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背景

自從1890年代開(kāi)始 ，人們就知道血流與血氧的改變（兩者合稱(chēng)為血液動(dòng)力學(xué)）與神經(jīng)元的活化有著密不可分的關(guān)系。神經(jīng)細(xì)胞活化時(shí)會(huì)消耗氧氣，而氧氣要借由神經(jīng)細(xì)胞附近的微血管以紅血球中的血紅素運(yùn)送過(guò)來(lái)。因此，當(dāng)腦神經(jīng)活化時(shí)，其附近的血流會(huì)增加來(lái)補(bǔ)充消耗掉的氧氣。從神經(jīng)活化到引發(fā)血液動(dòng)力學(xué)的改變，通常會(huì)有1-5秒的延遲，然后在4-5秒達(dá)到的高峰，再回到基線（通常伴隨著些微的下沖）。這使得不僅神經(jīng)活化區(qū)域的腦血流會(huì)改變，局部血液中的去氧與帶氧血紅素的濃度，以及腦血容積都會(huì)隨之改變。

歷史

血氧濃度相依對(duì)比 （ 英語(yǔ) ： Blood oxygen-level dependent ） （BOLD）首先由貝爾實(shí)驗(yàn)室小川誠(chéng)二等人于1990年所提出 ，小川博士與其同事很早就了解BOLD對(duì)于應(yīng)用MRI于腦部功能性造影的重要性，但是第一個(gè)成功的fMRI研究則是由John W. Belliveau與其同事于1991年透過(guò)靜脈內(nèi)造影劑（Gadolinium,Gd,釓）所提出 。接著由鄺健民等人于1992年發(fā)表在人身上的應(yīng)用 。同年，小川博士于4月底提出了他的結(jié)果且于7月發(fā)表于PNAS。 在接下來(lái)的幾年，小川博士發(fā)表了BOLD的生物物理學(xué)模型于生物物理學(xué)期刊。 Bandettini博士也于1993年發(fā)表論文示范功能性活化地圖的量化測(cè)量。

生理學(xué)

由于神經(jīng)元本身并沒(méi)有儲(chǔ)存所需的葡萄糖與氧氣，神經(jīng)活化所消耗的能量必須快速地補(bǔ)充。經(jīng)由血液動(dòng)力反應(yīng)的過(guò)程，血液釋出葡萄糖與氧氣的比率相較于未活化神經(jīng)元區(qū)域大幅提升。這導(dǎo)致了過(guò)多的帶氧血紅素充滿(mǎn)于活化神經(jīng)元處，而明顯的 帶氧/缺氧 血紅素比例變化使得BOLD可作為MRI的測(cè)量指標(biāo)之一。

血紅素氧化狀態(tài)（帶氧血紅素）的時(shí)候?yàn)榭勾判缘?，相?duì)于缺氧血紅素為順磁性的。 根據(jù)血液中血紅素的氧化比率可輕易的分辨出不同的磁共振訊號(hào)。血液中帶氧血紅素的濃度上升，相對(duì)的BOLD信號(hào)也會(huì)隨之加強(qiáng)。借由MRI搜集這些血氧濃度相依比訊號(hào)可以得知腦部中的血流與氧氣消耗量值。雖然這些訊號(hào)是極小量的，但仍可以表現(xiàn)出腦部中腦區(qū)的活化程度。當(dāng)腦部正思考或做動(dòng)作或是接受一種經(jīng)驗(yàn)過(guò)程，可以利用一系列嚴(yán)密的測(cè)量來(lái)確定哪些腦區(qū)是負(fù)責(zé)思考、運(yùn)動(dòng)、經(jīng)歷經(jīng)驗(yàn)。

幾乎大部分的功能性磁共振成像都是用BOLD的方法來(lái)偵測(cè)腦中的反應(yīng)區(qū)域，但因?yàn)檫@個(gè)方法得到的信號(hào)是相對(duì)且非定量的，使得人們質(zhì)疑它的可靠性。 因此，還有其他能更直接偵測(cè)神經(jīng)活化的方法（像是氧抽取率（Oxygen Extraction Fraction, OEF）這種估算多少帶氧血紅素被轉(zhuǎn)變成去氧血紅素的方法 ；或偵測(cè)神經(jīng)訊號(hào)造成的電磁場(chǎng)變化 ）被提出來(lái)，但由于神經(jīng)活化所造成的電磁場(chǎng)變化非常微弱，過(guò)低的信雜比使得至今仍無(wú)法可靠地統(tǒng)計(jì)定量。

BOLD與神經(jīng)活動(dòng)的關(guān)系

神經(jīng)信號(hào)與血氧濃度比之間的關(guān)系目前正在研究中。一般來(lái)說(shuō)，血氧濃度比跟血流量有一定程度的關(guān)聯(lián)，近幾十年來(lái)有許許多多的研究指出血流量與代謝率之間的關(guān)系 ，也就是說(shuō)，為了提供養(yǎng)分給神經(jīng)的代謝所需，血流供應(yīng)的地點(diǎn)跟時(shí)間被嚴(yán)密的控制。

技術(shù)

正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（Positron emission tomography），或稱(chēng)之為PET掃描技術(shù)的研究，給被試服用不同種放射活性物質(zhì)（但是很安全），這些物質(zhì)在腦內(nèi)被活動(dòng)的腦細(xì)胞吸收。磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）利用磁場(chǎng)和射頻波腦內(nèi)產(chǎn)生脈沖能量，因?yàn)槊}沖可調(diào)諧到不同頻段，使一些原子與磁場(chǎng)偶聯(lián)。當(dāng)磁脈沖被關(guān)掉的瞬間，這些原子振動(dòng)（共振）并返回到自己的初始態(tài)，特殊的射頻接收器檢測(cè)這些共振及其對(duì)于計(jì)算機(jī)的通道信息，據(jù)此而產(chǎn)生不同原子在腦區(qū)中的定位圖像。

功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）的新技術(shù)，將上述兩項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)檢驗(yàn)血流進(jìn)入腦細(xì)胞的磁場(chǎng)變化而實(shí)現(xiàn)腦功能成像，它給出更精確的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系。

相關(guān)條目

磁振造影

外部鏈接

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