神經影像學概述

視頻： 2分鐘神經科學_神經影像學

神經成像或腦成像是使用各種技術直接或間接地成像神經系統的結構，功能或藥理學。它是醫學，神經科學和心理學領域的一門相對較新的學科。[1]專門研究臨床環境中神經影像學表現和解釋的醫生是神經放射學家。

神經影像學分為兩大類：

結構成像，涉及神經系統的結構和嚴重（大規模）顱內疾病（如腫瘤）和損傷的診斷。

功能成像，用於診斷更精細的代謝疾病和病變（如阿爾茨海默病），也用於神經和認知心理學研究和建立腦機介面。

例如，功能成像使得能夠直接可視化大腦中心的信息處理。這種處理導致大腦的相關區域增加新陳代謝並在掃描中「點亮」。神經影像學更具爭議性的用途之一就是研究「思想識別」或思維閱讀。

患有良性家族性巨頭畸形的患者頭部的矢狀矢狀MRI。

目錄

1 歷史

2 適應症

3 腦成像技術

3.1計算機軸向斷層掃描

3.2 漫射光學成像

3.3 與事件有關的光信號

3.4 磁共振成像

3.5 功能磁共振成像

3.6 腦磁圖

3.7 正電子發射斷層掃描

3.8 單光子發射計算機斷層掃描

3.9 顱超聲

4 神經影像技術的優點和關注點

4.1 功能磁共振成像（fMRI）

4.2 計算機斷層掃描（CT）掃描

4.3 正電子發射斷層掃描（PET）

4.4 腦磁圖（MEG）和腦電圖（EEG）

5 批評和警告

6 參考

歷史

主要文章：神經影像學的歷史

頭部的計算機斷層掃描（CT），從頭骨的頂部到底部

神經影像史的第一章追溯到義大利神經科學家Angelo Mosso，他發明了「人體循環平衡」，可以在情緒和智力活動中非侵入性地測量血液的重新分布。[2]然而，儘管威廉·詹姆斯在1890年簡要提到過，這種平衡的細節和精確的工作以及Mosso用它進行的實驗在最近發現原始樂器以及Stefano Sandrone及其同事的Mosso報告之前仍然未知。[ 3]

1918年，美國神經外科醫生Walter Dandy介紹了腦室造影技術。通過將過濾的空氣直接注射到腦的一個或兩個側腦室中來獲得腦內腦室系統的X射線圖像。 Dandy還觀察到通過腰椎穿刺引入蛛網膜下腔的空氣可以進入腦室，並且還可以顯示腦底部及其表面周圍的腦脊液腔。這項技術被稱為腦血管造影術。

1927年，Egas Moniz引入了腦血管造影術，可以非常準確地顯示大腦內部和周圍的正常和異常血管。

在20世紀70年代早期，Allan McLeod Cormack和Godfrey Newbold Hounsfield介紹了計算機軸向斷層掃描（CAT或CT掃描），並且更加詳細的大腦解剖圖像可用於診斷和研究目的。科馬克和豪恩斯菲爾德因其工作獲得了1979年諾貝爾生理學或醫學獎。在20世紀80年代早期引入CAT後不久，放射性配體的發展允許大腦的單光子發射計算機斷層掃描（SPECT）和正電子發射斷層掃描（PET）。

或多或少兼并，磁共振成像（MRI或MR掃描）由包括Peter Mansfield和Paul Lauterbur在內的研究人員開發，他們於2003年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。在20世紀80年代早期，MRI被臨床引入，並且在20世紀80年代，發生了技術改進和診斷MR應用的真正爆炸式增長。科學家很快就了解到PET測量的大血流量變化也可以通過正確的MRI類型進行成像。功能性磁共振成像（fMRI）誕生，自20世紀90年代以來，fMRI由於其低侵襲性，缺乏輻射暴露和相對廣泛的可用性而成為大腦測繪領域的主導。

在21世紀初，神經影像學領域達到了功能性腦成像的有限實際應用已成為可能的階段。主要應用領域是腦機介面的粗略形式。

適應症

神經成像遵循神經系統檢查，其中醫生已經找到了更深入地調查患有或可能患有神經障礙的患者的原因。

一個人可能經歷的一個更常見的神經系統問題是簡單的暈厥。[4] [5]在簡單暈厥的情況下，患者的病史並未提示其他神經系統癥狀，診斷包括神經系統檢查，但未指示常規神經系統影像，因為在中樞神經系統中發現原因的可能性極低且患者不太可能從該程序中受益。[5]

