配,導(dǎo)致該腦區(qū)局部信號改變。因此,通過睜眼/閉眼,觀看詞語/睜眼,朗讀詞語/觀看詞語等不同組合可以在體觀察人腦對各種任務(wù)(包括低級運動感覺和高級認知)的反應(yīng)。與PET顯像相比,BOLD?fMRI具有以下優(yōu)勢:時間分辨力為毫秒至秒,可以對腦活動進行包含時間信息的四維成像,此外,fMRI結(jié)合MRI的空間分辨力更高,最主要的是,該項技術(shù)簡便、費用較低、無放射學(xué)損害、可重復(fù)性佳。與神經(jīng)電生理學(xué)依靠的算法重建空間信息相比,BOLD?fMRI可以實現(xiàn)真正的三維數(shù)據(jù)采集,空間信息更準確、更豐富。BOLD?fMRI已經(jīng)引起醫(yī)學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的巨大反響:臨床方面,該項技術(shù)出現(xiàn)后迅速用于重要腦區(qū)的定位,以指導(dǎo)神經(jīng)外科手術(shù)方案的制定,如中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤切除術(shù)、癲外科手術(shù)等[10]。此外,該項技術(shù)還可用于常規(guī)結(jié)構(gòu)性MRI呈陰性腦病如帕金森病、阿爾茨海默病和癲等功能異常性疾病的檢測[11?13];該項技術(shù)尤其促進精神病的研究,可以敏感地檢測出精神分裂癥、抑郁癥、孤獨癥等異常腦活動的影像學(xué)特征[14?16];并由此衍生出精神放射學(xué)的亞學(xué)科雛形。BOLD?fMRI對基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)發(fā)展的推動作用更加顯著:為神經(jīng)生物學(xué)、認知神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)的進步提供前所未有的利器,可以直觀評價神經(jīng)、認知和心理活動的腦反應(yīng)[17];并在此項技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出“腦默認模式(brain default model)”、“腦網(wǎng)絡(luò)”等重要概念[18?19];甚至與社會科學(xué)相結(jié)合拓展出神經(jīng)經(jīng)濟學(xué)和神經(jīng)社會學(xué)等領(lǐng)域[20?21]。此外,基于該項技術(shù)的數(shù)據(jù)處理與分析,也帶動圖像信號處理等工科相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。初期的fMRI研究采用早期PET研究的認知對比任務(wù)刺激腦激活范式、較長時間(數(shù)十秒)連續(xù)任務(wù)刺激范式、不同組塊交替任務(wù)相關(guān)設(shè)計范式。由于fMRI具有較高的時間分辨力,1997 年 Dale和 Buckner[1]提出事件相關(guān)設(shè)計范式,可以更自由、更靈敏地對瞬時(毫秒至秒)任務(wù)刺激引起的腦活動進行評價。任務(wù)相關(guān)設(shè)計范式仍是fMRI研究的基礎(chǔ)技術(shù),可以直接把血氧水平依賴性活動與特定的認知任務(wù)相聯(lián)系。1995年,Biswal等[22]嘗試采用交叉相關(guān)方法對一組無任務(wù)的fMRI數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)靜息態(tài)下以單側(cè)感覺運動區(qū)為興趣區(qū)(ROI),可以描繪出對側(cè)腦區(qū),且其范式與任務(wù)刺激范式結(jié)果相一致。該項研究開創(chuàng)靜息態(tài) fMRI(rs?fMRI)的研究時代。靜息態(tài)fMRI簡便,無需專門刺激設(shè)備,也無需受試者執(zhí)行任務(wù),便于臨床應(yīng)用;分析方法豐富,多種數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析技術(shù)層出不窮,評價指標豐富,如相關(guān)分析、偏相關(guān)分析和獨立成分分析用以反映無向功能連接[23],Granger因果分析的有向功能連接[24],低頻振幅(ALFF)和局域一致性(ReHo)用以反映腦活動局域性質(zhì)[25?26]。靜息態(tài) fMRI使臨床醫(yī)師重新認識靜息態(tài)腦活動的生理學(xué)機制、意義和應(yīng)用價值。目前認為,fMRI測量的靜息態(tài)腦活動是自發(fā)性低頻振蕩活動,可以反映各腦區(qū)間長距離的活動協(xié)調(diào),是進行功能連接網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的物理學(xué)基礎(chǔ);從生理學(xué)角度反映腦生理活動消耗的“暗能量”;是腦默認模式理論的基礎(chǔ),即內(nèi)在腦活動與外在注意力參與的任務(wù)執(zhí)行活動呈互相拮抗關(guān)系;腦默認網(wǎng)絡(luò)(DMN)內(nèi)部在功能連接上呈正相關(guān),而與外在注意力參與的任務(wù)腦區(qū)呈負相關(guān)[18]。進一步研究顯示,靜息態(tài)腦活動至少可以分為7個內(nèi)部保持正相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(感覺?運動、聽覺、視覺、中央執(zhí)行、核心、注意力、腦默認網(wǎng)絡(luò)),而不同腦網(wǎng)絡(luò)之間存在不同的相位差,甚至同一腦網(wǎng)絡(luò)(如腦默認網(wǎng)絡(luò))內(nèi)也因相位差而分為不同亞網(wǎng)絡(luò)[19]。此后,腦網(wǎng)絡(luò)和功能連接研究逐漸發(fā)展成為重要的腦科學(xué)分支,將圖論分析等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)引入腦成像形成連接組學(xué)(connectome),從而有更豐富的網(wǎng)絡(luò)指標反映各腦區(qū)之間連接的性質(zhì),如局部性質(zhì)(如節(jié)點度、中介度等)和全局性質(zhì)(如小世界性質(zhì))。近年來,模塊研究的發(fā)展和“富人俱樂部(rich?club)”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),進一步推動腦網(wǎng)絡(luò)研究的深入[27]。

