核心概念神经科学和心理学发表:2019年6月28日

磁共振成像是如何用于学习的大脑?

作者

帕特里夏·玛丽亚好不

Na Yeon金

Sabine Kastner

年轻的评论家

:帝尔沃斯历史学茎学院

文摘

研究大脑,科学家可以使用一台机器叫做MRI(磁共振成像)扫描仪。核磁共振扫描仪拍照的大脑在一个安全的方式,让科学家了解大脑的结构和功能。MRI能帮助科学家了解大脑的哪个区域是活跃的,当你参与不同的活动,如阅读这样的句子!首先,本文解释了大脑的磁共振扫描仪安全需要高质量的图片。接下来,我们将解释如何磁共振扫描仪可以帮助科学家了解到大脑功能在大脑的不同部位通过测量活动。最后,我们描述就像参加一项研究涉及核磁共振成像扫描仪和科学家可以回答的问题使用核磁共振成像扫描仪作为工具。

探索大脑的结构和功能使用核磁共振扫描仪

想象你正在建造一个机器人。当这样做,你会思考你想要机器人是什么样子以及如何构建它将函数。换句话说,你需要思考结构机器人的(例如,它的高度、宽度和重量)以及函数部分(你想让你的机器人做什么呢?)。

同样,大脑科学家研究结构大脑的拍照。正如您可以看到的图1,一个核磁共振扫描仪图片允许容易识别的嘴、舌头和鼻子。它还允许大脑的脑科学家识别部分,如脑干、大脑皮层、小脑,等等。因为大脑是三维,一个图片来捕捉它是不够的。相反,核磁共振成像扫描仪使用一个强有力的磁铁,将一系列的照片,几乎把大脑切成多个片可以组合成一个三维图像。

图1 -核磁共振成像扫描仪和图像,看起来像什么?

**(一)**核磁共振扫描仪的一个例子。扫描仪对参与者躺在床上。参与者戴着一头线圈,看上去有点像达斯·维达的头盔从星球大战。当参与者准备好了,床进入一轮开放MRI机器。**(B)**脑部核磁共振扫描仪拍摄的照片。这张照片可以让科学家们看到里面的详细。例如,您可以看到嘴的位置,舌头,鼻子、脑干、大脑皮层和小脑。

核磁共振数据多少细节?考虑一个由照相机拍摄的照片。如果你看非常密切关注,您将看到小方块称为像素。正如您可以看到的图2,照片像素看起来更清晰和有更多的细节。然而,核磁共振成像扫描仪不能使用2 d像素创建一个3 d的大脑的照片。相反,核磁共振成像扫描仪使用3 d版本的一个像素称为体素。体素就像一个小立方体的边1 - 3毫米。每个大脑的磁共振扫描仪需要图像和许多每图像体素片,最终,大脑的高分辨率三维图像。

图2 -像素改变图像的质量如何?

**(一)**更多的像素使图像清晰。有很多左图像的像素比正确的。更多的像素使图像更清晰。**(B)**体素是一个3 d版本的一个像素。核磁共振成像扫描仪使用多的体素得到最清晰的图像。

记住,一个图像的清晰度也取决于你拍照的东西移动或仍的东西。例如,如果您正在运行的松鼠拍照,它将模糊不管有多少像素的图片。如果松鼠仍然和你拍照有足够的像素,你可以得到一个明确的松鼠。同样,虽然核磁共振成像扫描仪可以高质量的图片,重要的是参与者尽可能仍然保持大脑的磁共振成像产生图片。

科学家们可以学习很多关于大脑的不同部位的尺寸和形状从这些高分辨率的3 d图像。例如,他们可以研究大脑不同部分的形状和大小如何改变随着人年龄的增长。医生还可以使用核磁共振扫描仪在医院和诊所,弄清楚病人的大脑图片或其他身体部位。

现在,回到建造一个机器人。一旦你已经决定在其结构,然后测试机器人的功能。同样,科学家常常想研究大脑的不同部分如何协同工作,通过测量一个人的大脑的活动。接下来,我们将讨论如何核磁共振扫描仪还可以用于研究大脑的功能在一个安全的和可靠的方法。

当一个大脑变得活跃的一部分吗?

我们知道,大脑的不同部分变得更加活跃,当我们做不同的事情。例如,该地区的大脑,枕叶(见图3),是专门用于看到,这个地区变得更加活跃,当看到对我们很重要的或有意义的事情,比如别人的脸。科学家们发现通过使用核磁共振扫描仪比较大脑活动当志愿者看到一个朋友的照片和一个空白屏幕。枕叶区域显示,在更大的活动当志愿者看到一个朋友的照片,因为它是更有意义的比一个空白屏幕(请参阅文章“脸寻宝游戏:为什么我们看到的脸在对象的脸”(1])。

图3——大脑活动导致血流动力学响应。

当你看到你的朋友,一个大脑区域在大脑的后面(枕叶),是一家专业从事看到更加激活。激活导致血流动力学响应,当激活的大脑区域的血管扩张。血流动力学响应允许更多的氧气进入枕叶。这样,那个地区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。

