核心概念神经科学和心理学发表:2020年11月4日

一扇窗为你的大脑:fMRI如何帮助我们理解我们的脑子里想的是什么

作者

Udochukwu Amanamba

安德鲁·索伊卡

Savion哈里斯

玛丽莎Bucknam

Jay对冲基金

年轻的评论家

伊莎贝拉

艾琳

卢卡斯

文摘

现代科学的大脑发展的前沿。尽管许多技术进步,我们仍然知之甚少,大脑是如何工作的。幸运的是,开发一种功能性磁共振成像(fMRI)技术正在慢慢帮助改变这一状况。功能磁共振成像可以测量大脑活动不开头骨或大脑细胞暴露在有害辐射。通过使用血液的磁性,功能磁共振成像可以检测血液流动有关的大脑活动的变化,允许科学家和医生告诉大脑的哪个区域比其他人更活跃。目前,研究人员利用功能磁共振成像来研究大脑活动在健康和疾病的各个方面。科学家继续推动边界的功能磁共振成像技术,并将它与其他技术结合起来以获得一个更好的理解大脑功能和功能障碍。

功能磁共振成像和它是如何工作的呢?

“你有没有看有人和奇迹,“脑袋里想的是什么?“这个著名的电影角色的快乐,带来的问题从迪斯尼皮克斯电影内而外是一个谜,医生和科学家寻求解决日常的帮助下脑成像。大脑成像允许医生和科学家认为大脑的内部结构没有打开颅骨。有几个脑成像技术。其中一个叫做磁共振成像(MRI),看着大脑的结构,另一种是功能性磁共振成像(fMRI),观察大脑的功能。

功能磁共振成像的大脑活动的措施跟踪大脑血流量的变化。fMRI来源于结构磁共振成像。事实上,他们都使用相同的机器,称为磁共振扫描仪(图1)。核磁共振技术是用于创建详细的3 d图像的使用对象的内部结构磁场和无线电波(1]。MRI可用于研究大脑以外的身体部位,甚至非生命物体。例如,核磁共振可以使用考古学家拍照的化石的内部。功能磁共振成像还可以用于图像以外的其他身体部位的大脑。在医学上,大脑核磁共振成像和功能磁共振成像用于帮助识别疾病,治疗计划,并研究疾病和障碍的根本原因。

图1 -组件的磁共振扫描器[2]。 — 图1 -组件的磁共振扫描器(2]。

磁共振成像和功能磁共振成像扫描发生在相同的核磁共振成像扫描仪。

MR扫描仪工作拍照大脑的一个薄层。图片然后堆放像煎饼来创建一个完整的照片该地区被成像。这怎么可能,你可能会问?人体是由数十亿的分子,包括水分子,它可以检测到核磁共振成像机器。原子在分子,包括水分子(H₂O),包含质子(1]。质子就像小磁铁(1]。在缺乏很强的磁场(也就是说,当我们在磁共振扫描器),质子在我们身体的随机方向(图2一个)。当我们躺在扫描仪内部,其强大的磁场,这通常是成千上万倍地球磁场的强度,迫使这些质子结合,虽然我们不能觉得这(图2 b)。梯度线圈(见图1)帮助我们身体扫描仪运营商确定确切位置在扫描仪。

图2 -分子在人体核磁共振扫描。

**(一)**分子在体内,像小磁铁,面向随机方向在没有一个强大的磁场。**(B)**MR扫描仪产生强磁场(红色的虚线箭头),迫使体内的分子结合。**(C)**射频线圈传输无线电频率(虚线aqua箭头)地区的全身成像。之间的分子成为重新射频线圈的磁场的方向和扫描仪。**(D)**无线电频率不再是传播时,分子恢复,或“放松点,”原来与扫描仪的磁场,释放能量以电磁波的形式在右上方(嵌入)。释放的能量可以分析创建一个图像的身体部分。

然后,无线电频率(RF)线圈传输无线电波整个身体被成像领域,再次重新调整这些质子,但是暂时(图2 c)。射频线圈可能全身扫描或MRI机器的磨损的部分作为一种特殊的头巾时大脑成像。无线电频率不再是传播时,质子“放松”到原来的对齐与扫描仪的磁场。在这一过程中,质子的能量释放出来,被牵引的射频线圈的方向(如发布一个弹弓),的形式电磁信号(图2 d)。

同样地,数以百万计的水滴可以创建一个水坑,信号从数以百万计的质子,仔细anaylzed时,可以一起创建一个身体的详细图像(1]。而MRI仅拍照大脑的结构,功能磁共振成像显示了大脑的活动(或函数),通过比较在不同条件下血流量。

我们的大脑神经元:构建块

大脑帮助我们理解我们周围的世界并作出反应。它使我们能够解释我们看到的东西,接触,听,和味道,调节我们身体的反应外部环境。它通过网络微小的细胞神经元,处理和传输信息之间的大脑和身体的其他部位(3]。当大脑是面对一项任务,比如对一个想法,神经元负责比周围其他神经元活动变得更加活跃。他们通过创造化学和从一个神经元电信号并将它们传递到另一个。这个过程被称为神经活动或大脑活动。

功能磁共振成像测量大脑活动如何?

