神经影像学 - 健康研究 - 家医大健康移动端

神经影像学是利用定量（计算）技术研究中枢神经系统结构和功能的学科，作为一种非侵入性方式科学地研究健康人脑的客观方法而发展起来。它越来越多地用于脑疾病和精神疾病的定量研究。神经影像学高度跨学科，涉及神经科学、计算机科学、心理学和统计学，并非医学专科。

神经影像学有时与神经放射学混淆。神经放射学是一门医学专科，在临床环境中使用非统计性脑成像，由身为医学从业者的放射科医生实践。神经放射学主要侧重于识别脑部病变，如血管疾病、中风、肿瘤和炎症性疾病。与神经影像学相比，神经放射学是定性的（基于主观印象和广泛的临床训练），但有时也使用基本的定量方法。功能性脑成像技术，如功能性磁共振成像（fMRI），在神经影像学中很常见，但在神经放射学中极少使用。

神经影像学分为两大类：结构性和功能性神经影像学。结构性神经影像学用于量化并提供脑解剖学的详细图像，如结构MRI和基于体素的形态测量学。功能性神经影像学用于研究脑功能，常使用fMRI、正电子发射断层扫描（PET）和脑磁图（MEG）。

历史

神经影像学历史的早期开端可追溯至意大利神经科学家安杰洛·莫索（Angelo Mosso），他发明了“人体循环天平”，能够非侵入性地测量情绪和智力活动期间血液的再分布。

1918年，美国神经外科医生沃尔特·丹迪（Walter Dandy）引入了脑室造影术。通过将过滤空气直接注入一侧或双侧侧脑室，获得脑内脑室系统的X射线图像。丹迪还观察到，通过腰椎穿刺将空气注入蛛网膜下腔可进入脑室，并显示脑底部和表面的脑脊液腔隙。该技术后来被称为气脑造影术。

1927年，埃加斯·莫尼兹（Egas Moniz）引入了脑动脉造影术，可精确显示脑内及周围的正常和异常血管。

20世纪70年代初，阿兰·麦克劳德·科马克（Allan McLeod Cormack）和戈弗雷·纽博尔德·豪恩斯菲尔德（Godfrey Newbold Hounsfield）引入了计算机轴向断层扫描（CAT扫描），现称为计算机断层扫描（CT扫描），为诊断和研究目的提供了越来越详细的脑解剖图像。科马克和豪恩斯菲尔德因此获得1979年诺贝尔生理学或医学奖。CAT引入后不久，20世纪80年代初，放射性配体的开发使得单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和正电子发射断层扫描（PET）得以应用于脑部。

几乎同时，磁共振成像（MRI或MR扫描）由包括彼得·曼斯菲尔德（Peter Mansfield）和保罗·劳特伯（Paul Lauterbur）在内的研究人员开发，他们于2003年获得诺贝尔生理学或医学奖。20世纪80年代初，MRI开始临床引入，并在整个80年代取得了技术完善和诊断MR应用的巨大进步。很快发现，PET测量到的大血流量变化也可以通过正确类型的MRI成像，从而产生了功能性磁共振成像（fMRI），自20世纪90年代以来，fMRI因其低侵入性、无辐射暴露和相对广泛的可用性而主导了脑图谱领域。

21世纪初，神经影像学达到了功能性脑成像有限实际应用可行的阶段。主要应用领域是粗糙形式的脑机接口。

全脑MRI图像空间分辨率的纪录是2019年实现的100微米体积（图像）。样本采集耗时约100小时。任何方法的全人脑空间世界纪录是欧洲同步辐射设施（ESRF）进行的X射线断层扫描，分辨率约为25微米，耗时约22小时。该扫描是人体器官图谱的一部分，该图谱包含人体其他器官相同分辨率的X射线断层扫描。

磁共振成像的一个关键概念是，通过将自旋系统暴露在与自旋态之间能量差相等的频率能量（例如通过射频脉冲）下，可以使净磁化矢量移动。如果向系统输送足够的能量，可以使净磁化矢量与外部磁场方向正交。

适应症

神经放射学通常是在医生进行神经系统检查后发现患者患有或可能患有神经系统疾病，从而有理由进行更深入检查之后进行的。

神经影像学的常见临床适应症包括头部创伤、中风样症状（如半身突然无力/麻木、说话或行走困难）、癫痫发作、突发剧烈头痛、原因不明的意识水平突然变化。

神经放射学的另一适应症是CT、MRI和PET引导的立体定向手术或放射外科治疗颅内肿瘤、动静脉畸形和其他手术可治疗的疾病。

一个人可能遇到的更常见的神经系统问题之一是单纯性晕厥。在单纯性晕厥病例中，如果患者病史未提示其他神经系统症状，诊断包括神经系统检查，但不建议进行常规神经影像学检查，因为在中枢神经系统中发现原因的可能性极低，且患者不太可能从该检查中受益。

