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近20年，功能磁共振（fMRI）给予人类大脑的研究带来了革命性的进步。功能磁共振通过基于血氧水平(Blood Oxygen Level Dependent, BOLD)的磁共振信号变化，间接测量脑部神经活动，具有高分辨率和非侵入式的优势。最初的功能磁共振实验需要等待数个小时甚至几天时间才能得到结果。Cox及其同事在1995年搭建设了第一个实时功能磁共振系统，可以对获得的图像即时进行处理[1]。实时功能磁共振可以即时提供图像质量的评估，检查受试者对于实验的配合度，实验之前脑部功能区的定位，以及实验范式的快速确定和实现教学目的。不仅如此，实时功能磁共振更提供了一种称为神经反馈(neurofeedback)的全新实验方法，可以根据快速准确测量到的受试者的脑部活动即时调整实验设计以及实验刺激，以达到神经自主调节的目的。实时功能磁共振系统还可以作为人脑和计算机的接口(Brain-Computer Interface, BCI)，对外部设备进行控制。近年来，随着实时功能磁共振系统在神经反馈和脑机接口方面的发展，已经在新型神经科学领域和临床方面引起广泛兴趣。本文的内容主要集中在实时功能磁共振的技术介绍，临床应用和未来发展方向。 实时功能磁共振神经反馈系统通常包括三个组成部分，信号采集，在线分析和实时反馈[2]。各个组成部分使用相互独立的电脑系统，并通过TCP/IP协议连接。首先，通过快速平面回波成像(Echo Planar Imaging, EPI)技术采集反映神经活动的BOLD信号。接下来，对获取的EPI图像进行在线预处理和统计分析。最后，把感兴趣脑区的信号时间序列转换为相应的反馈，传递给受试者。整个实验流程，形成了一个闭合回路（图1）。 现在大部分的磁共振扫描仪都可以提供全脑EPI图像。由于实时功能磁共振对于时间方面的严格要求（1-2秒内获得全脑图像），使得研究者必须在时间以及空间分辨率和扫描层数之间进行权衡。在这种情况下，在最短时间内获得最多扫描层数将成为进行实时功能磁共振实验所需扫描仪的重要考量标准。数据预处理包括变形校正，3D运动校正，时间滤波，空间平滑和空间标准化。统计分析不仅包括单变量方法(univariate)，比如t检验，相关分析，一般线性模型(general linear model, GLM)和多重回归，还包括了更为先进的多变量的方法(multivariate)，比如独立成分分析(independent component analysis, ICA)和模式识别的方法。实时反馈可以采用多种形式（图2），直接把采集到的原始BOLD信号反馈给受试者（图2a），以便受试者对特定脑区的神经活动进行自主调节。也可以把原始BOLD信号强度转换为一种更加直观形象的图形方式，如图2b所示。火苗的大小代表原始BOLD信号的强弱，方便受试者理解。BOLD信号的强弱也可以转换为温度计的形式（图2c），温度计右侧的图标提示受试者进行特定脑区的自主调节或者休息。最近一些实时功能磁共振采用速度表盘的形式作为反馈（图2d），速度表盘下端的文字提示受试者进行相应的任务。 Turbo-BrainVoyager (TBV，Brain Innovation, Maastricht, the Netherlands)是目前使用比较广泛的即时数据处理软件之一，图3显示了单个受试者实时功能磁共振数据经过TBV在线处理的结果。左侧3D正交截面图显示了处理得到的统计结果，神经活动显著增强的两个感兴趣区(region of interest, ROI)分别用红色和绿色方框表示。右侧的白色曲线代表了从两个感兴趣区提取出来的BOLD信号时间序列。在右侧曲线图中，横轴(x axis)代表了时间采集点，纵轴(y axis)代表了BOLD信号的幅度。统计分析采用T检验，比较任务状态（绿色组块）和基准状态（蓝色组块）之间的差异。右下角的彩色曲线显示了实验过程中的头动情况。 传统的神经影像科学研究脑部神经活动对于外部刺激的生理反应（BOLD反应）。在这种情况下，神经反应是作为以外部刺激为自变量的协变量。而实时功能磁共振神经反馈的方法正好颠倒了二者的次序。神经反馈实验主要研究以局部神经的自我调节作为自变量，对于行为产生的影响。很多基于脑电信号(EEG)的神经反馈实验已经证明，受试者通过训练可以对脑部活动进行自主控制，对药物治疗成效很小的癫痫和多动症有明显疗效。