功能性磁振造影（，）是一種神經影像學技術。其原理是利用磁振造影來測量神經元活動所引發之血液動力的改變。由於 fMRI 的非侵入性和其較少的輻射暴露量，從 1990 年代開始其就在腦部功能定位領域佔有了重要地位。目前，fMRI 主要被運用於對人及動物的腦或脊髓之研究中。 背景 自從 1890 年代開始 Roy CS Sherrington CS On the Regulation of the Bloodsupply of the Brain J Physiol 1890 Jan11 128515817，人們就知道血流與血氧的改變（兩者合稱為血液動力學）與神經元的活化有著密不可分的關係。神經細胞活化時會消耗氧氣，而氧氣要藉由神經細胞附近的微血管以紅血球中的血紅素運送過來。因此，當腦神經活化時，其附近的血流會增加來補充消耗掉的氧氣。從神經活化到引發血液動力學的改變，通常會有 15 秒的延遲，然後在 45 秒達到的高峰，再回到基線（通常伴隨著些微的下衝）。這使得不僅神經活化區域的腦血流會改變，區域性血液中的去氧與帶氧血紅素的濃度，以及腦血容積都會隨之改變。 歷史 （BOLD）首先由貝爾實驗室小川誠二等人於 1990 年所提出 Ogawa S Lee TM Nayak AS and Glynn P 1990 Oxygenationsensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fields Magn Reson Med 14 6878 ，小川博士與其同事很早就瞭解 BOLD 對於應用 MRI 於腦部功能性造影的重要性，但是第一個成功的 fMRI 研究則是由 John W Belliveau 與其同事於 1991 年透過靜脈內造影劑（GadoliniumGd 釓）所提出。接著由鄺健民等人於 1992 年發表在人身上的應用 KK Kwong JW Belliveau DA Chesler IE Goldberg RM Weisskoff BP Poncelet DN Kennedy BE Hoppel MS Cohen R Turner H Cheng TJ Brady and BR Rosen Dynamic Magnetic Resonance Imaging of Human Brain Activity During Primary Sensory Stimulation PNAS 89567579 1992。同年，小川博士於 4 月底提出了他的結果且於 7 月發表於 PNAS。在接下來的幾年，小川博士發表了 BOLD 的生物物理學模型於生物物理學期刊。Bandettini 博士也於 1993 年發表論文示範功能性活化地圖的量化測量。 生理學 由於神經元本身並沒有儲存所需的葡萄糖與氧氣，神經活化所消耗的能量必須快速地補充。經由血液動力反應的過程，血液釋出葡萄糖與氧氣的比率相較於未活化神經元區域大幅提升。這導致了過多的帶氧血紅素充滿於活化神經元處，而明顯的帶氧 缺氧血紅素比例變化使得 BOLD 可作為 MRI 的測量指標之一。 血紅素氧化狀態（帶氧血紅素）的時候為抗磁性的，相對於缺氧血紅素為順磁性的。根據血液中血紅素的氧化比率可輕易的分辨出不同的磁共振訊號。血液中帶氧血紅素的濃度上升，相對的 BOLD 訊號也會隨之加強。藉由 MRI 蒐集這些血氧濃度相依比訊號可以得知腦部中的血流與氧氣消耗量值。雖然這些訊號是極小量的，但仍可以表現出腦部中腦區的活化程度。當腦部正思考或做動作或是接受一種經驗過程，可以利用一系列嚴密的測量來確定哪些腦區是負責思考、運動、經歷經驗。 幾乎大部分的功能性磁振造影都是用 BOLD 的方法來偵測腦中的反應區域，但因為這個方法得到的訊號是相對且非定量的，使得人們質疑它的可靠性。 因此，還有其他能更直接偵測神經活化的方法（像是氧抽取率（Oxygen Extraction Fraction OEF）這種估算多少帶氧血紅素被轉變成去氧血紅素的方法 ；或偵測神經訊號造成的電磁場變化）被提出來，但由於神經活化所造成的電磁場變化非常微弱，過低的信雜比使得至今仍無法可靠地統計定量。 BOLD 與神經活動的關係 神經訊號與血氧濃度比之間的關係目前正在研究中。一般來說，血氧濃度比跟血流量有一定程度的關聯，近幾十年來有許許多多的研究指出血流量與代謝率之間的關係，也就是說，為了提供養分給神經的代謝所需，血流供應的地點跟時間被嚴密的控制。 技術 正電子發射計算機斷層掃描（Positron emission tomography），或稱之為 PET 掃描技術的研究，給被試服用不同种放射活性物質（但是很安全），這些物質在腦內被活動的腦細胞吸收。磁共振成像（magnetic resonance imaging MRI）利用磁場和射頻波腦內產生脈衝能量，因為脈衝可調諧到不同頻段，使一些原子與磁場偶聯。當磁脈衝被關掉的瞬間，這些原子振動（共振）並返回到自己的初始態，特殊的射頻接收器檢測這些共振及其對於計算機的通道資訊，據此而產生不同原子在腦區中的定點陣圖像。 功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）的新技術，將上述兩項技術優勢結合起來，透過檢驗血流進入腦細胞的磁場變化而實現腦功能成像，它給出更精確的結構與功能關係。《心理學與生活》（Psychology and life），Richard Gerrig Philip Zimbardo，ISBN 9787115111302，人民郵電出版社，200310，P52 註釋 參考文獻 書籍 EMRFTRTF Peter A Rinck ed Magnetic Resonance A peerreviewed critical introduction A free access online textbook Joseph P Hornak The basics of MRI online Richard B Buxton Introduction to functional magnetic resonance imaging Principles and techniques Cambridge University Press 2002 Roberto Cabeza and Alan Kingstone Editors Handbook of Functional Neuroimaging of Cognition Second Edition MIT Press 2006 Huettel S A Song A W McCarthy G Functional Magnetic Resonance Imaging Second Edition 2009 Massachusetts Sinauer 延伸閲讀 參見 磁振造影 神經成像 外部連結 wwwmritutorialcom MRITUTORIALCOM A free learning repository about neuroimaging BrainMappingORG project Community web site for information Brain Mapping and methods fMRI Videos at RadiologyTubecom A collection of fMRI videos Columbia University Program for Imaging and Cognitive Sciences fMRI Category 磁振造影 Category 神經科學 Category 醫療裝置