核心概念神经科学与心理学发布日期:2019年6月28日

磁共振成像如何用于了解大脑?

作者

帕特里夏·玛丽亚·霍约斯

金娜妍

Sabine Kastner

年轻的评论家

迪尔沃思Stem学院

摘要

为了研究大脑，科学家们可以使用一种叫做核磁共振成像扫描仪的机器。核磁共振扫描仪以一种安全的方式拍摄大脑的照片，使科学家能够了解大脑的结构及其功能。核磁共振成像帮助科学家了解当你从事不同的活动时，大脑的哪些区域是活跃的，比如阅读这样一个句子!首先，这篇文章解释了核磁共振扫描仪如何安全地拍摄高质量的大脑照片。接下来，我们将解释核磁共振扫描仪如何通过测量大脑不同部位的活动来帮助科学家了解大脑的功能。最后，我们描述了参与一项涉及核磁共振扫描仪的研究是什么样子的，以及科学家可以使用核磁共振扫描仪作为工具回答的各种问题。

用核磁共振扫描仪探索大脑的结构和功能

想象一下你正在建造一个机器人。在这样做的时候，你会考虑你想要机器人的样子，以及你如何建造它，使它能很好地工作。换句话说，你需要考虑结构机器人的属性(例如，它的高度、宽度和重量)以及函数它的部分(你想让你的机器人做什么?)

同样，大脑科学家研究结构通过拍摄大脑的照片来研究大脑。如你所见图1,一个核磁共振扫描仪图片可以很容易地识别嘴巴、舌头和鼻子。它还使脑科学家能够识别大脑的部分，如脑干、大脑皮层、小脑等等。由于大脑是三维的，一张图片不足以捕捉它。相反，核磁共振扫描仪使用强力磁铁拍摄一系列照片，实际上是将大脑切成多片，然后组合成3D图像。

图1 - MRI扫描仪和它所拍摄的图像是什么样子的?

**(一)**一个核磁共振扫描仪的例子。扫描仪有一张床供参与者躺在上面。参与者戴着一个头部线圈，看起来有点像《星球大战》中达斯·维达的头盔。当参与者准备好后，床进入核磁共振机的圆形开口。**(B)**由核磁共振扫描仪拍摄的大脑照片。这张照片让科学家们能够非常详细地看到头部的内部。例如，你可以看到嘴巴、舌头、鼻子、脑干、大脑皮层和小脑的位置。

MRI数据能提供多少细节?想想用相机拍的照片。如果你非常非常仔细地看一张图片，你会看到叫做像素的小正方形。如你所见图2在美国，像素越多的图片看起来就越清晰，细节也越多。然而，核磁共振扫描仪不能使用2D像素来创建3D大脑的图像。相反，核磁共振扫描仪使用的是3D版本的像素，称为体素。体素就像一个边缘为1-3毫米的小立方体。核磁共振扫描仪以许多体素的形式对每个大脑切片进行成像，从而得到最终的高分辨率3D大脑图像。

图2 -像素如何改变图像质量?

**(一)**像素越多，图像越清晰。左边的图像比右边的图像有更多的像素。像素越多，图像就越清晰。**(B)**体素是像素的3D版本。核磁共振扫描仪使用许多体素来获得尽可能清晰的图像。

请记住，图像的清晰度还取决于你拍摄的是移动的物体还是静止的物体。例如，如果你拍了一张奔跑的松鼠的照片，无论照片有多少像素，它都会很模糊。如果松鼠静止不动，你用足够的像素拍一张照片，你就能得到一张松鼠的清晰照片。同样，尽管核磁共振扫描仪可以拍摄高质量的照片，但重要的是，在核磁共振成像创建大脑图像时，参与者尽可能保持静止。

科学家们可以从这些高分辨率3D图像中了解到大脑不同部分的大小和形状。例如，他们可以研究随着一个人年龄的增长，大脑各个部分的形状和大小是如何变化的。医生还可以在医院和诊所使用核磁共振扫描仪，以获得患者大脑或身体其他部位的清晰图像。

现在，回到制造机器人的问题上。一旦你决定了它的结构，你就必须测试机器人的功能。同样，科学家们经常想通过测量一个人大脑的活动来研究大脑的不同部分是如何协同工作的。接下来，我们将讨论如何使用核磁共振扫描仪以安全可靠的方式研究大脑功能。

当大脑的一部分变得活跃时会发生什么?

我们知道，当我们做不同的事情时，我们大脑的不同部分会变得更活跃。例如，在大脑后部的区域，称为枕叶(见图3)是专门用来看东西的，当看到对我们来说非常重要或有意义的东西时，这个区域会变得更加活跃，比如其他人的脸。科学家们通过使用核磁共振扫描仪来比较志愿者看到朋友照片和空白屏幕时的大脑活动，从而发现了这一点。当志愿者看到朋友的照片时，枕叶区域表现出更大的活动，因为这比空白屏幕更有意义(参见文章《面孔寻宝游戏:为什么我们在没有面孔的物体中看到面孔》[1])。

图3 -大脑活动导致血流动力学反应

当你看到你的朋友时，大脑后部专门负责视觉的区域(枕叶)会变得更加活跃。激活会导致血流动力学反应，即大脑激活区域的血管扩张。血流动力学反应允许更多的氧气进入枕叶。通过这种方式，该区域的神经元可以增加交流，你可以很容易地认出你的朋友。使用BioRender创建。