对于被诊断为偏头痛的稳定头痛患者，不建议进行神经放射学检查。研究表明，偏头痛的存在不会增加患者患颅内疾病的风险。诊断为偏头痛且没有其他问题（如视乳头水肿）的患者不需要进行放射学检查。在进行仔细诊断的过程中，医生应考虑头痛是否有偏头痛以外的原因，并可能需要放射学检查。

脑成像技术

头部计算机断层扫描

头部计算机断层扫描（头部CT扫描）使用从许多不同方向拍摄的一系列X射线。通常用于快速查看脑损伤，CT扫描使用计算机程序对测量的X射线系列进行数值积分计算（逆拉东变换），以估计X射线束在脑内小体积中的吸收程度。信息通常以脑部横截面形式呈现。

磁共振成像

脑部磁共振成像使用磁场和无线电波产生大脑及其结构的高质量二维或三维图像，不使用电离辐射（X射线）或放射性示踪剂。

完整脑（死后）最高空间分辨率的纪录是100微米，来自马萨诸塞总医院。该数据于2019年10月30日发表在《科学数据》杂志上。

正电子发射断层扫描

正电子发射断层扫描（PET）和脑正电子发射断层扫描测量注入血液的放射性标记代谢活性化学物质的发射。发射数据经计算机处理，生成化学物质在全脑分布的二或三维图像。使用的正电子发射放射性同位素由回旋加速器生产，化学物质用这些放射性原子标记。标记的化合物称为放射性示踪剂，注入血液后最终进入大脑。PET扫描仪中的传感器检测化合物在大脑各区域聚集时的放射性。计算机利用传感器收集的数据创建彩色二或三维图像，显示化合物在大脑中的作用部位。特别有用的是用于绘制神经递质活动不同方面的广泛配体。最常用的PET示踪剂是标记形式的葡萄糖（FDG）。

PET扫描的最大好处是，不同的化合物可以显示工作脑组织中的血流量、氧气和葡萄糖代谢。这些测量反映了大脑各区域的活动量，有助于更深入了解大脑如何工作。PET扫描在刚出现时，其分辨率和完成速度（短至30秒）优于所有其他代谢成像方法。改进的分辨率使得可以更好地研究特定任务激活的脑区。PET扫描最大的缺点是放射性快速衰变，因此仅限于监测短时间任务。在fMRI技术出现之前，PET扫描是功能性（相对于结构性）脑成像的首选方法，并且它继续为神经科学做出巨大贡献。

PET扫描也用于诊断脑疾病，最显著的是脑肿瘤、癫痫和导致痴呆的神经损伤疾病（如阿尔茨海默病），这些疾病都会引起脑代谢的巨大变化，进而导致PET扫描中容易检测到的变化。PET可能在某些痴呆早期病例中最有用（典型例子是阿尔茨海默病和皮克病），此时早期损伤过于弥散，对脑体积和宏观结构影响太小，无法改变CT和标准MRI图像，使其能可靠地与发生衰老（在许多但不是所有人中）且不引起临床痴呆的“正常”范围皮质萎缩区分开。

FDG-PET扫描也常用于评估尽管接受了适当药物治疗但仍持续发作的癫痫患者。在局灶性癫痫中，当发作开始于脑的一小部分然后扩散到其他地方时，PET是用于识别发作起源脑区的多种方式之一。通常，发作开始的脑区即使在患者不发作时也存在功能障碍，并且与健康脑区相比葡萄糖摄入较少，因此FDG摄入较少。这些信息有助于规划作为药物难治性癫痫治疗方案的癫痫手术。

其他放射性示踪剂也已用于识别发作起始区域，但尚未商业可用。这些包括11C-氟马西尼、11C-α-甲基-L-色氨酸、11C-甲硫氨酸、11C-卡芬太尼。

单光子发射计算机断层扫描

单光子发射计算机断层扫描（SPECT）与PET类似，使用发射γ射线的放射性同位素和γ相机记录数据，计算机利用这些数据构建活动脑区的二维或三维图像。SPECT依赖于注射放射性示踪剂或“SPECT试剂”，该试剂迅速被大脑吸收但不重新分布。SPECT试剂的吸收在30至60秒内几乎100%完成，反映了注射时的脑血流量（CBF）。这些特性使SPECT特别适合癫痫成像，因为癫痫成像通常因患者运动和发作类型多变而困难。SPECT提供脑血流量的“快照”，因为扫描可以在发作结束后进行（只要放射性示踪剂在发作时已注射）。SPECT的一个显著限制是其较差的分辨率（约1厘米），与MRI相比。如今，双探测器头的SPECT机器常用，但三探测器头的机器也可在市场上找到。断层重建（主要用于功能性“快照”大脑）需要探测器头围绕人体颅骨旋转获得多个投影，因此一些研究人员开发了6和11探测器头的SPECT机器，以缩短成像时间并提供更高分辨率。