    三、功能神經(jīng)影像學(xué)發(fā)展特點及方向

    1.發(fā)展特點 功能神經(jīng)影像學(xué)的發(fā)展得益于多學(xué)科的共同進步,主要包括:(1)以科學(xué)和臨床問題為導(dǎo)向的應(yīng)用學(xué)科,如基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)、認知心理學(xué)、臨床神經(jīng)病學(xué)、精神病學(xué)和放射學(xué)等。(2)有技術(shù)支撐的學(xué)科,如信息學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)等,主要是方法學(xué)的進步。因此,功能神經(jīng)影像學(xué)在模式上也體現(xiàn)出多學(xué)科交叉的特點。不僅在各相關(guān)學(xué)科開展積極的功能神經(jīng)影像學(xué)工作,而且出現(xiàn)專業(yè)的神經(jīng)影像學(xué)學(xué)科,如人腦測圖組織(Organization for Human Brain Mapping)等。功能神經(jīng)影像學(xué)對當前的腦科學(xué)(中國腦計劃“一體兩翼”模式)研究意義重大[28],一方面,功能神經(jīng)影像學(xué)為腦科學(xué)研究提供有力的檢測工具;另一方面,功能神經(jīng)影像學(xué)是腦科學(xué)研究的重要對象。目前,人腦測圖組織大致分為3種模式:一是在傳統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)或心理學(xué)研究機構(gòu)下開展,這些機構(gòu)以基礎(chǔ)研究為主;二是在生物醫(yī)學(xué)工程等信息學(xué)基礎(chǔ)上建立實驗室,上述兩種研究機構(gòu)在工作開展中均具有多學(xué)科和多模態(tài)聯(lián)合的特點,除擁有多種神經(jīng)影像學(xué)設(shè)備外,還具有各相關(guān)學(xué)科人員,研究實力較強;三是以醫(yī)院為主體開展研究,有神經(jīng)科、精神科和放射科醫(yī)師參與,作為臨床研究項目的分支,多以臨床研究為主,也有相當部分與其他機構(gòu)聯(lián)合研究。國際上的功能影像學(xué)研究以前兩種模式為主;而我國由于初期專業(yè)成像設(shè)備昂貴,較多的研究以醫(yī)院為主體進行,近年來隨著研究水平的提高,逐漸向前兩種模式轉(zhuǎn)變。

    2.存在問題及發(fā)展方向 功能神經(jīng)影像學(xué)尤其是fMRI甫一出現(xiàn),即引起眾多學(xué)科的青睞;近30年來,fMRI顯著促進腦科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展,但是在臨床診斷轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面,尚有較長的路要走,主要是在個體分析的關(guān)鍵技術(shù)方面尚存不足,可能與以下幾方面有關(guān):首先,血氧水平依賴性是非定量的綜合測量指標;其次,基于梯度回波序列(GRE)?回波平面成像(EPI)信號的特異性和穩(wěn)定性;最后,可能與fMRI參數(shù)優(yōu)化和統(tǒng)計分析方法有關(guān),均限制其作為有效臨床診斷技術(shù)的可推廣性[29]。針對上述問題,fMRI研究應(yīng)從以下幾方面進行突破:首先,從不同層面的多模態(tài)影像學(xué)聯(lián)合技術(shù)(從fMRI不同指標、不同MRI技術(shù)、不同影像學(xué)模態(tài)到影像遺傳學(xué)),對血氧水平依賴性信號的定量生理學(xué)本質(zhì)進行探索[30];其次,利用信息學(xué)的發(fā)展,在建立多中心大數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,評價fMRI指標的特異性和穩(wěn)定性;最后,開發(fā)新的fMRI技術(shù)指標,引入人工智能和模式識別等方法,提高臨床個體分析的實用性。

    綜上所述,功能神經(jīng)影像學(xué)是重要的神經(jīng)影像學(xué)技術(shù),極大地促進腦科學(xué)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,相關(guān)交叉多學(xué)科的發(fā)展又共同推動神經(jīng)影像學(xué)的進步。

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