對於診斷為偏頭痛的穩定性頭痛患者，不適用神經影像學檢查。[6]研究表明，偏頭痛的存在不會增加患者顱內疾病的風險。[6]偏頭痛的診斷表明沒有其他問題，如視乳頭水腫，並不表示需要進行神經影像學檢查。[6]在進行仔細診斷的過程中，醫生應該考慮頭痛是否有偏頭痛以外的原因並且可能需要進行神經影像學檢查。[6]

神經影像學的另一個指征是CT，MRI和PET引導的立體定向手術或放射外科手術治療顱內腫瘤，動靜脈畸形和其他可手術治療的病症。[7] [8] [9] [10]

腦成像技術

計算機軸向斷層掃描

主要文章：CT頭

計算機斷層掃描（CT）或計算機軸向斷層掃描（CAT）掃描使用從許多不同方向拍攝的頭部的一系列X射線。 CT掃描通常用於快速查看腦損傷，使用計算機程序對測量的X射線系列進行數值積分計算（逆Radon變換），以估計在少量的X射線束中吸收多少X射線束。大腦。通常，信息以大腦的橫截面形式呈現。[11]

漫射光學成像

漫射光學成像（DOI）或漫射光學斷層掃描（DOT）是一種醫學成像模式，其使用近紅外光來生成身體的圖像。該技術測量血紅蛋白的光學吸收，並依賴於血紅蛋白的吸收光譜隨其氧合狀態而變化。高密度漫反射光學斷層掃描（HD-DOT）已經與使用這兩種技術研究的受試者的視覺刺激反應直接與fMRI進行了比較，結果令人放心。[12] HD-DOT還在語言任務和靜止狀態功能連接方面與fMRI進行了比較。[13]

事件相關的光信號

事件相關光信號（EROS）是一種腦掃描技術，它使用紅外光通過光纖來測量大腦皮層活動區域的光學特性的變化。雖然漫反射光學成像（DOT）和近紅外光譜（NIRS）等技術可測量血紅蛋白的光學吸收，因此基於血流，EROS利用神經元本身的散射特性，從而提供更直接的細胞活動的測量。 EROS可以在毫米（空間）和毫秒（時間）內精確定位大腦中的活動。它最大的缺點是無法檢測超過幾厘米深的活動。 EROS是一種新的，相對便宜的技術，對測試對象是非侵入性的。它由伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校開發，目前用於Gabriele Gratton博士的認知神經影像學實驗室和Monica Fabiani博士。

磁共振成像

主要文章：腦和腦幹的MRI

在中線的矢狀MRI切片。

磁共振成像（MRI）使用磁場和無線電波來產生高質量的二維或三維腦結構圖像，而無需使用電離輻射（X射線）或放射性示蹤劑。

功能磁共振成像

在基底神經節水平的軸向MRI切片，顯示fMRI BOLD信號變化覆蓋紅色（增加）和藍色（減少）音調。

功能性磁共振成像（fMRI）和動脈自旋標記（ASL）依賴於含氧和脫氧血紅蛋白的順磁性質，以觀察與神經活動相關的大腦中血流變化的圖像。這允許生成圖像，其反映在執行不同任務期間或在靜止狀態期間激活（以及如何）哪些腦結構。根據氧合假設，認知或行為活動期間局部腦血流中的氧使用的變化可以與區域神經元相關聯，其與正在參與的認知或行為任務直接相關。

大多數fMRI掃描儀允許對象呈現不同的視覺圖像，聲音和觸摸刺激，並且可以進行不同的動作，例如按下按鈕或移動操縱桿。因此，fMRI可用於揭示與感知，思想和行為相關的大腦結構和過程。 fMRI的解析度目前約為2-3毫米，受到血液動力學對神經活動反應的空間擴散的限制。它已經在很大程度上取代了PET用於研究大腦激活模式。然而，PET通過其成像放射性標記的受體「配體」（受體配體是任何粘附於受體的化學物質）的能力，保留了能夠鑒定與特定神經遞質相關的特定腦受體（或轉運蛋白）的顯著優點。

除了對健康受試者的研究外，fMRI還越來越多地用於疾病的醫學診斷。因為fMRI對血流中的氧氣使用非常敏感，所以它對由缺血（異常低血流量）引起的大腦早期變化極為敏感，例如中風後的變化。某些類型中風的早期診斷在神經病學中越來越重要，因為溶解血栓的物質可以在某些類型的中風發生後的最初幾個小時內使用，但之後使用是危險的。在fMRI上看到的大腦變化可能有助於決定用這些藥物治療。準確度在72％到90％之間，機會達到0.8％，[14] fMRI技術可以決定主體正在觀看的一組已知圖像中的哪一種。[15]

