磁共振功能成像回顧與展望

杜小霞，秦朝霞

功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)是為了證明大腦代謝的區(qū)域性、時(shí)變變化而開(kāi)發(fā)的一類(lèi)成像方法。這些代謝變化可能是任務(wù)誘導(dǎo)的認(rèn)知狀態(tài)變化或靜息大腦無(wú)調(diào)節(jié)過(guò)程的結(jié)果。fMRI自1990年問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、臨床精神病學(xué)/心理學(xué)和手術(shù)前計(jì)劃等領(lǐng)域的大量研究中得到應(yīng)用。fMRI的普及源于其廣泛的可用性、非侵入性、相對(duì)較低的成本和良好的空間分辨率。fMRI越來(lái)越多地用作疾病、監(jiān)測(cè)治療或研究藥理作用的生物標(biāo)志物。fMRI問(wèn)世以來(lái)有著廣泛的應(yīng)用并對(duì)多個(gè)學(xué)科產(chǎn)生重要的影響。本文將從fMRI的起源說(shuō)起，再介紹其重要影響和在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，最后展望功能磁共振技術(shù)將來(lái)的應(yīng)用和發(fā)展方向。

1 功能磁共振成像技術(shù)

1.1 功能磁共振的問(wèn)世

MRI大約在1984年開(kāi)始在臨床上廣泛應(yīng)用，6年后John Belliveau博士在馬薩諸塞州總醫(yī)院第一次成功地進(jìn)行fMRI實(shí)驗(yàn)。Belliveau在視覺(jué)刺激前后連續(xù)注射兩次釓，并利用平面回波序列收集，從而獲得視覺(jué)刺激之前及刺激期間的腦血容量圖。這兩張血容積量圖(活動(dòng)減去休息)相減的圖于1991年11月1日發(fā)表于《科學(xué)》雜志[1]，并作為科學(xué)雜志的封面，圖片顯示了在視覺(jué)刺激下視覺(jué)皮層激活的局部血容量增加圖。盡管現(xiàn)在已經(jīng)極少利用腦血容積檢測(cè)腦功能，但是在當(dāng)時(shí)開(kāi)啟了利用磁共振成像映射人類(lèi)大腦激活的一種方法。自1991年初以來(lái)，利用內(nèi)源性對(duì)比(氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白)進(jìn)行fMRI研究迅猛地發(fā)展起來(lái)了。1991年春夏季的某個(gè)時(shí)候，來(lái)自明尼蘇達(dá)州和馬薩諸塞州總醫(yī)院的研究小組利用內(nèi)源性血氧水平依賴(lài)性(blood oxygen level dependent，BOLD)對(duì)比獲得了第一個(gè)成功的功能磁共振結(jié)果[2-4]。該結(jié)果于1991年8月在舊金山磁共振會(huì)議上進(jìn)行了口頭報(bào)告。隨后在1992年和1993年，各大實(shí)驗(yàn)室相繼取得了基于BOLD腦功能成像實(shí)驗(yàn)成果[5-10]。

1.2 功能磁共振的原理

fMRI屬于MRI中的一種成像方法，磁共振圖像可以包含許多不同類(lèi)型的對(duì)比度，如T1加權(quán)、T2加權(quán)、磁化率、腦血流量等。為了更好地理解fMRI機(jī)制，首先需要了解腦代謝機(jī)制。