当大脑的某些部分变得活跃时，到底发生了什么?神经细胞叫做神经元大脑中活跃的部分彼此之间的交流更多。大脑的活跃部分需要更多的氧气来让神经元交流。大脑的活跃部分如何获得新鲜的氧气供应?血液通过血管携带氧气进入大脑。血液中有一种蛋白质叫血红蛋白它能留住氧气，并将其带到需要更多能量的地方。当血红蛋白含氧时，称为含氧血红蛋白，当血红蛋白不含氧时，称为脱氧血红蛋白。当大脑的某个区域活跃时，含氧血红蛋白开始取代脱氧血红蛋白。

如在图3当大脑的某一部分活跃时，就会有一个血流动力学响应。当大脑活跃区域的血管变宽时，就会发生血流动力学反应[2]。这种扩大使得更多的含氧血红蛋白流入大脑的活跃部分，为其提供氧气。就像更宽的吸管可以让你一次喝更多的果汁一样，更宽的脑血管可以让更多的含氧血红蛋白进入活跃的大脑区域。

核磁共振扫描仪使用一个强磁铁来测量一种称为血氧合水平依赖(BOLD)信号。如你所见图4,大胆的信号与血流动力学反应有关。含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白具有不同的磁性，所以大脑活跃区域的脱氧血红蛋白的位移会改变该大脑区域的磁性环境。磁场环境的差异导致含氧血红蛋白比脱氧血红蛋白多的区域发出更强的信号。因此，核磁共振扫描仪测量BOLD信号，并为科学家提供大脑如何运作的信息。如果你想了解更多关于核磁共振扫描仪的物理学知识，以及磁环境的变化如何影响核磁共振扫描仪记录的信号，请阅读“核磁共振的物理学以及我们如何使用它来揭示心灵的奥秘”[3.]。

图4 -粗体氧合水平相关(Bold)信号。

当大脑的一部分变得活跃时，就会产生血液动力学反应，也就是当血管扩张以让更多的氧气进入时。一种叫做血红蛋白的蛋白质携带氧气(含氧血红蛋白)并取代无氧的血红蛋白(脱氧血红蛋白)。在图中，你可以看到红色的含氧血红蛋白用更宽的血管取代了活动区域的黑色脱氧血红蛋白。MRI扫描仪在含氧血红蛋白更多的大脑活跃区域记录了更大的BOLD信号。使用BioRender创建。

现在，想象一下制造一个机器人。一旦你检查了你的机器人的功能，你可以改变它的结构几次，使它变得更强大，更准确。一旦你有了你的机器人的最终版本，你将了解你的机器人部件的结构和功能如何影响它的性能。同样，通过大脑的结构图像和大脑活动的测量，科学家可以研究大脑的结构和功能是如何与我们的行为相关的。

做MRI大脑研究的志愿者是什么感觉?

当你自愿参加核磁共振实验时，有几件重要的事情要记住。首先，核磁共振扫描仪有一个非常强的磁铁。磁铁能吸引很多金属，所以你不能把任何金属物体靠近核磁共振扫描仪。你佩戴的任何金属物体都会被强磁场吸引，飞进核磁共振扫描仪。正因为如此，科学家们将使用金属探测器来确保参与者在进入核磁共振室之前身上没有金属。所以，如果一个参与者有大括号，他们只有在大括号被移除后才能参加。

接下来，你将躺下，戴上一个顶部有镜子的头盔，看起来非常类似于《星球大战》中达斯·维达的头盔。头盔是一个线圈，它像天线一样将信号从你的大脑发送到核磁共振扫描仪。没有线圈，核磁共振成像就无法生成图像。透过镜子，你可以看到安装在核磁共振扫描仪后面的屏幕。科学家可能会使用屏幕向你展示图片或视频，这取决于科学家想要测试什么。

第二件要记住的事情是，你需要尽可能保持不动。如果你移动你的头部，核磁共振成像图像将是模糊的。头部运动也使科学家很难准确地确定大脑活动的位置。最后，虽然在扫描过程中你不会感觉到任何东西，但你会听到核磁共振扫描仪发出的声音。它会发出声音，让你以为自己真的是正在穿越银河系的达斯·维德。有些声音听起来也像汽车喇叭声或电话铃声。因为噪音很大，在你戴上头盔之前，科学家会确保用耳塞和垫子保护你的听力。

结论

总之，核磁共振成像是一种安全的方法，可以帮助科学家了解大脑的结构、功能以及两者之间的联系。科学家们已经使用核磁共振来回答许多不同的问题。例如，核磁共振扫描仪已被用于了解运动如何增加大脑某些区域的大脑活动(阅读更多在“离开沙发!锻炼你的大脑健康之路4])。你对听到讽刺时大脑里发生了什么感兴趣吗?有一项核磁共振研究(详见“我们如何理解讽刺?”)“(5])。甚至还有关于我们如何能够识别我们周围所看到的东西的研究(详见“知道我们所看到的”[6])。核磁共振扫描仪帮助科学家在许多方面了解大脑，但仍有很多东西需要学习。当你读到更多关于核磁共振扫描仪如何用于大脑研究的内容时，想想你想用核磁共振扫描仪回答什么样的问题，或者你想参加什么样的核磁共振研究!