腦磁圖

腦磁圖（MEG）是一種成像技術，用於通過極其敏感的設備（如超導量子干涉設備（SQUID）或自旋交換無弛豫[16]（SERF）磁強計測量大腦中電活動產生的磁場。 MEG提供非常直接的神經電活動測量（例如與fMRI相比），具有非常高的時間解析度但相對低的空間解析度。測量由神經活動產生的磁場的優點是，與通過腦電圖（EEG）測量的電場相比，它們可能更少受到周圍組織（特別是頭骨和頭皮）的扭曲。具體地，可以示出當頭部被建模為一組同心球殼時，由電活動產生的磁場不受周圍頭部組織的影響，每個同心球殼是各向同性的均勻導體。真正的頭部是非球形的並且具有很大的各向異性導電性（特別是白質和顱骨）。雖然顱骨各向異性對MEG的影響可忽略不計（與腦電圖不同），但白質各向異性強烈影響徑向和深源的MEG測量。[17]然而，請注意，在本研究中假設頭骨是均勻各向異性的，對於真實的頭部而言並非如此：外交和表格層的絕對和相對厚度在顱骨之間和內部不同。這使得MEG也可能受到顱骨各向異性的影響[18]，儘管可能與腦電圖的程度不同。

MEG有許多用途，包括協助外科醫生定位病理學，協助研究人員確定大腦各部位，神經反饋等功能。

正電子發射斷層掃描

正電子發射斷層掃描（PET）和腦正電子發射斷層掃描，測量已經注入血流的放射性標記的代謝活性化學物質的排放。對發射數據進行計算機處理，以產生化學物質在整個大腦中分布的二維或三維圖像。[19]：57所用的正電子發射放射性同位素由回旋加速器產生，化學物質用這些放射性原子標記。被稱為放射性示蹤劑的標記化合物被注入血液並最終進入大腦。 PET掃描儀中的感測器檢測放射性，因為化合物在大腦的各個區域累積。計算機使用感測器收集的數據來創建多色2或3維圖像，以顯示化合物在大腦中的作用。特別有用的是用於繪製神經遞質活性的不同方面的多種配體，迄今為止最常用的PET示蹤劑是標記形式的葡萄糖（參見Fludeoxyglucose（18F）（FDG））。

PET掃描的最大好處是不同的化合物可以顯示工作大腦組織中的血流和氧和葡萄糖代謝。這些測量反映了大腦各個區域的大腦活動量，可以讓您更多地了解大腦的運作方式。 PET掃描在首次出現時在解析度和完成速度（最短30秒）方面優於所有其他代謝成像方法。改進的解析度允許對由特定任務激活的大腦區域進行更好的研究。 PET掃描的最大缺點是，由於放射性迅速衰減，僅限於監測短期任務。[19]：60在fMRI技術上線之前，PET掃描是功能（與結構相反）腦成像的首選方法，它繼續為神經科學做出巨大貢獻。

PET掃描也被用於診斷腦部疾病，最主要的原因是因為腦腫瘤，中風和導致痴呆的神經元損傷性疾病（如阿爾茨海默病）都會引起大腦新陳代謝的巨大變化，從而導致PET易於檢測到的變化掃描。 PET在某些痴呆症的早期病例中可能是最有用的（經典的例子是阿爾茨海默病和皮克病），其中早期損傷過於分散並且使腦容量和總體結構的差異太小而無法改變CT和標準MRI圖像。能夠可靠地將其與皮質萎縮的「正常」範圍區分開來，這種皮質萎縮伴隨著衰老（在許多但不是全部）人中發生，並且不會引起臨床痴呆。

單光子發射計算機斷層掃描

單光子發射計算機斷層掃描（SPECT）類似於PET，並使用伽馬射線發射放射性同位素和伽瑪相機來記錄計算機用於構建活動腦區域的二維或三維圖像的數據。[20] SPECT依賴於放射性示蹤劑或「SPECT劑」的注射，其迅速被大腦吸收但不會重新分布。 SPECT藥物的攝取在30至60秒內接近100％完成，反映了注射時的腦血流量（CBF）。 SPECT的這些特性使其特別適合於癲癇成像，這通常由於患者移動和可變癲癇發作類型的問題而變得困難。 SPECT提供腦血流的「快照」，因為在癲癇發作終止後可以獲得掃描（只要在癲癇發作時注射放射性示蹤劑）。與MRI相比，SPECT的顯著限制是其解析度差（約1cm）。今天，常用的是具有雙探測器頭的SPECT機器，儘管市場上有三重探測器頭機器。斷層掃描重建（主要用於大腦的功能「快照」）需要探測器頭的多個投影，這些投影圍繞人類頭骨旋轉，因此一些研究人員開發了6和11個探測器頭SPECT機器來縮短成像時間並提供更高的解析度。 21] [22]