腦內(nèi)神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)的過(guò)程包括動(dòng)作電位的形成和傳播、小泡與突觸前連接的結(jié)合、神經(jīng)遞質(zhì)通過(guò)突觸間隙的釋放、突觸后結(jié)構(gòu)中動(dòng)作電位的接收和再生、清除多余的神經(jīng)遞質(zhì)等需要消耗三磷酸腺苷形式的能量。這種核苷酸主要由糖酵解氧化葡萄糖產(chǎn)生的線(xiàn)粒體產(chǎn)生，其產(chǎn)生的副產(chǎn)物是二氧化碳。當(dāng)大腦的某個(gè)區(qū)域執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)上調(diào)(即激活)時(shí)，額外的神經(jīng)放電和其他增加的信號(hào)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致局部能量需求增加，進(jìn)而導(dǎo)致局部腦區(qū)的氧代謝率上調(diào)(CMRO2)[11]。由于靠近毛細(xì)血管的組織中局部?jī)?chǔ)存的氧氣被糖酵解暫時(shí)消耗，廢物積聚，各種化學(xué)信號(hào)(CO2、NO、H+)在毛細(xì)血管床上游的動(dòng)脈括約肌中引起血管舒縮反應(yīng)，導(dǎo)致這些血管擴(kuò)張。血流量的增加可使局部氧氣的濃度得到恢復(fù)，以克服短暫的不足；然而，供氧量比補(bǔ)償CMRO2增加所需的氧量還要多，即供大于求。因此在神經(jīng)激活的最初導(dǎo)致脫氧血紅蛋白的積聚，血管內(nèi)和血管外空間中的氧合血紅蛋白的減少，隨后在一兩秒鐘內(nèi)出現(xiàn)血管舒張反應(yīng)，使情況逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致相比于靜息狀態(tài)局部氧合血紅蛋白濃度增加，脫氧血紅蛋白濃度減少[12-13]。這個(gè)過(guò)程被描述為對(duì)神經(jīng)事件的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。

因此，神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)主要有兩個(gè)后果：局部腦血流增加和血紅蛋白氧合濃度變化(簡(jiǎn)稱(chēng)BOLD對(duì)比)，這都可以通過(guò)MRI檢測(cè)到。腦血流的變化可以通過(guò)注射對(duì)比劑和自旋標(biāo)記灌注加權(quán)MRI觀察到。然而，與BOLD方法相比，自旋標(biāo)記灌注加權(quán)成像的敏感性降低，采集時(shí)間增加，對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性增加，因此其應(yīng)用集中于基線(xiàn)腦血流的定量測(cè)量，或血管反應(yīng)性研究，而不常用于腦功能的研究。

神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)第二種機(jī)制稱(chēng)為BOLD對(duì)比，最初在大鼠上觀察到BOLD機(jī)制[14-15]，隨后在人類(lèi)實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)[5，9，16-17]，BOLD幾乎是所有傳統(tǒng)功能磁共振實(shí)驗(yàn)中使用的對(duì)比度。BOLD對(duì)比來(lái)源于紅細(xì)胞周?chē)艌?chǎng)的變化。當(dāng)血紅蛋白完全和氧氣結(jié)合時(shí)，變成氧合血紅蛋白，氧合血紅蛋白是抗磁性的，并且其磁性和腦組織差異很小，不可區(qū)分。然而，完全脫氧時(shí)，脫氧血紅蛋白有4個(gè)不成對(duì)的電子，并且是高度順磁性的。這種順磁性造成局部場(chǎng)的不均勻，導(dǎo)致磁場(chǎng)中的局部梯度，其強(qiáng)度取決于脫氧血紅蛋白濃度。這些內(nèi)源性梯度依次通過(guò)擴(kuò)散和體素內(nèi)散相分別調(diào)節(jié)血管內(nèi)和血管外血液的T2和T2*弛豫時(shí)間。使用梯度重聚回波(gradient echo，GRE) MRI脈沖序列，采集到磁共振信號(hào)對(duì)T2*和T2敏感。采用1.5 T和3.0 T磁共振設(shè)備時(shí)T2*對(duì)比度占主導(dǎo)地位且在小靜脈中最大[18]，而在較高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，T2弛豫的擴(kuò)散加權(quán)對(duì)比度變得更重要，因?yàn)樾盘?hào)優(yōu)先在毛細(xì)血管和組織中產(chǎn)生，并通過(guò)自旋回波采集，提供了良好的空間特性[19-20]。由于大多數(shù)fMRI目前在3特斯拉或以下進(jìn)行，為增加T2*對(duì)比度BOLD fMRI主要采用GRE方法。

