作者是阳明神研所教授。专门领域是DTI/DSI影像。这篇文章写得不错。虽是旧闻，跟大 家分享。 ------------------------------------------------------------------------------ 原文 http://www.cyberone.tw/ItemDetailPage/MainContent/05MediaContent.aspx?MMMediaTy pe=ScientificAmericanMG&MMContentNoID=49815 http://0rz.tw/Xp5Uz 大脑神经网络：凡走过必留下痕迹 《科学人》杂志4月号　撰文∕林庆波 2008/4/9 藉着扩散张量磁振造影技术，研究人员得以不侵入大脑的影像方式，量化髓鞘的生长或脱 失、神经完整度或结合密度等状态，了解白质所扮演的角色。 随着电脑科技的发展，大多数人都明显感受到电脑所带来的便利与生活型态的改变，这全 仰赖新的晶片电路及高功能程式软体的不断研发。大脑内的灰质就如同这些晶片的组合， 负责各种不同功能（如记忆、语言、认知、动作等），而白质则负责各功能模组间的连结 沟通，将灰质的功能讯息依不同需求以特定时序传递至各晶片模组，使人脑得以呈现各式 多元的功能。过去我们常戏称某人反应很慢像恐龙或长颈鹿，或说某人行为怪异是「神经 短路」，随着脑科学技术的进步，让我们得以一窥大脑中白质的功能与作用，回想这些儿 时的戏语，确有几分道理。 脑造影技术开启白质研究 由於缺乏相关研究技术，过去我们对大脑功能及结构的了解，大多局限於动物研究、脑伤 病人或大体解剖，虽然从1950年代起，科学家就已了解白质退化与老人失智症有关，但相 较於灰质区域，在电生理或解剖研究中，白质并没有多元的电讯号反应，且大多呈现类似 的结构型态，因此未能引起研究者的关切。 随着影像技术的进步，磁共振造影（MRI）技术提供了研究白质功能所需的讯息。研究人 员除了逐渐了解大脑灰质和白质的体积在各生长阶段或病变时的改变，从 1980年代末期 起，更注意到中风、老化、忧郁症患者的大脑白质在磁共振造影的自旋弛缓对比影像（ T2 weighted image）下有明显的过亮现象。经由解剖影像对照发现，这些过亮现象大多 是局部梗塞、胶质变性（gliosis）或髓鞘脱失（demyelination）所造成。近期研究更显 示，这种白质缺损所呈现的过亮现象，可能亦伴随部份的认知能力衰退。 扩散张量磁振造影（diffusion tensor MRI, DTI）这项白质研究技术是在1990年初由美 国国家卫生研究院研究员贝斯尔（Peter Basser）等人所提出。最早描述磁振讯号的衰减 与扩散现象的论文，则是在1950年由美国加州大学哈恩（Erwin Hahn）教授所发表，并於 1970年代中期陆续应用於脑血障壁（blood brain barrier）、大脑及肌肉结构的微细结 构观察，直到1980年中期，造影的基本原理提出後，扩散磁振造影技术才得以普及使用， 它结合了双极脉冲梯度自旋回讯序列（bipolar-pulsed gradient spin echo sequence, PGSE）测量扩散磁振讯号与磁振造影的概念，以双极磁场梯度序列侦测扩散运动。 分子扩散运动是指分子所带有的能量使其产生之随机运动，水分子在大脑中发生扩散运动 时，会与细胞膜、神经纤维、髓鞘等细微组织产生碰撞、穿越等交互作用，只要能观察水 分子运动，就可反映其周围组织的结构状态。侦测水分子扩散运动，有三种侦测方法，包 括利用具有放射活性示踪剂（radioactive tracer measurement）、中子散射光谱（ neutron scattering spectroscopy）及脉冲梯度磁共振（pulsed gradient NMR），它们 分别可以测量到水分子的不同扩散距离。但前两者具有放射性或侵入性，仅能在动物模型 上执行，无法使用於人体，而磁共振造影以氢原子为讯号主要来源，水分子中又富含氢原 子，且其可量测的扩散长度正适用於身体组织结构，因此扩散磁振造影恰可运用这项特性 ，以生物体内丰富的水分子为天然追踪剂，侦测大脑内的微细构造，例如神经纤维完整性 、神经纤维方向及组织特性等。 1985年法国神经回旋研究所（Neurospin）的雷比昂（Denis Le Bihan）院士更进一步提 出了扩散磁振造影临床应用的可能性。由於水分子在组织中会因为扩散运动使得自旋回讯 的讯号衰减，观察组织间的扩散讯号可以大幅增进磁振造影技术的临床诊断力。扩散磁振 造影最成功的临床应用首见於1990年代初期美国史丹佛大学莫斯利（Michael Moseley） 教授用来观察猫大脑局部缺血的现象，早期的大脑局部缺血会造成扩散磁振讯号的改变， 所以可藉以提供早期诊断，使病人能够即时获得治疗。至今这项应用仍是中风病人的必要 诊断造影利器，在此同时，科学家也注意到扩散磁振造影於非等张性扩散的量测与应用的 可行性。 由於水分子扩散是三维的随机运动，在组织中，水分子扩散会受到周围环境影响而阻断， 不同的环境结构或障碍物对水分子扩散造成限制，而导致非等张性扩散。理论上，只要能 了解非等张扩散的机率，就可了解水分子周遭的细微结构。因此，有关脊髓、大脑白质、 人类婴儿大脑等非等张性扩散现象研究，陆续在1990 年代初提出。法国伯恩杜约克（ Philippe Douek）教授在1991年时提出水分子扩散的速度於神经纤维轴向比垂直方向快的 假设，并以色阶呈现出大脑中特定的白质神经纤维的方向，虽然当时尚未建立正确的理论 基础，但是水分子扩散最快的方向即为神经纤维方向的观念，已经成功的勾勒出来。 然而如何定量出真正的方向，并将大脑或生物体中错综复杂的神经或肌肉纤维方向清楚呈 现呢？贝斯尔於1994年发展出DTI理论，他假设水分子於神经纤维中的扩散运动为椭圆型 分布，并以一扩散张量描述这个椭圆的大小、形状与方向。依此模型描述，椭圆长轴方向 即为标的扩散时最不受限制的方向，亦为神经纤维的走向，经由向量及神经连结运算，可 解析脑神经网络图，而此张量在三个方向轴的特徵值，即为该方向的扩散系数，可用以量 化神经状态，如髓鞘的生长或脱失、神经完整度或结合密度等。藉着这项技术，研究人员 得以不侵入大脑的方式，了解白质所扮演的角色。相较於T2影像的过亮现象，DTI提供更 敏锐的白质量化指标及神经网络讯息。 【欲阅读完整的丰富内容，请参阅科学人2008年第74期4月号】 --

※ 发信站: 批踢踢实业坊(ptt.cc) ◆ From: 218.160.179.139 ※ 编辑: mulkcs 来自: 218.160.179.139 (04/08 21:11)