摘要
我们解释和处理信息以及调节情绪的能力是由我们大脑的结构和化学组成决定的。大脑结构或生化组成的变化会影响我们的心理健康、我们应对正常生活压力的方式、我们的生产力和我们的整体健康。对研究大脑和精神健康障碍感兴趣的科学家(称为神经科学家)试图了解大脑的结构和生化组成在健康和疾病中是如何不同的。为了做到这一点，我们使用一种叫做磁共振成像(MRI)的技术来成像活体大脑内部，检查它的功能和结构。这篇文章解释了核磁共振成像的物理原理，以及我们如何使用它来生成我们大脑的图像，以研究大脑是如何工作的。
大脑:思想的家园
作为神经系统的中心，大脑从周围环境中获取信息。大脑解释信息，同时释放化学物质和发送电子信号(信息)以引起身体的反应。然而，我们的大脑不仅调节我们的身体和动作，而且还是我们思想的家园。大脑是思想居住的物理场所。
我们的大脑不断地控制着信息流——我们的记忆、思想、情感和想象。这个信息流(图1一个)可以被认为是一个社交网络，在这个网络中，信息不是在社交媒体上在朋友之间发送，而是通过神经元发送到大脑的不同部位。大脑网络依赖于大脑的底层结构和化学组成来成功运作。事实上，一个成功或有效的思维网络可以让我们在认知(我们进行心理活动的能力)、情感和社交方面保持健康。
- 图1 -大脑的网络
- (一)信息流、我们的情绪和思想可以被看作是一个社交网络，在这个网络中，信息不是在社交媒体上在朋友之间发送，而是沿着神经元发送到大脑的不同部位。(B)在精神健康障碍中，比如抑郁和焦虑，我们经常看到大脑网络被破坏。这种干扰会影响大脑网络发送、接收或解释信息的方式。
心理健康
心理网络，它发送信息的方式和它的底层结构决定了我们的心理健康。在精神健康障碍中，如抑郁和焦虑，我们经常看到思维网络的中断(图1 b)．这种大脑结构和化学成分的变化会影响我们应对正常生活压力的方式，影响我们的工作效率和整体健康。因此，想要了解心理健康障碍以及我们如何保持心理健康的神经科学家寻求研究思维网络。如果我们能够了解大脑的结构和化学组成如何导致健康的功能，那么我们就可以开始理解大脑疾病。然而，为了能够研究思维及其网络，我们需要能够看到人们的大脑内部。我们使用核磁共振成像．
磁共振成像:MRI
通过使用磁铁和无线电波，磁共振成像(MRI)可以让我们以惊人的细节看到人体内部。第一台用于人体成像的核磁共振扫描仪于1977年在纽约建成。从那时起，这项技术已经取得了长足的进步，现在医生经常使用核磁共振成像来观察人体内部。这是因为核磁共振不涉及辐射(像x射线或CT扫描)，而且世界各地安装了越来越多的核磁共振扫描仪。
磁共振成像中的“磁铁”
核磁共振扫描仪本质上是一个巨大的磁铁。磁体的强度是以特斯拉(T)为单位来测量的。医院和医学研究诊所中使用的大多数核磁共振扫描仪是1.5或3吨。从这个角度来看，地球磁场大约是0.00006吨。一个3吨的核磁共振扫描仪比地球磁场强大约6万倍!
核磁共振成像利用磁场和无线电波来测量身体不同组织中有多少水，绘制出水的位置，然后利用这些信息生成详细的图像。这些图像非常详细，因为我们的身体由大约65%的水组成，所以我们有很多信号需要测量。水分子(H2O)由两个氢原子和一个氧原子组成。氢原子是MRI对水感兴趣的部分，也是我们在做MRI扫描时用来测量来自身体的信号的部分。
如果我们更详细地观察氢，我们会发现它有一个中心核，其中含有一个正电荷，叫做质子(图2一个)．就像地球有南北磁极绕地轴旋转一样，每个旋转的氢质子就像一个微小的磁铁，绕着自己的轴旋转。这种旋转运动称为进动。在任何时刻，我们体内数十亿的氢质子都处于随机的位置，并沿着它们的轴旋转。
- 图2 -氢质子和它们在磁场中的行为。
- (一)水是由两个氢原子和一个氧原子组成的。氢原子核(用红色表示为P+)含有一个正电荷——一个绕轴旋转的质子，它的作用就像一个微型磁铁。(B)在核磁共振扫描仪中，质子与B0磁场对齐，一些“向上”(红色)，稍微“向下”(白色)。所有氢质子产生的总磁场几乎相互抵消，只留下一小部分额外的“向上”质子产生的磁场，我们可以用核磁共振成像测量这个小磁场。(C)当打开与质子进动频率相同频率的射频波/脉冲时，“向上”的质子在吸收射频能量时从B0场翻转离开。
然而，当我们把人体放在一个非常强的磁场中，比如核磁共振扫描仪，这种随机性就会改变。就像指南针指向地球磁场一样，当这些随机旋转的氢质子被放置在核磁共振扫描仪中，它们的轴会与扫描仪更强的磁场重新对齐。我们称这种扫描仪为磁场B0字段。就像地球磁场中的指南针针一样，指南针本身并没有物理上的移动，而是通过旋转来校准自己。类似地，当你进入核磁共振扫描仪时，氢质子并没有在你体内移动，它们的轴只是沿着B0场的方向排列。有些将“向上”对齐(平行)，有些将“向下”对齐(反平行)，同时仍然在自己的轴上旋转(图2 b)．由于量子物理的奇妙定律，我们不会在这里深入讨论，“向上”的质子总是略多于“向下”的质子。如果你现在考虑一下由所有氢质子产生的总磁场，这些微小的磁铁几乎相互抵消，只留下一小部分额外的“向上”质子的磁场，正是这个小磁场，我们可以用核磁共振成像测量。
B0场不仅影响氢质子的排列，还影响这些质子自旋的速度(称为B0)岁差的频率)．进动频率取决于磁场的强度。磁场越强，它们旋转得越快。当我们用MRI测量这些氢分子的信号时，轴的重新排列和进动频率这两个概念很重要。
我们如何探测磁场?