1.3 功能磁共振的實(shí)驗(yàn)方法

任務(wù)態(tài)功能磁共振研究試圖在掃描過(guò)程中給予被試視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或其他刺激，從而誘導(dǎo)大腦的不同神經(jīng)狀態(tài)，并通過(guò)比較不同狀態(tài)下記錄的信號(hào)獲得激活圖。因此，采用快速掃描模式采集每個(gè)圖像顯得尤為重要，避免輸入與腦功能活動(dòng)無(wú)關(guān)的噪聲信號(hào)，如呼吸、心血管噪聲以及頭動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)fMRI是使用平面回波成像方法進(jìn)行的，該方法可以在典型分辨率(3.4 mm×3.4 mm×4 mm體素大小)下，在大約60 ms內(nèi)收集二維圖像的數(shù)據(jù)。通常用32個(gè)二維切片進(jìn)行全腦掃描，重復(fù)時(shí)間為2 s/幀。得到掃描中的每個(gè)體素的一個(gè)時(shí)間序列，隨后根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

典型的功能磁共振任務(wù)激活實(shí)驗(yàn)利用視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或其他刺激來(lái)交替誘導(dǎo)受試者的兩種或兩種以上不同的認(rèn)知狀態(tài)，同時(shí)如上文所述收集連續(xù)fMRI數(shù)據(jù)。在任務(wù)設(shè)計(jì)中至少一個(gè)狀態(tài)成為控制狀態(tài)(基線(xiàn))，另外的稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，目的是檢驗(yàn)不同狀態(tài)之間腦功能信號(hào)不同的假設(shè)。當(dāng)使用模塊設(shè)計(jì)，掃描期間實(shí)驗(yàn)條件和控制條件交替進(jìn)行，每個(gè)模塊通常有幾十秒的時(shí)長(zhǎng)。模塊設(shè)計(jì)是檢測(cè)激活的最佳設(shè)計(jì)，但當(dāng)需要描述血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的振幅或時(shí)間時(shí)，加入隨機(jī)變化的時(shí)間(jitter)的事件相關(guān)設(shè)計(jì)更為優(yōu)越。在事件相關(guān)設(shè)計(jì)中，任務(wù)事件相對(duì)較短，并且在非恒定的實(shí)驗(yàn)間隔內(nèi)發(fā)生，控制條件的周期較長(zhǎng)，這使得血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)更充分地回到基線(xiàn)。jitter用于在整個(gè)時(shí)間序列中對(duì)時(shí)間頻率較高的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)進(jìn)行采樣，但也可用于誘導(dǎo)期望的認(rèn)知策略，例如避免預(yù)期反應(yīng)或保持注意力。

從測(cè)量的時(shí)間序列數(shù)據(jù)中得出有效結(jié)論在很大程度上取決于任務(wù)的設(shè)計(jì)。研究者必須注意，在實(shí)驗(yàn)條件和控制條件之間，只有感興趣的任務(wù)的影響，而注意力和價(jià)態(tài)等混雜影響保持不變或不相關(guān)。在一些研究中這是很簡(jiǎn)單的，例如使用感覺(jué)任務(wù)進(jìn)行術(shù)前定位，目的只是定位激活，以便在手術(shù)后維持重要的大腦功能。在這種情況下，只要信號(hào)強(qiáng)度足以描述手術(shù)干預(yù)期間要保留的功能性基質(zhì)，信號(hào)強(qiáng)度就無(wú)關(guān)緊要。然而，在許多其他情況下需要比較推理，例如任務(wù)難度對(duì)認(rèn)知過(guò)程影響的參數(shù)研究，因此必須考慮對(duì)學(xué)習(xí)、適應(yīng)和顯著性等因素的控制。