与PET一样，SPECT也可用于区分产生痴呆的不同疾病过程，并且在此用途上日益增多。使用I-123标记的异氟烷（又称DaT扫描）的SPECT扫描有助于区分帕金森病与其他原因引起的震颤。

SPECT扫描也用于评估药物难治性癫痫。这使用Tc99标记的六甲基丙胺肟或半胱氨酸乙酯二聚体作为示踪剂。一旦检测到癫痫发作开始，放射性示踪剂就注入患者静脉，并在发作结束后数小时内进行扫描。这种技术称为发作期SPECT，依赖于发作期间发作起始区域CBF增加。发作间期SPECT是在患者未发作时使用相同示踪剂进行的扫描。在发作间期，发作起始区域CBF降低，不如发作时血流量增加显著。

颅骨超声

颅骨超声通常仅用于婴儿，其开放的囟门为超声成像提供声窗。优点包括无电离辐射和可在床边扫描，但因缺乏软组织细节，某些情况下更倾向于使用MRI。

功能性磁共振成像

功能性磁共振成像（fMRI）和动脉自旋标记（ASL）依赖于氧合和脱氧血红蛋白的顺磁性特性，以显示与神经活动相关的脑血流量变化图像。这使得生成反映不同任务执行期间或静息状态下哪些脑结构被激活以及如何激活的图像。根据氧合假说，认知或行为活动期间区域性CBF中氧气使用量的变化可以与被关注的认知或行为任务直接相关的区域神经元活动相关联。

大多数fMRI扫描仪允许受试者接受不同的视觉图像、声音和触觉刺激，并执行不同的动作，例如按下按钮或移动操纵杆。因此，fMRI可用于揭示与感知、思维和行动相关的大脑结构和过程。目前fMRI的分辨率约为2-3毫米，受限于神经活动血流动力学反应的空间扩散范围。它已在很大程度上取代了PET用于研究大脑激活模式。然而，PET保留了显著的优势，即能够通过成像放射性标记的受体“配体”（任何粘附在受体上的化学物质）来识别与特定神经递质相关的特定脑受体（或转运体）。此外，对于fMRI分析中使用的某些统计方法的有效性存在重大关切；因此，许多fMRI研究得出的结论的有效性也值得关注。

在随机猜测准确率为0.8%的情况下，fMRI技术能以72%至90%的准确率判断受试者正在观看一组已知图像中的哪一张。

最近关于精神病学中机器学习的研究使用fMRI构建了机器学习模型，能够区分有或没有自杀行为的个体。结合机器学习算法的影像学研究可能有助于识别神经影像学中的新标志物，从而能够根据患者的自杀风险进行分层，并帮助为个体患者开发最佳疗法和治疗方案。

弥散光学成像

弥散光学成像（DOI）或弥散光学断层扫描（DOT）是一种医学成像模式，利用近红外光生成身体图像。该技术测量血红蛋白的光学吸收，并依赖于血红蛋白的吸收光谱随其氧合状态而变化。高密度弥散光学断层扫描（HD-DOT）已直接与fMRI进行了比较，研究对象是同时使用这两种技术受视觉刺激的反应，结果令人放心地相似。HD-DOT在语言任务和静息态功能连接方面也已与fMRI进行了比较。

事件相关光学信号

事件相关光学信号（EROS）是一种脑扫描技术，利用光纤传输的红外光测量大脑皮层活跃区域光学特性的变化。而弥散光学成像（DOT）和近红外光谱（NIRS）等技术测量血红蛋白的光学吸收，因此基于血流，EROS则利用神经元本身的散射特性，从而提供了更直接的细胞活动测量。EROS可以在毫米（空间上）和毫秒（时间上）范围内精确锁定大脑活动。其最大的缺点是无法检测到几厘米深的活动。EROS是一种新的、相对廉价的技术，对受试者无创。它由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开发，目前在加布里埃尔·格拉顿博士和莫妮卡·法比亚尼博士的认知神经影像实验室中使用。