不过，EEG技术空间分辨率十分有限，无法探测到皮质下区域，还有空间定位的准确性都限制了这项技术在临床方面的进一步应用。随着实时功能磁共振技术的不断发展，以上问题都得到了很好的解决。实时功能磁共振神经反馈研究的脑区涉及运动，感觉，情感和认知处理。deCharms及其同事证明，受试者通过训练可以学会对脑部痛觉感知相关的腹侧前扣带回(rostral anterior cingulate cortex, rACC)的神经活动进行自主调节[3]。结果证明，此类调节与痛觉感知的变化密切相关（图4a）。一组慢性疼痛患者接受了同样的训练，通过对rACC的神经活动的自主调节，患者报告疼痛的程度得到显著降低。Rota及其同事研究了与语言处理相关的右侧额下回(inferior frontal gyrus, IFG)神经活动自主调节的作用[4]。在受试者成功地对他们的右侧Brodmann 45区进行自主调节前后，分别进行了一次语言方面的测试。调节之后，受试者对于带有感情色彩的语调的识别精度显著提高（图4b）。Caria及其同事证明了运用实时功能磁共振训练健康受试者增加岛叶前端(anterior insula) BOLD信号强度的可行性，并对自主控制岛叶前端神经活动是否影响外部情感刺激的主观反应进行测试[5]。结果表明，岛叶前端增强的神经活动与增强的对于负面情感刺激的感知密切相关（图4c）。这些结果，为实时功能磁共振技术在新型神经科学领域和临床方面的应用前景提供了清晰的证明。更为重要的是，神经活动的自我调节功能在反馈取消以后仍然可以保持，显示了长期的效果，满足成功治疗的要求。 图5和图6显示河南省人民医院史大鹏主任团队运用实时功能磁共振开展神经反馈实验的一些初步结果。实验的目的在于研究通过对rACC脑区神经活动的自主调节，改善受试者对于痛觉的感知。图5显示了通过对受试者上臂施加痛觉刺激，rACC脑区的激活可以被准确定位。图6显示了受试者对于rACC脑区神经活动的良好自主控制。灰色组块为休息时段，绿色组块要求受试者增加rACC脑区的活动，蓝色组块要求受试者降低rACC脑区的活动。后面两个循环受试者已经可以准确完成实验的要求。 磁共振扫描仪作为一种非侵入性的成像手段，一直在诊断医学中发挥着重要的作用。随着实时功能磁共振研究的不断发展，在不久的未来，磁共振扫描仪将转变为一种神经影像方面的治疗手段，开创出一片崭新的天地。
参考文献 1. Cox RW, Jesmanowicz A, Hyde JS. Real-time functional magnetic resonance imaging. Magn Reson Med 1995;33:230–236. 2. Caria A, Sitaram R, Birbaumer N. Real-Time fMRI: A Tool for Local Brain Regulation. Neuroscientist 2012;18:487-501. 3. deCharms RC, Maeda F, Glover GH, et al. Control over brain activation and pain learned by using real-time functional MRI. Proc Natl Acad Sci USA 2005;102:18626–18631. 4. Rota G, Sitaram R, Veit R, et al. Self-regulation of regional cortical activity using real-time fMRI: the right inferior frontal gyrus and linguistic processing. Hum Brain Mapp 2009;30:1605–1614. 5. Caria A, Sitaram R, Veit R, et al. Volitional control of anterior insula activity modulates the response to aversive stimuli: a real-time fMRI study. Biol Psychiatry 2010;68:425–432. |
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