1.4 功能磁共振的數(shù)據(jù)分析方法

一旦采集到圖像，就必須對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得大腦激活圖。因?yàn)锽OLD信號(hào)很小(在許多關(guān)于更高認(rèn)知過(guò)程的研究中小于1%)，簡(jiǎn)單地在實(shí)驗(yàn)和控制條件下平均圖像，然后減法不足以可靠地確定差異，因?yàn)樵胍舾蓴_會(huì)造成錯(cuò)誤的激活位置。噪聲源于受試者本身和電子設(shè)備的熱源、頭部的整體運(yùn)動(dòng)、心臟和呼吸誘發(fā)的噪聲以及基線(xiàn)神經(jīng)代謝的變化。由于噪聲有時(shí)可能大于感興趣的信號(hào)，fMRI分析使用統(tǒng)計(jì)測(cè)試比較狀態(tài)之間的信號(hào)差異。這些測(cè)試產(chǎn)生了一個(gè)激活圖，它是大腦狀態(tài)不同概率的函數(shù)。激活的統(tǒng)計(jì)測(cè)試可以使用通用線(xiàn)性模型[21-22]、與模型回歸量的互相關(guān)，或基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法中的獨(dú)立成分分析[23]。測(cè)試所獲得數(shù)據(jù)的模型包括感興趣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及不感興趣的“干擾的回歸信號(hào)”，例如信號(hào)漂移、運(yùn)動(dòng)和反映在全局或白質(zhì)信號(hào)中的噪聲。在所有情況下，激活測(cè)試之前都有一系列的預(yù)處理步驟。預(yù)處理的步驟可以包括以下全部或部分：時(shí)間校正，頭動(dòng)校正，配準(zhǔn)，濾波和空間平滑。

2 功能磁共振的應(yīng)用

fMRI的誕生對(duì)心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)有著重要的推動(dòng)作用。在近30年中，fMRI推動(dòng)了多學(xué)科的發(fā)展和融合，促進(jìn)學(xué)科交叉及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。以下將綜述fMRI在臨床醫(yī)學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、精神疾病等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和深遠(yuǎn)影響。

2.1 臨床應(yīng)用

2.1.1 手術(shù)前計(jì)劃

在一些醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，fMRI通常用于侵入性神經(jīng)外科手術(shù)的手術(shù)前計(jì)劃。fMRI已成為手術(shù)前感覺(jué)運(yùn)動(dòng)成像和語(yǔ)言區(qū)定位的常用工具[24-25]。fMRI改變了許多患者的手術(shù)選擇。Pillai等[26]全面回顧概述了許多研究實(shí)例，這些研究報(bào)告了fMRI在術(shù)前規(guī)劃方面的醫(yī)療和實(shí)際益處，包括減少手術(shù)時(shí)間，以及在相當(dāng)大比例的病例中減少對(duì)瓦達(dá)測(cè)試的需要。然而，雖然在手術(shù)前計(jì)劃中使用fMRI有非常積極的跡象，但它還沒(méi)有被廣泛采用。也許最大的原因是，目前還沒(méi)有一項(xiàng)控制良好的研究能最終證明其有效性。Sunaert[27]在對(duì)腫瘤切除術(shù)前計(jì)劃的回顧中指出，隨機(jī)試驗(yàn)或結(jié)果研究明確顯示，在術(shù)前應(yīng)用fMRI時(shí)，對(duì)患者最終結(jié)果有益，但尚未充分使用。因此，越來(lái)越多的神經(jīng)外科醫(yī)生在手術(shù)前使用fMRI，但由于條件限制它還沒(méi)有成為一種常規(guī)的使用程序。

