fMRI技術

在眾多的模式中，用於腦功能定位的磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)技術，或曰功能磁共振成像(Functional MRI)是一種非常有效的研究腦功能的非介入技術，已經成為最廣泛使用的腦功能研究手段。最早起源於1991年春天，美國麻省總醫院(Massachusetts General Hospital，MGH)的磁共振研究中心利用磁共振成像生成反映腦血流變化的圖像。它雖然是一種非介入的技術，但卻能對特定的大腦活動的皮層區域進行準確、可靠的定位，空間分辨率達到2mm，並且能以各種方式對物體反覆進行掃描。

fMRI的另一個特點是，能實時跟蹤信號的改變。例如在僅幾秒鐘內發生的思維活動，或認知實驗中信號的變化。時間分辨率達到1s。大批的腦科學研究人員已經開始從事磁共振功能神經成像的研究，並將它應用於認知神經科學。醫學領域的迫切需求也進一步促使fMRI技術的發展，一些在病理方面的應用已初見端倪，例如利用擴散(Diffusion)成像和灌注(Perfussion)成像技術對大腦局部缺血進行診斷等。本文着重介紹功能磁共振的原理及應用方面的現狀和前景。

空間編碼是磁共振成像的關鍵技術。其基本的原理是，在X軸、Y軸和Z軸三個相互垂直的方向上施加磁場梯度或者梯度脈衝，使得磁場中不同位置產生的磁共振信號能在頻域中得以分辨。這樣頻域中不同位置就與空間中不同位置形成了對應關係。根據K空間的填充方式不同形成了多種成像技術。

EPI(回波平面成像)是一種超高速成像技術，並已成為當前fMRI研究的主選方法。它對腦的氧合狀態變化的檢測達到亞秒級程度。雖然早在1977年Mansfield就已提出該技術，但只是最近才得到臨牀應用。主要是因為該方法對MRI掃描儀的硬件要求過高，特別是對梯度子系統的要求。至今，全世界也只有數百台MRI掃描儀能達到這樣的要求。在功能成像實驗中，圖像的空間分辨可達到、甚至優於PET圖像的空間分辨，還多了一個時間維可以測量神經活動過程。雖然，在時間分辨上還不能與EEG相比，但其良好的空間特性在功能神經成像方面獨具特色。

EPI最大的優點在於它作為一種多層成像技術時可在高分辨率的前提下對全腦進行定位。比如，大約5s就可得到一個分辨率在三個方向上均為3mm的64×64×64的圖像矩陣。每層的TR為5s，在fMRI場強條件下組織和血液中的T1為1s的數量級，飽和效應很小。而且，EPI及其派生技術(如Single-Shot GRASE，Single-Shot Spiral EPI)的獲取信息率(即單位時間的信噪比)最高。圖2所示對短暫視覺刺激時fMRI時間序列。

普林斯頓大學的研究人員已經解決利用功能性核磁共振成像(fMRI)技術來了解大腦活動。功能性核磁共振成像技術可以顯示大腦各個區域內靜脈毛細血管中血液氧合狀態所起的磁共振信號的微小變化．使用fMRI的方法，可以在正常的活體上無損傷地實現大腦活動的功能定位，時空分辨率可分別達到秒和毫米數量級，雖然還無法準確描述具體是什麼，但可以區分你所想的事物類型，比如是動物而不是蔬菜。

比如你想象一根胡蘿蔔，再想象一隻奶牛，這兩段思維會激活大腦不同的區域，利用fMRI很容易辨別出來。研究人員已經將這個掃描精細到能分辨出不同區域所對應的事物類型。人們在思考時大腦會記錄下各種“快捷方式”，所想到各種具體物品會有專門的對應區域，可能這些區域沒有細化到代表胡蘿蔔或是小白菜而是抽象歸類為“蔬菜”，然後想到小白兔或奶牛時指向“動物”。這樣的話fMRI就能識別到對應的標記。

下一步研究工作就是微調掃描精度，以達到識別更為具體事物的目的。想象一下，如果通過大腦掃描就能知道它在想什麼，那時人們就能與別人大腦直接溝通，即使對方完全沒有行動能力，無法用言語來表達。