與PET一樣，SPECT也可用於區分產生痴呆的不同類型的疾病過程，並且它越來越多地用於此目的。 Neuro-PET的缺點是需要使用半衰期至多110分鐘的示蹤劑，例如FDG。這些必須在回旋加速器中製造，並且如果必要的運輸時間延長超過幾個半衰期則是昂貴的甚至不可用的。然而，SPECT能夠利用具有更長半衰期的示蹤劑，例如鍀-99m，因此可以廣泛使用。

顱超聲

顱超聲通常僅用於嬰兒，其開放的囟門提供聲學窗口，允許大腦的超聲成像。優點包括沒有電離輻射和床邊掃描的可能性，但缺乏軟組織細節意味著MRI在某些情況下是優選的。

神經影像技術的優點和關注點

功能磁共振成像（fMRI）

與其他成像方法相比，fMRI由於其非侵入性而通常被歸類為最低至中度風險。 fMRI使用血氧水平依賴（BOLD） - 對比以產生其成像形式。 BOLD-contrast是一種自然發生的體內過程，因此fMRI通常優於需要放射性標記產生類似成像的成像方法。[23]使用fMRI的一個問題是它在患有醫療植入物或裝置和體內金屬物品的個體中的使用。如果沒有經過適當的篩選，從設備發出的磁共振（MR）可能導致醫療設備故障並吸引體內的金屬物體。目前，FDA根據MR兼容性將醫療植入物和設備分為三類：MR安全（在所有MR環境中安全），MR不安全（在任何MR環境中不安全）和MR條件（MR兼容）某些環境，需要進一步的信息）。[24]

FDA MR用於植入物和設備的安全標籤

MR 安全[25]

MR Conditional

MR Unsafe

計算機斷層掃描（CT）掃描

CT掃描於20世紀70年代引入，並迅速成為最廣泛使用的成像方法之一。 CT掃描可在一秒鐘內完成並為臨床醫生提供快速結果，其易用性導致美國CT掃描量從1980年的300萬增加到2007年的6200萬。臨床醫生經常進行多次掃描在一項CT掃描使用研究中，30％的人接受了至少3次掃描[26]。 CT掃描可使患者暴露於比傳統X射線高100-500倍的輻射水平，更高的輻射劑量可產生更好的解析度成像。[27]雖然易於使用，但CT掃描使用的增加，特別是在無癥狀患者中，是一個值得關注的話題，因為患者暴露於相當高的輻射水平[26]。

正電子發射斷層掃描（PET）

在PET掃描中，成像不依賴於內在的生物過程，而是依賴於注入血液中的異物進入大腦。患者注射放射性同位素，這些放射性同位素在大腦中代謝並發出正電子，以產生大腦活動的可視化。[23]患者在PET掃描中暴露的輻射量相對較小，與個體在一年中暴露的環境輻射量相當。 PET放射性同位素在體內的暴露時間有限，因為它們通常具有非常短的半衰期（約2小時）並且迅速衰減。[28]目前，與PET相比，fMRI是大腦活動成像的首選方法，因為它不涉及輻射，具有比PET更高的時間解析度，並且在大多數醫療環境中更容易獲得。[23]

腦磁圖（MEG）和腦電圖（EEG）

MEG和EEG的高時間解析度允許這些方法測量低至毫秒的大腦活動。 MEG和EEG都不需要患者暴露於輻射以起作用。 EEG電極檢測由神經元產生的電信號以測量大腦活動，並且MEG使用由這些電流產生的磁場中的振蕩來測量活動。 MEG廣泛使用的一個障礙是定價，因為MEG系統可能花費數百萬美元。 EEG是一種用於實現這種時間解析度的更廣泛使用的方法，因為EEG系統的成本遠低於MEG系統。 EEG和MEG的一個缺點是，與fMRI相比，這兩種方法的空間解析度都很差。[23]

批評和警告

一些科學家批評了在科學期刊和大眾媒體中提出的基於大腦圖像的主張，就像發現「大腦的一部分負責人」這樣的功能，如天賦，特定記憶或產生愛情等情感。許多映射技術具有相對低的解析度，包括單個體素中的數十萬個神經元。許多功能也涉及大腦的多個部分，這意味著這種類型的聲明可能都與使用的設備無法通知，並且通常基於關於大腦功能如何劃分的錯誤假設。可能大多數腦功能只能在用更細粒度的測量進行測量後才能正確描述，這些測量看起來不是大區域，而是大量微小的個體大腦電路。這些研究中的許多也存在技術問題，例如樣本量小或設備校準差，這意味著它們無法複製 - 有時會忽略這些因素而產生聳人聽聞的期刊文章或新聞標題。在某些情況下，大腦繪圖技術以未經科學驗證的方式用於商業目的，謊言檢測或醫學診斷。[29]

丁香葉

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！