2.1.2 治療評(píng)價(jià)和康復(fù)評(píng)價(jià)

fMRI作為一種無(wú)損傷的影像方法可以用于藥物治療后的觀測(cè)和評(píng)價(jià)。fMRI研究有助于闡明復(fù)雜神經(jīng)和神經(jīng)精神疾病的潛在機(jī)制[28]。疾病過(guò)程往往涉及復(fù)雜的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)，超出了假定的主要疾病焦點(diǎn)。鑒于臨床表型的復(fù)雜性和潛在的功能失調(diào)腦回路，fMRI可以用來(lái)探討藥物對(duì)功能神經(jīng)解剖的藥理作用，并有助于確定早期治療反應(yīng)、藥物療效機(jī)制和副作用，有可能促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物的發(fā)展。實(shí)際fMRI已經(jīng)廣泛用于一些主要神經(jīng)精神和神經(jīng)疾病以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)改變方面的研究，如情感障礙和情緒處理回路中的選擇性血清素和去甲腎上腺素能再攝取抑制劑；癲癇和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的抗癲癇藥物；注意缺陷/多動(dòng)障礙和注意控制網(wǎng)絡(luò)中的興奮劑[29]。功能磁共振還常用于患者的康復(fù)檢測(cè)和評(píng)價(jià)[30]。Hodics等[31]通過(guò)綜述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)fMRI是一種記錄與中風(fēng)恢復(fù)相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)變化的有效工具。

fMRI在醫(yī)學(xué)實(shí)踐中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，但大部分限于實(shí)驗(yàn)研究，醫(yī)療目的接受fMRI的患者數(shù)量仍然很少。要求對(duì)患者進(jìn)行fMRI檢查的醫(yī)生總數(shù)量也很少，甚至神經(jīng)外科醫(yī)生的百分比也同樣很小。因此，盡管fMRI仍有繼續(xù)增長(zhǎng)的潛力，但還不能說(shuō)fMRI以一種戲劇性的方式改變了臨床實(shí)踐的世界。

2.2 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)

fMRI對(duì)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)有著巨大的影響。例如在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)雜志(Journal of Cognitive Neuroscience)期刊上發(fā)表的文章中，從1990年的尚無(wú)人使用fMRI開(kāi)始，到2019年fMRI已經(jīng)發(fā)展成為迄今為止該雜志最常用的技術(shù)，近十年占該雜志文章的46%(基于Pubmed搜索估算)。但毫無(wú)疑問(wèn)，心理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)界最廣泛的部分已經(jīng)采用fMRI作為研究大腦和行為之間聯(lián)系的基本工具。fMRI用于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究?jī)?nèi)容包括與記憶相關(guān)的概念、學(xué)習(xí)機(jī)制、獎(jiǎng)勵(lì)通路、默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)和功能定義等[32]。

以大腦皮層的可塑性來(lái)回顧功能磁共振對(duì)認(rèn)知科學(xué)的影響。無(wú)論是在正常發(fā)展的背景下，還是在對(duì)損傷的反應(yīng)中，人類(lèi)大腦的可塑性越來(lái)越得到認(rèn)可。在廣泛的可塑性領(lǐng)域中，引人注目的一個(gè)現(xiàn)象是：視覺(jué)皮層缺乏視覺(jué)的語(yǔ)言處理的作用。最近的研究表明，大腦皮層的兩個(gè)部分，即額葉的語(yǔ)言處理區(qū)域和枕葉皮層的視覺(jué)處理區(qū)域，在受到各種損傷后可以被重新映射和重新功能重組到系統(tǒng)中去。例如，Bedny等[33]研究顯示，當(dāng)先天失明的受試者執(zhí)行語(yǔ)言理解任務(wù)時(shí)，枕皮質(zhì)活躍。視覺(jué)皮層的活動(dòng)與大腦典型的語(yǔ)言處理區(qū)域相似。Amedi等[34]在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中更直接地討論了這種視覺(jué)皮層活動(dòng)是否在語(yǔ)言處理中發(fā)揮作用的問(wèn)題，這項(xiàng)任務(wù)需要使用語(yǔ)言記憶、動(dòng)詞生成和盲文閱讀，該組中個(gè)體受試者的視覺(jué)皮層激活程度與他們?cè)谡Z(yǔ)言記憶任務(wù)中的表現(xiàn)密切相關(guān)，這表明視覺(jué)皮層激活不僅僅是輔助性的。Amedi等[35]利用經(jīng)顱磁刺激來(lái)破壞盲人和視力正常的受試者兩個(gè)大腦各自的視覺(jué)皮層的活動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)只有在盲人中，這種經(jīng)顱磁刺激才會(huì)干擾語(yǔ)言任務(wù)的執(zhí)行。

