神經成像

神經成像（Neuroimaging）泛指能夠直接或間接對神經系統（主要是腦）的功能、結構和藥理學特性進行成像的技術。神經成像是醫學、神經科學和心理學較新的一個領域。

## 概覽

根據成像的模式，神經成像可以分為

- 結構成像，用來展現腦的結構，從而輔助對一些腦疾病（例如腦腫瘤或腦外傷）的診斷。
- 功能成像，用來展現腦在進行某種任務（包括感覺，運動，認知等功能）時的代謝活動。功能成像主要用於神經科學和心理學研究，不過近來正逐步成為醫學神經科診斷的新途徑。

## 歷史

1918年美國神經外科醫生Walter Dandy發明了腦室像技術。Dandy的技術是基於X光成像對側腦室的空氣注射。1927年，葡萄牙神經科學家Egas Moniz發明了腦血管成像技術。該技術能夠準確呈現顱內正常和異常的血管。1970年，A. M. Cormack和G. N. Hounsfield發明了電腦斷面成像技術。這種技術可以獲取較高解析度的腦結構圖像。他們兩人因此於1979年獲得諾貝爾醫學或生理學獎。不久之後，放射性配子（Radioligand）的發明引發了兩種新的神經成像技術，包括單光子發射電腦斷面成像（SPECT）和正電子發射成像（PET）。

核磁共振成像是一種較新的醫學成像技術。它的主要發明和開發者包括Peter Mansfield和Paul Lauterbur。他們因此於2003年獲得諾貝爾醫學或生理學獎。21世紀初年，神經成像的發展開始允許有限的神經功能成像。

全腦（屍檢）MRI圖像空間解析度的世界紀錄是2019年實現的100微米（圖像），樣本採集耗時約100小時。整個人類大腦神經影像學的空間解析度世界紀錄（任何方法的記錄）是在ESRF（歐洲同步輻射裝置機構）進行的 X 射線斷層掃描，其解析度約為25微米（屍檢方式進行），掃描時間約為22小時。

## 主要神經成像技術

### 電腦斷面成像

電腦斷面成像（CT），又稱電腦斷層掃描，其基本原理是利用不同方向上的X射線。電腦用來對這些來自不同方向的數據進行整合，來重建斷面內的圖像。這類圖像內的數值反應的是物質對X射線的通透率。CT技術主要用來對腦進行快速成像，來觀察外傷引起的組織水腫和腦室擴張。

### 擴散光學成像

Diffuse optical imaging（Diffusion Optical Imaging, DOI）是一種利用近紅外光的神經成像方法。這種方法主要基於血紅蛋白對近紅外光的吸收。該方法可通過測量吸收光譜來計算血液中的氧含量。該技術可以用來測量腦組織對外部刺激或在執行某種功能時的代謝變化，稱為事件相關光學信號（Event-related Optical Signal，EROS）。EROS的長處在於它較高的空間（毫米量級）和時間（毫秒量級）解析度，缺點在於它無法觀測深部腦組織的活動。

### 核磁共振成像

核磁共振成像的基本原理是對原子核自旋的射頻激發以及對隨後弛豫過程中的射頻信號的採集和處理。MRI設備有一個大磁體產生的較大靜磁場，使得樣本原子核（主要是氫原子核）磁矩排列一致。設備的射頻線圈在Larmor頻率激發這些原子核，使它們偏離這個方向，並隨後發生弛豫現象。接受線圈可以拾取弛豫過程中產生的電磁信號。設備的梯度磁場用來產生隨空間變化的磁場強度，從而實現空間編碼。通過二維傅立葉變換等方法，電腦可重建樣本的圖像。MRI圖像中的數值的含義（即對比度）由於MRI激發和採集模式的不同而不同。常用的對比度有T1對比度，T2對比度，T2*對比度等。不同對比度的圖像有不同的生理學或解剖學含義。

MRI可以產生腦的高畫質晰度結構或功能圖像。MRI結構圖像可用於神經科對於腦腫瘤，腦血管疾病（例如中風）等的診斷。功能核磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）的基本原理是氧化血紅蛋白和去氧血紅蛋白在磁性質上的差別以及伴隨腦神經活動的腦血流變化。fMRI可以用來展現各種感覺，運動，和認知活動過程中的激活腦區。目前fMRI的空間解析度多在2-3毫米左右。

#### 當前核磁共振成像可能存在的較嚴重級醫學盲點

當前整個完整大腦（屍檢）的最高空間解析度記錄是100微米，來自麻薩諸塞州總醫院，該數據於2019年10月30日發表在《自然》雜誌上。考慮到這是屍檢形式進行的影像採集，臨床上對病患檢查時的空間解析度往往要遠大於該水平（病患檢查時的呼吸、心跳等給空間解析度帶來不利的影響），當前磁共振成像盲點可能帶來的病理性疾病無法檢查出來情況舉例說明如下（現有診斷盲點可供未來核磁共振技術發展借鑑）：

### 腦磁圖

腦磁圖（Magnetoencephalography，MEG）的基本原理是腦的神經活動時產生的電信號所產生的磁信號。超導量子干涉設備（SQUID）可以用來測量這種微弱的磁信號。與fMRI不同，MEG直接測量神經活動。fMRI測量的是伴隨神經活動的代謝變化。而且磁信號基本不受周邊組織的影響。

### 正電子發射成像

正電子發射成像（Position Emission Tomography, PET）使用人工引入的放射性代謝物質。這种放射性代謝物質被注射入血管。PET設備檢測改物質在腦內衰變時產生的正電子，來產生腦功能圖像。常用的放射性標註物質包括含氧-15的水和含氟-18的氟代脫氧葡萄糖。

### 單光子放射電腦斷層掃描

Single-photon_emission_computed_tomography（Single photon emission computer tomography, SPECT）的基本原理與PET相似，但是改技術檢測的是放射性物質衰變時產生的伽瑪射線。與MRI相比，PET和SPECT的共同缺點是較低的空間解析度，以及對放射性物質的使用。他們的主要優點在於使用不同放射性標註物質的靈活性。

## 擴展閱讀

- Philip Ball. Brain Imaging Explained.
- J. Graham Beaumont (1983). Introduction to Neuropsychology. New York: The Guilford Press.
- Jean-Pierre Changeux (1985). Neuronal Man: The Biology of Mind. New York: Oxford University Press.
- Malcom Jeeves (1994). Mind Fields: Reflections on the Science of Mind and Brain. Grand Rapids, MI: Baker Books.
- Richard G. Lister and Herbert J. Weingartner (1991). Perspectives on Cognitive Neuroscience. New York: Oxford University Press.
- James Mattson and Merrill Simon (1996). The Pioneers of NMR and Magnetic Resonance in Medicine. United States: Dean Books Company.
- Lars-Goran Nilsson and Hans J. Markowitsch (1999). Cognitive Neuroscience of Memory. Seattle: Hogrefe & Huber Publishers.
- Donald A. Norman (1981). Perspectives on Cognitive Science. New Jersey: Ablex Publishing Corporation.
- Brenda Rapp (2001). The Handbook of Cognitive Neuropsychology. Ann Arbor, MI: Psychology Press.