神经活动需要能量。像身体其他细胞,神经元产生能量利用氧气来分解糖。当神经活动增加大脑的一部分,更多的能量。补充能量,更多携带氧气的血液输送到大脑区域。使用分子称为血液运输氧血红蛋白。血红蛋白含有铁,使磁性,像一个小铁申请。取决于血红蛋白携带氧(也就是说,是否含氧或缺氧),它有稍微不同的磁性。因此,更大的神经活动会导致更大的含氧血液流动(图3),以便更活跃的大脑区域是稍微磁。这导致电磁波模式略有不同。

图3 -含氧和缺氧血红蛋白在神经活动。

**(一)**当大脑的神经活动增加区域,更多的能量被大脑区域,血红蛋白变成缺氧,因为它给氧的细胞需要它。**(B)**补充能量,更富氧的血液被运送到大脑区域。

fMRI检测通过测量大脑活动的变化在血液中氧气的含量和血液流动的数量(4,5]。这个测量称为blood-oxygen-level-dependent活动(大胆的活动)。换句话说,大胆的活动是大脑活动的方便替身:fMRI措施间接地通过测量大脑活动大胆的活动。这是有点类似于搞清楚何时何地由听雷声闪电发生。

“大胆”见解大脑功能

在过去的三十年里,研究人员使用大胆的成像先生开始回答快乐的问题人们的脑子里想的是什么。功能磁共振成像的力量来窥视大脑功能的否则密不透风的深处,在人类或动物,插图精美,Gregory Berns博士和他的同事的工作。他们比较大胆的狗的大脑活动在两个不同的手势的处理程序:一个告诉狗,他们会得到一个美味的食物奖励,而另一个,告诉他们不会得到奖励(图4一)。

图4 -大脑活动在狗当他们期待奖励[6]。 — 图4——在狗怀孕时,大脑活动奖励(6]。

**(一)**侧面的一条狗的头。蓝色平面显示飞机的大脑图像。**(B)**大胆的活动在两个健康女性狗名叫卡莉和麦肯齐测量在观看他们的处理程序的手势与没有奖励奖励。功能磁共振成像图像是在左边,右边的结构的MRI图像。大脑的图像是一个自上而下的视图在飞机中所示**(一)**。尾状区域(CD)灯的功能磁共振成像图像,这意味着它被激活,绿色箭头显示CD在相应的位置结构的MRI图像。R和L表示左右两边的狗。彩条显示活动的水平,红色和蓝色最高最低。

他们发现一个区域在大脑深处,尾状核(CD),是更积极的狗看见奖励的信号比当他们看到没有奖励信号(图4 b)。先前的研究在人类和其他物种显示相同的大脑区域被激活在人类当我们期待奖励。所以,有一个快乐的问题的答案在这个例子:到底发生了什么在一只狗的脑袋非常类似于我们自己的头发生了什么在类似的情况下,可以使用fMRI成像在这两种情况下(6]。这种不寻常的洞察力不可能一直没有能够“阅读”狗的大脑使用fMRI !

对其他领域产生影响,包括医学

磁共振成像和功能磁共振成像的发展让我们理解大脑功能取得重大进步。这是因为MRI和fMRI的一部分,例如,与x射线与有害辐射,不损害大脑细胞,可以确定大脑活动更精确的位置。此外,MRI可以用来学习各种各样的东西除了人类,包括动物,植物,其他生物,甚至没有血液的化石。

然而,最大的核磁共振成像和功能磁共振成像的影响,纯粹的研究之外,一直在理解大脑的疾病。例如,几年前,我们只能够跟踪阿尔茨海默病的后期,当大多数的脑部损伤是不可逆转的。功能磁共振成像的发展,老年痴呆症的早期检测越来越成为可能。阿尔茨海默氏症患者往往有更少的活动与健康的人相比,他们的大脑的某些部分。因此,医生可以利用功能磁共振成像诊断Alzhiemer的早期,通过检测异常或低水平的活动在这些区域的大脑疾病恶化。

此外,功能磁共振成像扫描现在能够区分一个大脑有或没有自闭症,准确率达到了97% (7]。功能磁共振成像研究表明大脑的活动模式,减少部分重要的计划,解决问题,和解释社会互动。此外,扫描的自闭症患者显示更少的大脑的两个部分之间的连接。因此,通过系统地比较患者的大脑功能某些大脑相关疾病健康患者的脑功能,快速理解这些疾病正在取得进展。

下一个是什么?

尽管所有的进展,许多挑战仍然存在。例如,我们仍然知之甚少大脑如何在儿童早期发展。目前,fMRI机器是黑暗,嘈杂的,可怕的,使它们不适合婴儿和人们害怕狭小的空间。他们也花太多时间来创建图像和“相机”对运动非常敏感,使图像模糊。此外,功能磁共振成像是昂贵的,不可移植,需要大量的培训医生和科学家使用。研究人员正在努力解决这些问题。另一个主要挑战是改善先生成像过程的速度和改善图像的质量。这些和其他几个剩余的挑战似乎禁止,但是他们真的是为今天的青年未来的机会,有抱负的想法。