fMRI在理解創(chuàng)傷后的大腦可塑性方面也發(fā)揮了重要作用。大腦的可塑性可以用于改善諸如創(chuàng)傷性腦損傷、中風(fēng)和神經(jīng)退行性疾病等的功能恢復(fù)[28，30，36]。今天，我們了解到大腦的適應(yīng)性比20年前認(rèn)為的要強(qiáng)得多，在面對(duì)不斷變化的需求時(shí)，大腦能夠動(dòng)態(tài)地改變其功能性神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)。

2.3 精神疾病

功能磁共振在精神疾病中大量的研究，改變了人們對(duì)精神疾病的定義以及對(duì)其病因、治療和預(yù)防的理解。首先f(wàn)MRI影響了人們對(duì)精神疾病的態(tài)度。隨著fMRI成為一種常規(guī)的診斷工具，大腦對(duì)精神任務(wù)的血流變化的測(cè)量方法與其他監(jiān)測(cè)方法大致相同，精神病學(xué)對(duì)患者和其他醫(yī)生來(lái)說(shuō)與其他疾病相同[37]。到目前為止人們利用功能磁共振發(fā)現(xiàn)許多和精神疾病相關(guān)的腦區(qū)的功能異常[38-40]。薈萃分析發(fā)現(xiàn)首發(fā)精神分裂癥患者前額葉背側(cè)皮質(zhì)、眶額葉皮質(zhì)和顳葉，特別是在左顳上回存在功能異常[41]。而腹外側(cè)、背外側(cè)、腹內(nèi)側(cè)和前扣帶被認(rèn)為與皮質(zhì)邊緣失調(diào)有關(guān)，這可能是雙相情感障礙患者情緒狀態(tài)的基礎(chǔ)；而功能磁共振在雙相情感障礙中被認(rèn)為是預(yù)后、預(yù)測(cè)和治療的潛在臨床應(yīng)用生物標(biāo)志物[42]。

腦功能成像的研究也發(fā)現(xiàn)抑郁癥的行為缺陷與特定區(qū)域連接的結(jié)構(gòu)和功能異常有關(guān)，與抑郁癥相關(guān)的病理網(wǎng)絡(luò)是早期發(fā)現(xiàn)這種疾病的潛在有價(jià)值的生物標(biāo)志物，它們可能通過(guò)藥理學(xué)、心理學(xué)和腦刺激療法進(jìn)行調(diào)節(jié)和治療[43]。這些基于fMRI的研究為重新認(rèn)識(shí)精神疾病的發(fā)病機(jī)制、提高對(duì)治療效果的生物學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)以及確定適當(dāng)?shù)拇碳つ繕?biāo)以?xún)?yōu)化精神疾病治療的臨床反應(yīng)提供了新的機(jī)會(huì)。

