fMRI:功能磁共振成像

Neuroscience

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Summary

功能磁共振成像(fMRI)技术是一种非侵入性影像学技术,用于研究健康个体和大脑状态异常的群体的人脑功能和认知。功能磁共振成像利用磁共振信号来检测当执行一个特定任务时神经元激活引起的血流变化。它能得以实现,是因为血液中的血红蛋白根据它是否结合氧气具有不同的磁特性。当执行特定任务时,含氧血液流入到负责该功能的脑区,而这个流入随后可用特定的MRI扫描仪参数检测得到。这种现象被称为血氧浓度相依对比(BOLD)效果,可以用于创建脑活动的图谱。

本短片首先简要概述了如何获得MRI和fMRI信号。然后,回顾了基本的实验设计,这包括先建立一个刺激呈现模式,它是专门设计来检测将被定位的功能。接下来,介绍了进行功能磁共振成像扫描的关键步骤,包括受试者的安全和准备扫描仪。再演示了用于数据处理的常用步骤,包括预处理和用一般线性模型进行的统计学分析。最后,概述了功能磁共振成像的某些特定的应用,如研究心理障碍疾病的脑功能异常,以及将功能磁共振成像与其他成像模式,如弥散张量成像(DTI)结合使用。

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JoVE Science Education Database. 神经科学的基本知识. fMRI:功能磁共振成像. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

功能磁共振成像fMRI,是现在广泛使用的用于研究人脑的功能和认知的影像学方法。fMRI可用于研究正常的脑功能和异常或患病的大脑状态。

该方法利用强磁场,通过检测神经元活动引起的血流变化来绘制大脑活动的图谱。这种成像技术具有极佳的空间分辨率和良好的时间分辨率,并且它是非侵入性的,不需要注射,它也无需将研究对象暴露在电离辐射中。

本短片将讲述如何获得fMRI信号,基本的实验设计,操作fMRI,以及基本的数据处理。

首先,让我们来看看磁共振成像是如何工作的。本质上,MRI机器,或称“扫描仪”是非常强的电磁铁,通常为1.5 - 3特斯拉(T),它使用体内组织的磁特性来产生图片。

当病人或研究参与者位于扫描仪外时,组织中水分子的氢原子核以无序的方式旋转。当施加磁场后,它们变得更加有序。当位于磁场内的受试者接受到振荡射频脉冲时,原子核的旋转角度从一个能级跃迁到另一个能级,并释放出可被扫描仪读取并产生图像的信号。

功能磁共振成像得以实现,是因为我们血液中的血红蛋白根据它是否结合氧气有不同的磁学性质。当脱氧化时,它是“顺式”,意思是它会导致磁场不均匀,或在局部磁场产生轻微干扰,从而减小从周围的组织中获得的磁共振信号。

利用这一现象,大脑活动可根据血流对神经元激活产生的反应来测量。当神经元发放时,其代谢产物的增多导致含氧血液的涌入,使脱氧血红蛋白在该区域的数量有所减少。

这会导致不均匀性降低,因此激活神经元附近的区域会产生更多的信号。这被称为血氧浓度相依对比,或BOLD信号。

磁共振信号的绘图,被称为血流动力学响应函数,看起来就象这样,当神经元激活后,该区域的信号强度得到增加。

通过使用一个对血氧敏感的图像序列,扫描仪就可被设置用来绘制这一现象。整个大脑的体积需要每隔几秒钟就成像一次,以捕捉BOLD效应的实时反应。

和所有的科学实验一样,用到fMRI的实验也要先建立一个假设。然后,需要设计一个刺激呈现方式,也称模式,来测试感兴趣的脑功能。模式的设计范围可从一个基本组块模式,其中含有周期性持续接受的刺激,到更复杂的事件相关设计,其中刺激只短暂呈现并在实验过程中间隔出现。

此外还需利用对BOLD信号敏感的MRI序列,选择用于该实验设计的合适扫描参数。

在对人体进行任何实验前,要得到道德或伦理审查委员会的批准。然后,就可征集适当的研究参与者。

扫描前,受试者必须首先接受MRI安全性的筛选,任何参与者若有不适于核磁共振的情况,如携带有心脏起搏器,都必须排除在外。此外必须得到书面知情同意书,并且要拿走受试者身体上所有的金属物品。

接下来,要对受试者讲述实验的性质和功能任务操作指令,因为他们的表现是得到强效结果的关键。

在扫描室中,要先提供听力保护装置,再用带护垫的头罩固定头部来减少移动。还需设置刺激发生设备。护目镜或投影仪通常用于视觉呈现,但也存在其他类型的刺激传输设备。

一旦受试者感觉舒适后,将扫描床送入磁铁孔中。然后,设置成像序列,其中包括一个高分辨率的解剖扫描用以重新融合到功能扫描中。

应当提醒受试者任务指示,并且将功能采集与任务模式的开始同步。这很关键,因为任务时间要与图像获取时间匹配以进行精确的BOLD测量。

在扫描过程中应监控受试者,有必要时可进行额外的功能运行。最后,帮助受试者从扫描器中出来并离开扫描仪床。

所使用的特定的图像处理方法和软件程序包可根据实验而不同。在这段视频中,我们将讲讲常用的基于BOLD任务的处理方法。

首先,要对fMRI数据进行预处理,以消除图像失真并为统计分析做准备。这涉及对切片时间的校正和运动校正,以及融合到解剖图像中。

当进行小组研究时,通常还要将数据归一化到标准样本空间,这样就可在受试者之间进行大脑区域和空间坐标的比较。

一旦准备好数据,就可进行统计学分析,找出与测试的刺激或认知功能相关的有显著MR信号的区域。通常用一般线性模型来分析基于任务的实验。该模型假设获得的BOLD信号与预期的血流动力学响应函数一致,并将该函数与刺激设计结合起来。

最后,选择一个统计阈值来审核结果,通常用一个统计参数图来显示:使用彩色编码的刻度来指示图像的统计学显著单位“体素”,它可以被认为是三维像素。根据需要还可做进一步的分析。

现在,我们已经介绍了功能磁共振成像实验是如何设计,运行和分析的,让我们来看看这种方法的一些具体应用。功能磁共振成像被用来了解'正常'的人类大脑功能和认知,如运动,视觉和语言处理功能等等。虽然这些看起来是基本功能,但它们和其他认知过程一样,还有许多要被探究了解。

此外,功能磁共振成像可用于研究患病的大脑状态中和心理障碍下的脑功能。有很多研究的活跃领域,比如焦虑症,创伤后精神紧张性障碍,自闭症和痴呆。

为了进一步探讨大脑功能,功能磁共振成像还可与其他MR技术或其它类型的成像技术相结合,如弥散张量成像,脑电图“EEG”,甚至经颅磁刺激“TMS”。

还有可用于功能连接研究的静息态fMRI分析技术,比如独立分量分析和交叉相关分析。

您刚观看的是JoVE关于功能磁共振成像的介绍。本短片讲述了如何获得fMRI信号,基本的fMRI研究设计,操作fMRI,BOLD FMRI数据的处理,以及应用。

我们了解了功能磁共振成像是一种强效且非侵入性的成像技术,它可用于研究人脑功能和认知的许多方面。

感谢观看,祝您的实验顺利,请记住MRI安全性永远是第一位的!

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