那么，我们如何区分由我们体内额外的“向上”氢质子引起的微小磁场和扫描仪上的巨大B0磁场呢?我们用的是a无线电频率脉冲，以干扰或翻转所有的质子，在同一时间，从扫描器磁场(图2 c)．射频脉冲的频率必须与自旋氢质子的频率相同，这样它们才能交换能量，所以它们是在共振彼此之间。共振使质子从射频脉冲中吸收足够的能量，使它们的轴远离B0场，这样MRI扫描仪就可以测量它。如果我们再想想我们的指南针在地球磁场中指向北极，我们可以让指针旋转指向东方，如果我们在指南针旁边放一个小条形磁铁。这与我们打开射频脉冲时质子的行为相似。
如果整个身体都充满了在B0中以相同的处理频率旋转的氢“向上”质子，我们如何只针对大脑中的那些来研究心理健康?我们利用质子的进动频率依赖于磁场强度这一事实。我们施加第二个磁场，B1，在身体各处变化。中所示的例子图3一这时，头部的氢质子会比胸部、胃部和脚中的氢质子旋转得更快。然后，我们将射频脉冲调整到头部氢质子的处理频率。射频脉冲将只与大脑中的质子共振。因此，只有大脑中的质子会从射频脉冲中吸收能量，并从B0场中翻转出去。显然，我们可以调整射频脉冲，使其与身体其他部位的质子共振，比如脚，如果我们对脚的成像感兴趣的话!
- 图3 -聚焦成像。
- (一)应用B1场，从脚到头在全身增加。头部的氢质子会比脚中的氢质子旋转得更快。(B)人体内不同的组织，如白质、灰质和脑脊液(CSF)，会释放不同数量的能量。当射频脉冲关闭时，为了测量大脑中质子发射的能量，我们在头部周围放置了一个线圈。(C)这项技术可以提供许多不同的大脑图像，为我们提供信息(右上):大脑是如何通过大脑的信息高速公路——白质在结构上连接起来的。(右中):大脑中处理信息的灰质区域的体积。(右下):大脑在功能上是如何连接的——大脑的不同区域是如何交流和共同工作的。
我们如何从这些自旋质子中获得图像?
那么，我们如何从大脑中旋转、翻转的氢质子中获得图像呢?当射频脉冲关闭时，质子翻转回来，并沿着主磁场B0重新排列。如果我们再想想我们的指南针，当我们把小磁棒移开时，磁针将从东向北旋转，并再次与地球磁场对齐。当质子翻转回来并与B0重新排列时，它们释放出能量。身体不同的组织会释放不同的能量。为了测量放射出的能量，我们需要一些特殊的设备(称为线圈)，它被放置在我们成像的身体部位(图3 b)．线圈就像天线一样，以电流的形式检测释放的能量。电流通过计算机进行转换，使用一种叫做a的数学计算傅里叶变换．由于大脑中不同类型组织中的质子，如灰质、白质和血液，都释放出不同数量的能量，转换能量的结果是大脑内部组织的高度详细图像。
结论
我们现在已经描述了我们如何使用MRI来产生和测量来自体内水分子的信号。但是，除了提供我们身体内部的图像外，核磁共振还可以用来回答许多关于大脑组成及其功能的不同问题。通过核磁共振成像图像，我们不仅可以研究大脑的结构和化学组成，还可以研究我们的思维网络是如何连接的，以及大脑的不同区域是如何相互交流的。图3 c)．通过这种方式，神经科学家可以研究大脑网络在健康和精神健康障碍中的不同之处。通过了解心理健康疾病如何改变大脑，我们可以开始开发治疗这些疾病的方法。
术语表
核磁共振成像：↑磁共振成像。
B0：↑核磁共振扫描仪的主磁场。
岁差的频率：↑质子在磁场中自旋的速率。
射频：↑用于使共振质子远离B0场的射频脉冲。
在共振：↑有相同的频率。
傅里叶变换：↑一种数学计算方法，用来将线圈中的电流转换成图像。
利益冲突声明
作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。