功能性磁振造影(fMRI)技术 最近发展之功能性大脑造影方法皆基於一个生理学的原理，就是脑神经活化需要能量 的代谢，而我们所侦测到的讯号就是能量代谢後氧气代谢的改变与血流的增加，因此大脑 血液动力学的改变及能量代谢决定了我们所观测到的讯号并藉以推测神经活化的机制。以 功能性神经造影来说，当神经活化时，细胞中的钾离子会释放至细胞外，细胞外钾离子浓 度增加会使得大脑血管会扩张，而增加大脑血流。另外钠-钾离子帮浦会被活化以平衡离子 分布，所以会增加能量的代谢。因此当一个刺激瞬间诱发了大脑活化，将伴随而来葡萄糖 的消耗及增加大脑氧气的代谢率。然而，有一些正电子发射电脑断层扫描(Positron emission tomography, PET) (Fox and Raichle[1], 1986; Fox et al[2]., 1988)研 究显示在给予刺激後，相对於大脑血流的大量增加及葡萄糖的大量消耗，大脑的氧气只有 少许的消耗。这种血流与氧气代谢不匹配有二种假设，第一，大脑血流的增加量超过大脑 氧气的代谢率，所以造成大脑局部血氧的增加；第二，葡萄糖代谢的增加量超过大脑氧气 的代谢率，所以在大脑的活化过程中，有部份无氧代谢的参与。 这个现象已经被一连串不同造影的研究证实，并用以解释功能性磁振造影(fMRI)中讯 号增加的机制。而大脑血流的增加量远超过大脑氧气的代谢率的原因在於血流速度的增加 ，同时血流通过微血管的时间减少，将造成氧气萃取分率的减少，因此大脑氧气的代谢率 必定比血流的增加来得小。除了血氧的增加之外，在功能性活化开始的几秒内(Malonek and Grinvald[3], 1996)，去氧血红素的瞬间增加会导致在功能性磁振造影中观察到负的 讯号(Menon et al[4]., 1995)。有些研究以乳糖的累积为无氧代谢指标，但是大脑葡萄糖 代谢率与大脑氧气的代谢率不匹配的议题至今仍未解。虽然我们未知葡萄糖被吸收量增加 的原因，但是一般相信葡萄糖的氧化代谢是主要的机制(Moonen and Bandettini[5], 1999 )。 现今最为接受用以解释功能性磁振造影讯号是由 Ogawa 教授等人所提出血氧浓度相依 (Blood Oxygenation Level Dependence,BOLD)的机制(Ogawa et al[6].,1990)。这个 机制建立在许久前 Pauling 教授观察到含氧血红素及去氧血红素磁性不同的现象(Pauling and Coryell[7], 1936)。血红素由二对多肽链及二群包含复铁与原紫质的血组所组成 (Orrison et al[8]., 1995)。在去氧血红素中，血铁是以高旋的亚铁(二价铁)态存在 ，亚铁的不成对电子有很大的磁矩，使得去氧血红素为顺磁性物质。因为我们体内的物质 大多为反磁性，所以血液中有越多的去氧血红素就会产生越大的磁场不均匀度。而去氧血 红素在一个区域中的量与含氧红血球分量(含氧量)乘於红血球量有关，因此，含氧量越低 或血液体积越大就会产生越大的磁场不均匀度。当体内水扩散到由磁场不均匀度所引起的 局部梯度磁场变化，将造成磁振造影讯号的横向弛缓时间(T2)及显横向弛缓时间(T2*)的减 短(Ogawa et al[9]., 1993)。因为越长的横向弛缓时间及显横向弛缓时间会造成越强的 磁振造影讯号强度，所以在大脑神经活化所减少的去氧血红素将导致磁振造影讯号的增 加。 血氧程度相依讯号可以由对磁场不均匀度敏感的成像脉冲时序观测，例如梯度回讯(GE )或回讯面造影(EPI)时序。分析血氧浓度相依讯号时间特质，我们可以将一个短刺激所引 发的一个典型的功能性磁振造影血液动力反应函数区分成五个步骤，第一步是初始负反应 ，这是一个微小的负讯号变化，发生在刺激给予的前一到二秒。由近红外光光谱研究的观 察(Malonek and Grinvald[3], 1996)，这个现象是由去氧血红素突然增加所导致。第二步 是讯号的增加，这个明显的血流增加发生在刺激给予的四至八秒後，并带来大量的含氧血 红素，超过氧气的消耗。第三步是平坦区，当讯号增加至最大值，讯号会下降一点点，随 着刺激的种类，平坦区会持续一段时间，并与刺激的时间成正比。第四步是讯号衰减，当 刺激停止之後讯号会开始衰减，这个步骤通常持续六至十秒。最後一步是讯号剧降，在 讯号开始下降的十秒之後，讯号会因为血液体积的改变而下降到基准线之下，之後讯号会 慢慢回复到基准线，这个步骤通常持续十至十五秒(Jezzard et al[10].,2001)。 经过生理性假影的校正等影像处理与分析之後，我们可以造影出功能性磁振造影影像 ，例如为老鼠於脚掌刺激之下相对应於大脑皮质区的反应，与随时间之活化区域讯号变化 。 目前对於功能性磁振造影的研究有两大研究议题：视觉与语言处理历程。视觉的研究 主题为视觉讯息处理的「长距离互动」（long-range interaction），其目的在於解释一 个位於接受域（receptive field）之内的视觉刺激会受附近的其他视觉刺激所影响的现象 。目前对於长距离互动的研究多半是心理物理学与电生理的研究，将重点放在视觉相关皮 质（extrastriate cortex）的神经基础研究。结果发现：the Lingual gyrus 在与方位相 关的视觉「长距离互动」处理上扮演重要的角色；the Middle occipital gyrus 则是对视 觉刺激的轮廓作反应。语言的研究主题为中文字辨识历程，其发现：对於中文的字形、字 音、以及字义的处理历程，有不同的神经运作机制，为认知心理学的语言处理历程提供了 神经生理的证据。未来功能性磁振造影术将有助於正常大脑以及因为学习、可塑性、药物 或基因调控而变化之大脑功能性研究。 -- 资料来源： 陈志宏、张允中、谢昭贤, “生物医学工程导论-第十三章：核磁共振与磁振造影,” 沧 海, 中华民国, 720 pages, 2008 --

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