2.4 意識(shí)、道德認(rèn)知、決策

fMRI的研究已經(jīng)成為人們廣泛接受的人類(lèi)行為探針。功能磁共振不僅用于醫(yī)學(xué)、神經(jīng)認(rèn)知科學(xué)，還用于哲學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等。意識(shí)問(wèn)題一直是心理學(xué)和哲學(xué)的一個(gè)挑戰(zhàn)，現(xiàn)在神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入討論階段。在這個(gè)討論特別活躍的領(lǐng)域，意識(shí)問(wèn)題已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)和倫理問(wèn)題，涉及到植物人和最低意識(shí)狀態(tài)的人。Owen等[44]報(bào)告了一個(gè)案例，他們利用fMRI研究結(jié)果證實(shí)，盡管被試滿(mǎn)足了植物人狀態(tài)診斷的臨床標(biāo)準(zhǔn)，但該患者仍然能夠理解口頭命令，并通過(guò)大腦活動(dòng)而不是通過(guò)語(yǔ)言或運(yùn)動(dòng)對(duì)其做出反應(yīng)。功能磁共振使得人們對(duì)植物人狀態(tài)和腦死亡有了新的認(rèn)識(shí)和定義。此外，當(dāng)被要求與作者合作時(shí)，她通過(guò)想象特定的任務(wù)來(lái)與作者合作的決定是一種明確的意圖行為，毫無(wú)疑問(wèn)，這證實(shí)了她有自我意識(shí)和環(huán)境意識(shí)。同樣，Schiff等[45]利用fMRI研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)意識(shí)不強(qiáng)的患者其神經(jīng)回路和連接也是完好的。哲學(xué)家Greene等[46]在一系列行為和功能磁共振研究中廣泛探索了道德認(rèn)知的大腦回路，fMRI數(shù)據(jù)支持一種道德判斷理論，發(fā)現(xiàn)認(rèn)知和情感在其判斷過(guò)程中都起著至關(guān)重要的作用，有時(shí)是相互競(jìng)爭(zhēng)的作用。Soon等[47]使用fMRI研究大腦的決策過(guò)程，發(fā)現(xiàn)大腦在有意識(shí)地或明顯地認(rèn)識(shí)到?jīng)Q策之前的整整10 s內(nèi)達(dá)到最終的行動(dòng)決策?？傊诠δ艽殴舱裱芯康挠绊懘_實(shí)改變了世界。

3 功能磁共振成像的未來(lái)

近30年來(lái)，fMRI技術(shù)迅速成熟，從只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室掌握實(shí)驗(yàn)成像方法，到目前發(fā)展了國(guó)際上廣泛應(yīng)用的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和臨床神經(jīng)科學(xué)研究的工作平臺(tái)。fMRI研究對(duì)神經(jīng)和精神疾病的大腦系統(tǒng)表型的理解產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響，并且已經(jīng)對(duì)新療法的發(fā)展產(chǎn)生了一些影響。然而，fMRI對(duì)個(gè)別腦部疾病患者的直接益處迄今為止微乎其微。

3.1 fMRI技術(shù)發(fā)展

未來(lái)fMRI技術(shù)會(huì)繼續(xù)改進(jìn)，比如隨著硬件的改善進(jìn)一步提高時(shí)間分辨率和空間分辨率。此外也會(huì)探索新的替代BOLD的方法，如直接檢測(cè)神經(jīng)電流[48]和基于擴(kuò)散的腦功能成像[49]。但fMRI開(kāi)發(fā)中的大部分研究已轉(zhuǎn)向其應(yīng)用，以回答認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中更復(fù)雜的問(wèn)題。人類(lèi)功能磁共振信號(hào)顯示了一種空間模式，包含了關(guān)于一個(gè)人精神狀態(tài)的詳細(xì)信息。使用分類(lèi)器可以獲取這些信息，并在個(gè)體心理表征水平上研究大腦過(guò)程。因此使用激活圖作為分類(lèi)和狀態(tài)變化算法的輸入來(lái)預(yù)測(cè)或分類(lèi)認(rèn)知行為，例如預(yù)測(cè)大腦狀態(tài)[50]。實(shí)時(shí)功能磁共振的神經(jīng)反饋技術(shù)取得了重大進(jìn)展，使用隱式協(xié)議、外部獎(jiǎng)勵(lì)、多變量分析和連接性分析，可能使神經(jīng)科學(xué)家能夠探索改變行為中大腦活動(dòng)的因果關(guān)系[51]。在未來(lái)實(shí)時(shí)功能磁共振將更多地用于增加腦的自我控制和臨床治療中[52-53]。