脑磁图

脑磁图（MEG）是一种成像技术，用于通过极其灵敏的设备（如超导量子干涉装置（SQUID）或自旋交换无弛豫（SERF）磁力计）测量大脑电活动产生的磁场。MEG提供了非常直接的神经电活动测量（与fMRI相比），具有极高的时间分辨率，但空间分辨率相对较低。测量神经活动产生的磁场的优点是，与脑电图（EEG）测量的电场相比，它们受周围组织（特别是颅骨和头皮）的扭曲较小。具体来说，可以证明，当头部被建模为一组同心球壳，每个壳层是各向同性的均匀导体时，电活动产生的磁场不受周围头部组织的影响。真实头部是非球形的，并且具有很大程度上的各向异性电导率（特别是白质和颅骨）。虽然颅骨各向异性对MEG的影响可以忽略不计（与EEG不同），但白质各向异性会强烈影响径向和深部源的MEG测量。然而，请注意，在这项研究中，颅骨被假设为均匀各向异性，这对于真实头部来说是不正确的：板障和内外板的绝对和相对厚度在颅骨内部和之间各不相同。这使得MEG也可能受到颅骨各向异性的影响，尽管可能不如EEG那样严重。

MEG有许多用途，包括帮助外科医生定位病理、帮助研究人员确定大脑各部位的功能、神经反馈等。

功能性超声成像

功能性超声成像（fUS）是一种医学超声成像技术，用于检测或测量神经活动或代谢的变化，例如大脑活动的位点，通常通过测量血流或血流动力学变化来实现。功能性超声依赖于超灵敏多普勒和超快超声成像，这使得高灵敏度血流成像成为可能。

量子光泵磁力仪

2021年6月，研究人员报告开发了第一个模块化量子脑扫描仪，该扫描仪使用磁成像，可能成为一种新颖的全脑扫描方法。

神经影像学技术的优势和关注点

功能性磁共振成像（fMRI）

fMRI通常被归类为低至中度风险，因为与其他成像方法相比，它属于非侵入性。fMRI利用血氧水平依赖（BOLD）对比度来产生其成像形式。BOLD对比度是身体中自然发生的过程，因此fMRI通常比需要放射性标记物才能产生类似成像的成像方法更受青睐。使用fMRI的一个关注点是在体内有医疗植入物、器械和金属物品的个体中使用。设备发出的磁共振（MR）可能导致医疗设备故障，并吸引体内金属物体（如果未进行适当筛查）。目前，FDA根据MR兼容性将医疗植入物和设备分为三类：MR-safe（在所有MR环境中安全）、MR-unsafe（在任何MR环境中都不安全）和MR-conditional（在特定环境中兼容MR，需要更多信息）。

计算机断层扫描（CT）

CT扫描于1970年代引入，并迅速成为最广泛使用的成像方法之一。CT扫描可在不到一秒的时间内完成，并为临床医生提供快速结果，其易用性导致美国CT扫描次数从1980年的300万次增加到2007年的6200万次。临床医生经常进行多次扫描，在一项关于CT扫描使用的研究中，30%的个体接受了至少3次扫描。CT扫描可使患者暴露于比传统X射线高100-500倍的辐射水平，更高的辐射剂量能产生更好分辨率的图像。虽然易于使用，但CT扫描使用的增加，尤其是在无症状患者中，是一个关注点，因为患者暴露于显著高水平的辐射。

正电子发射断层扫描（PET）

在PET扫描中，成像不依赖于内在的生物学过程，而是依赖于注入血液并到达大脑的外来物质。患者被注射在大脑中被代谢并发射正电子的放射性同位素，以产生大脑活动的可视化图像。患者在PET扫描中暴露的辐射量相对较小，相当于个体一年内暴露的环境辐射量。PET放射性同位素在体内的暴露时间有限，因为它们通常具有非常短的半衰期（约2小时）并迅速衰变。目前，fMRI是比PET更受青睐的脑活动成像方法，因为它不涉及辐射，具有比PET更高的时间分辨率，并且在大多数医疗环境中更容易获得。

脑磁图（MEG）和脑电图（EEG）

MEG和EEG的高时间分辨率使得这些方法能够测量脑活动，精确到毫秒级别。MEG和EEG都不需要患者暴露于辐射即可工作。EEG电极检测神经元产生的电信号以测量脑活动，MEG则利用这些电流产生的磁场振荡来测量活动。MEG广泛使用的一个障碍是价格问题，因为MEG系统可能花费数百万美元。EEG是一种更广泛使用的方法来实现这样的时间分辨率，因为EEG系统的成本远低于MEG系统。EEG和MEG的一个缺点是，与fMRI相比，这两种方法的空间分辨率都较差。