作者是陽明神研所教授。專門領域是DTI/DSI影像。這篇文章寫得不錯。雖是舊聞，跟大 家分享。 ------------------------------------------------------------------------------ 原文 http://www.cyberone.tw/ItemDetailPage/MainContent/05MediaContent.aspx?MMMediaTy pe=ScientificAmericanMG&MMContentNoID=49815 http://0rz.tw/Xp5Uz 大腦神經網絡：凡走過必留下痕跡 《科學人》雜誌4月號　撰文∕林慶波 2008/4/9 藉著擴散張量磁振造影技術，研究人員得以不侵入大腦的影像方式，量化髓鞘的生長或脫 失、神經完整度或結合密度等狀態，了解白質所扮演的角色。 隨著電腦科技的發展，大多數人都明顯感受到電腦所帶來的便利與生活型態的改變，這全 仰賴新的晶片電路及高功能程式軟體的不斷研發。大腦內的灰質就如同這些晶片的組合， 負責各種不同功能（如記憶、語言、認知、動作等），而白質則負責各功能模組間的連結 溝通，將灰質的功能訊息依不同需求以特定時序傳遞至各晶片模組，使人腦得以呈現各式 多元的功能。過去我們常戲稱某人反應很慢像恐龍或長頸鹿，或說某人行為怪異是「神經 短路」，隨著腦科學技術的進步，讓我們得以一窺大腦中白質的功能與作用，回想這些兒 時的戲語，確有幾分道理。 腦造影技術開啟白質研究 由於缺乏相關研究技術，過去我們對大腦功能及結構的了解，大多局限於動物研究、腦傷 病人或大體解剖，雖然從1950年代起，科學家就已了解白質退化與老人失智症有關，但相 較於灰質區域，在電生理或解剖研究中，白質並沒有多元的電訊號反應，且大多呈現類似 的結構型態，因此未能引起研究者的關切。 隨著影像技術的進步，磁共振造影（MRI）技術提供了研究白質功能所需的訊息。研究人 員除了逐漸了解大腦灰質和白質的體積在各生長階段或病變時的改變，從 1980年代末期 起，更注意到中風、老化、憂鬱症患者的大腦白質在磁共振造影的自旋弛緩對比影像（ T2 weighted image）下有明顯的過亮現象。經由解剖影像對照發現，這些過亮現象大多 是局部梗塞、膠質變性（gliosis）或髓鞘脫失（demyelination）所造成。近期研究更顯 示，這種白質缺損所呈現的過亮現象，可能亦伴隨部份的認知能力衰退。 擴散張量磁振造影（diffusion tensor MRI, DTI）這項白質研究技術是在1990年初由美 國國家衛生研究院研究員貝斯爾（Peter Basser）等人所提出。最早描述磁振訊號的衰減 與擴散現象的論文，則是在1950年由美國加州大學哈恩（Erwin Hahn）教授所發表，並於 1970年代中期陸續應用於腦血障壁（blood brain barrier）、大腦及肌肉結構的微細結 構觀察，直到1980年中期，造影的基本原理提出後，擴散磁振造影技術才得以普及使用， 它結合了雙極脈衝梯度自旋迴訊序列（bipolar-pulsed gradient spin echo sequence, PGSE）測量擴散磁振訊號與磁振造影的概念，以雙極磁場梯度序列偵測擴散運動。 分子擴散運動是指分子所帶有的能量使其產生之隨機運動，水分子在大腦中發生擴散運動 時，會與細胞膜、神經纖維、髓鞘等細微組織產生碰撞、穿越等交互作用，只要能觀察水 分子運動，就可反映其周圍組織的結構狀態。偵測水分子擴散運動，有三種偵測方法，包 括利用具有放射活性示蹤劑（radioactive tracer measurement）、中子散射光譜（ neutron scattering spectroscopy）及脈衝梯度磁共振（pulsed gradient NMR），它們 分別可以測量到水分子的不同擴散距離。但前兩者具有放射性或侵入性，僅能在動物模型 上執行，無法使用於人體，而磁共振造影以氫原子為訊號主要來源，水分子中又富含氫原 子，且其可量測的擴散長度正適用於身體組織結構，因此擴散磁振造影恰可運用這項特性 ，以生物體內豐富的水分子為天然追蹤劑，偵測大腦內的微細構造，例如神經纖維完整性 、神經纖維方向及組織特性等。 1985年法國神經迴旋研究所（Neurospin）的雷比昂（Denis Le Bihan）院士更進一步提 出了擴散磁振造影臨床應用的可能性。由於水分子在組織中會因為擴散運動使得自旋迴訊 的訊號衰減，觀察組織間的擴散訊號可以大幅增進磁振造影技術的臨床診斷力。擴散磁振 造影最成功的臨床應用首見於1990年代初期美國史丹佛大學莫斯利（Michael Moseley） 教授用來觀察貓大腦局部缺血的現象，早期的大腦局部缺血會造成擴散磁振訊號的改變， 所以可藉以提供早期診斷，使病人能夠即時獲得治療。至今這項應用仍是中風病人的必要 診斷造影利器，在此同時，科學家也注意到擴散磁振造影於非等張性擴散的量測與應用的 可行性。 由於水分子擴散是三維的隨機運動，在組織中，水分子擴散會受到周圍環境影響而阻斷， 不同的環境結構或障礙物對水分子擴散造成限制，而導致非等張性擴散。理論上，只要能 了解非等張擴散的機率，就可了解水分子週遭的細微結構。因此，有關脊髓、大腦白質、 人類嬰兒大腦等非等張性擴散現象研究，陸續在1990 年代初提出。法國伯恩杜約克（ Philippe Douek）教授在1991年時提出水分子擴散的速度於神經纖維軸向比垂直方向快的 假設，並以色階呈現出大腦中特定的白質神經纖維的方向，雖然當時尚未建立正確的理論 基礎，但是水分子擴散最快的方向即為神經纖維方向的觀念，已經成功的勾勒出來。 然而如何定量出真正的方向，並將大腦或生物體中錯綜複雜的神經或肌肉纖維方向清楚呈 現呢？貝斯爾於1994年發展出DTI理論，他假設水分子於神經纖維中的擴散運動為橢圓型 分佈，並以一擴散張量描述這個橢圓的大小、形狀與方向。依此模型描述，橢圓長軸方向 即為標的擴散時最不受限制的方向，亦為神經纖維的走向，經由向量及神經連結運算，可 解析腦神經網絡圖，而此張量在三個方向軸的特徵值，即為該方向的擴散係數，可用以量 化神經狀態，如髓鞘的生長或脫失、神經完整度或結合密度等。藉著這項技術，研究人員 得以不侵入大腦的方式，了解白質所扮演的角色。相較於T2影像的過亮現象，DTI提供更 敏銳的白質量化指標及神經網絡訊息。 【欲閱讀完整的豐富內容，請參閱科學人2008年第74期4月號】 --

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