3.2 fMRI與藥物開(kāi)發(fā)

腦疾病藥物的開(kāi)發(fā)被認(rèn)為是特別有風(fēng)險(xiǎn)的。因此，許多制藥公司最近撤回了他們?cè)诰穹至寻Y、抑郁癥、成癮和其他精神健康障礙的新藥開(kāi)發(fā)項(xiàng)目上的投資。在精神病學(xué)中發(fā)現(xiàn)新藥物的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，診斷類(lèi)別或適應(yīng)證的定義是非生物學(xué)的，主要是根據(jù)臨床癥狀列表，但藥物靶點(diǎn)(受體、離子通道等)的定義是生物學(xué)的。因此，在藥物從目標(biāo)驗(yàn)證和臨床前研究向患者或健康志愿者的臨床研究過(guò)渡的同時(shí)，生物和臨床領(lǐng)域之間存在著一條斷層線(xiàn)，它切斷了藥物的開(kāi)發(fā)過(guò)程。fMRI可以更有效地填補(bǔ)這一空白，通過(guò)向動(dòng)物和人類(lèi)提供藥物作用的翻譯標(biāo)記，以及在大腦系統(tǒng)水平上驗(yàn)證藥物靶點(diǎn)。前人利用fMRI時(shí)間序列、功能連接和網(wǎng)絡(luò)的藥物效應(yīng)進(jìn)行了一些開(kāi)創(chuàng)性研究[54]。fMRI被認(rèn)為有潛力大大提高開(kāi)發(fā)新的治療藥物的過(guò)程中普遍存在的健康狀況。然而，由于各種技術(shù)、生物和戰(zhàn)略障礙繼續(xù)限制進(jìn)展，fMRI在藥物開(kāi)發(fā)中的使用仍然相對(duì)有限。相信在未來(lái)幾年或幾十年fMRI在藥物開(kāi)發(fā)方面會(huì)有更廣泛的應(yīng)用，成為更有效的工具[55]。

3.3 fMRI與臨床決策

在某些臨床情況下，已經(jīng)證明單個(gè)患者進(jìn)行功能磁共振掃描對(duì)該患者的治療是有用的。例如使用簡(jiǎn)單的激活任務(wù)來(lái)繪制神經(jīng)外科患者運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)和語(yǔ)言功能的區(qū)域。外科團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用fMRI功能圖來(lái)計(jì)劃手術(shù)的方案，以盡量減少對(duì)非疾病但功能重要腦區(qū)的影響。此外，利用fMRI對(duì)昏迷患者進(jìn)行研究，可以對(duì)持續(xù)性植物人狀態(tài)患者的意識(shí)水平和恢復(fù)概率進(jìn)行決策[56]。結(jié)構(gòu)磁共振已經(jīng)成為當(dāng)今臨床神經(jīng)放射學(xué)、神經(jīng)學(xué)和神經(jīng)外科的重要診斷工具，而功能磁共振仍然是一種研究技術(shù)。隨著磁共振成像設(shè)備的普及和數(shù)據(jù)處理方法的完善，fMRI將會(huì)在臨床決策中發(fā)揮更大的作用。

綜上，fMRI自20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，在已發(fā)表的研究中經(jīng)歷了一個(gè)令人興奮的發(fā)展過(guò)程，并呈指數(shù)增長(zhǎng)，在臨床應(yīng)用中變得司空見(jiàn)慣，如術(shù)前計(jì)劃、基礎(chǔ)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究、行為矯正和行為訓(xùn)練等。在fMRI的指導(dǎo)下，更加復(fù)雜的大腦網(wǎng)絡(luò)建?？隙〞?huì)對(duì)人類(lèi)大腦有一個(gè)新理解。

利益沖突：無(wú)。