部分的大脑变得活跃时会发生什么事情?神经细胞称为神经元在大脑的活跃部位相互通信。大脑的活跃部分需要更多的氧气,使神经元沟通。大脑的活动部分怎么得到新鲜的氧气?通过血管,血液携带氧气到大脑。血液中有一种蛋白质血红蛋白保存到氧气和携带它的地方,需要更多的能量。抓住氧血红蛋白时,它被称为氧合血红蛋白,血红蛋白不持有氧气时,它被称为缺氧血红蛋白。当大脑的这一区域是活跃的,氧合血红蛋白开始取代缺氧血红蛋白。

见图3大脑是活跃的一部分时,有一个血流动力学响应。血流动力学反应发生在大脑的活跃区域的血管变得更广泛的(2]。这种扩大允许更多的氧合血红蛋白流入大脑的活跃部分提供氧气。就像一个大草一次可以多喝果汁,一个广泛的大脑血管允许更多的氧合血红蛋白进入一个活跃的大脑区域。

核磁共振成像扫描仪使用强大的磁铁来测量信号称为血氧水平依赖(BOLD)的信号。正如您可以看到的图4,大胆的信号与血流动力学响应。含氧和缺氧血红蛋白有不同的磁性,所以缺氧血红蛋白的位移活跃的大脑区域,大脑区域的磁环境变化。磁环境的差异导致更大的信号从领域有更多比缺氧血红蛋白氧合血红蛋白。因此,核磁共振成像扫描仪措施的信号,让科学家对大脑功能的信息。如果你想了解更多关于物理的核磁共振成像扫描仪和磁环境的改变如何影响信号记录下核磁共振成像扫描仪,读“磁共振成像的物理和我们如何使用它来揭示心灵的奥秘”(3]。

图4 -大胆的氧化程度依赖(粗体显示)信号。

当一个部分的大脑变得活跃有血流动力学反应,这是当血管扩大,让更多的氧气。一种叫做血红蛋白携带氧的蛋白质(含氧血红蛋白)和取代了血红蛋白无氧(缺氧血红蛋白)。在图中,你可以看到红色代替黑色脱氧血红蛋白的氧合血红蛋白的有效面积广泛的血管。核磁共振成像扫描仪记录更大胆的信号在活跃的大脑区域更多的氧合血红蛋白。使用BioRender创建。

现在,考虑建立一个机器人。一旦你检查你的机器人的功能,你可以改变它的结构几次,这样它将变得更强大和更准确。一旦你有你的机器人的最终版本,您将了解机器人的部分的结构和功能影响其性能。同样,大脑的结构图像,测量大脑的活动,科学家可以研究大脑的结构和功能与我们的行为相关。

怎么样成为一个志愿者在大脑核磁共振研究?

当你自愿做核磁共振实验中,有一些重要的事情要记住。首先,核磁共振成像扫描仪有很强的磁铁。磁铁吸引许多金属,所以你不能带来任何金属物体接近磁共振扫描仪。你穿任何金属物体将强磁场所吸引,飞进核磁共振成像扫描仪。因此,科学家们将利用金属探测器,以确保参与者没有金属进核磁共振室之前。所以,如果一个参与者有括号,他们只能参与一次删除括号。

接下来,您将躺下,戴上头盔镜上,看起来非常类似于达斯·维达的头盔从星球大战。头盔是一个圈,就像天线发送的信号从大脑核磁共振扫描仪。没有线圈,MRI无法生成一个图像。通过镜子,你可以看到一个屏幕安装在磁共振扫描仪的后面。科学家可以用屏幕展示图片或视频,取决于科学家想要测试。

第二件事,你需要保持尽可能仍然。如果你移动你的头,MRI图像模糊。头部运动也使得科学家很难准确地识别大脑活动的位置。最后,当你不会感到任何扫描期间,你会听到噪音MRI扫描仪。它会制造噪音,可能会让你觉得你真的是达斯·维达在银河之旅。一些噪音也听起来像汽车嘎或电话铃声。因为声音响亮,科学家将确保保护你的听力与耳塞和缓冲之前戴上安全帽。

结论

总之,MRI是一种安全的方法,可以帮助科学家们了解很多关于大脑的结构,功能,以及这两个是有联系的。科学家们用核磁共振回答不同的问题。例如,核磁共振成像扫描仪被用来了解运动可以提高大脑的大脑活动在某些领域(在“阅读更多从沙发上站起来!锻炼你的大脑健康的方式”4])。你有兴趣在大脑中发生了什么当你听到讽刺吗?有一个核磁共振研究(阅读更多”我们如何理解讽刺吗?“(5])。甚至有研究如何我们能够识别周围(找到更多“知道我们看到的”[6])。核磁共振成像扫描仪已经帮助科学家理解大脑在许多方面,但还有很多要学。当你阅读更多关于如何使用核磁共振成像扫描仪在大脑的研究,思考你想要回答什么样的问题使用核磁共振扫描仪或什么样的核磁共振研究你想参与!