[認知] 腦造影-fMRI的生理基礎之簡介

看板Cognitive作者mulkcs (mulkcs)時間15年前 (2009/07/15 08:58)推噓3(3推 0噓 3→)

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功能性磁振造影(fMRI)技術最近發展之功能性大腦造影方法皆基於一個生理學的原理，就是腦神經活化需要能量的代謝，而我們所偵測到的訊號就是能量代謝後氧氣代謝的改變與血流的增加，因此大腦血液動力學的改變及能量代謝決定了我們所觀測到的訊號並藉以推測神經活化的機制。以功能性神經造影來說，當神經活化時，細胞中的鉀離子會釋放至細胞外，細胞外鉀離子濃度增加會使得大腦血管會擴張，而增加大腦血流。另外鈉-鉀離子幫浦會被活化以平衡離子分佈，所以會增加能量的代謝。因此當一個刺激瞬間誘發了大腦活化，將伴隨而來葡萄糖的消耗及增加大腦氧氣的代謝率。然而，有一些正電子發射電腦斷層掃描(Positron emission tomography, PET) (Fox and Raichle[1], 1986; Fox et al[2]., 1988)研究顯示在給予刺激後，相對於大腦血流的大量增加及葡萄糖的大量消耗，大腦的氧氣只有少許的消耗。這種血流與氧氣代謝不匹配有二種假設，第一，大腦血流的增加量超過大腦氧氣的代謝率，所以造成大腦局部血氧的增加；第二，葡萄糖代謝的增加量超過大腦氧氣的代謝率，所以在大腦的活化過程中，有部份無氧代謝的參與。這個現象已經被一連串不同造影的研究證實，並用以解釋功能性磁振造影(fMRI)中訊號增加的機制。而大腦血流的增加量遠超過大腦氧氣的代謝率的原因在於血流速度的增加，同時血流通過微血管的時間減少，將造成氧氣萃取分率的減少，因此大腦氧氣的代謝率必定比血流的增加來得小。除了血氧的增加之外，在功能性活化開始的幾秒內(Malonek and Grinvald[3], 1996)，去氧血紅素的瞬間增加會導致在功能性磁振造影中觀察到負的訊號(Menon et al[4]., 1995)。有些研究以乳糖的累積為無氧代謝指標，但是大腦葡萄糖代謝率與大腦氧氣的代謝率不匹配的議題至今仍未解。雖然我們未知葡萄糖被吸收量增加的原因，但是一般相信葡萄糖的氧化代謝是主要的機制(Moonen and Bandettini[5], 1999 )。現今最為接受用以解釋功能性磁振造影訊號是由 Ogawa 教授等人所提出血氧濃度相依 (Blood Oxygenation Level Dependence,BOLD)的機制(Ogawa et al[6].,1990)。這個機制建立在許久前 Pauling 教授觀察到含氧血紅素及去氧血紅素磁性不同的現象(Pauling and Coryell[7], 1936)。血紅素由二對多肽鏈及二群包含複鐵與原紫質的血組所組成 (Orrison et al[8]., 1995)。在去氧血紅素中，血鐵是以高旋的亞鐵(二價鐵)態存在，亞鐵的不成對電子有很大的磁矩，使得去氧血紅素為順磁性物質。因為我們體內的物質大多為反磁性，所以血液中有越多的去氧血紅素就會產生越大的磁場不均勻度。而去氧血紅素在一個區域中的量與含氧紅血球分量(含氧量)乘於紅血球量有關，因此，含氧量越低或血液體積越大就會產生越大的磁場不均勻度。當體內水擴散到由磁場不均勻度所引起的局部梯度磁場變化，將造成磁振造影訊號的橫向弛緩時間(T2)及顯橫向弛緩時間(T2*)的減短(Ogawa et al[9]., 1993)。因為越長的橫向弛緩時間及顯橫向弛緩時間會造成越強的磁振造影訊號強度，所以在大腦神經活化所減少的去氧血紅素將導致磁振造影訊號的增加。血氧程度相依訊號可以由對磁場不均勻度敏感的成像脈衝時序觀測，例如梯度迴訊(GE )或迴訊面造影(EPI)時序。分析血氧濃度相依訊號時間特質，我們可以將一個短刺激所引發的一個典型的功能性磁振造影血液動力反應函數區分成五個步驟，第一步是初始負反應，這是一個微小的負訊號變化，發生在刺激給予的前一到二秒。由近紅外光光譜研究的觀察(Malonek and Grinvald[3], 1996)，這個現象是由去氧血紅素突然增加所導致。第二步是訊號的增加，這個明顯的血流增加發生在刺激給予的四至八秒後，並帶來大量的含氧血紅素，超過氧氣的消耗。第三步是平坦區，當訊號增加至最大值，訊號會下降一點點，隨著刺激的種類，平坦區會持續一段時間，並與刺激的時間成正比。第四步是訊號衰減，當刺激停止之後訊號會開始衰減，這個步驟通常持續六至十秒。最後一步是訊號劇降，在訊號開始下降的十秒之後，訊號會因為血液體積的改變而下降到基準線之下，之後訊號會慢慢回復到基準線，這個步驟通常持續十至十五秒(Jezzard et al[10].,2001)。經過生理性假影的校正等影像處理與分析之後，我們可以造影出功能性磁振造影影像，例如為老鼠於腳掌刺激之下相對應於大腦皮質區的反應，與隨時間之活化區域訊號變化。目前對於功能性磁振造影的研究有兩大研究議題：視覺與語言處理歷程。視覺的研究主題為視覺訊息處理的「長距離互動」（long-range interaction），其目的在於解釋一個位於接受域（receptive field）之內的視覺刺激會受附近的其他視覺刺激所影響的現象。目前對於長距離互動的研究多半是心理物理學與電生理的研究，將重點放在視覺相關皮質（extrastriate cortex）的神經基礎研究。結果發現：the Lingual gyrus 在與方位相關的視覺「長距離互動」處理上扮演重要的角色；the Middle occipital gyrus 則是對視覺刺激的輪廓作反應。語言的研究主題為中文字辨識歷程，其發現：對於中文的字形、字音、以及字義的處理歷程，有不同的神經運作機制，為認知心理學的語言處理歷程提供了神經生理的證據。未來功能性磁振造影術將有助於正常大腦以及因為學習、可塑性、藥物或基因調控而變化之大腦功能性研究。 -- 資料來源：陳志宏、張允中、謝昭賢, “生物醫學工程導論-第十三章：核磁共振與磁振造影,” 滄海, 中華民國, 720 pages, 2008 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 218.160.178.156

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mulkcs

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07/15 18:25, , 3^F

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