神经影像学

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神经成像或脑成像是使用各种技术直接或间接地成像神经系统的结构，功能或药理学。它是医学，神经科学和心理学领域的一门相对较新的学科。[1]专门研究临床环境中神经影像学表现和解释的医生是神经放射学家。

神经影像学分为两大类：

结构成像，涉及神经系统的结构和严重（大规模）颅内疾病（如肿瘤）和损伤的诊断。
功能成像，用于诊断更精细的代谢疾病和病变（如阿尔茨海默病），也用于神经和认知心理学研究和建立脑机接口。
例如，功能成像使得能够直接可视化大脑中心的信息处理。这种处理导致大脑的相关区域增加新陈代谢并在扫描中“点亮”。神经影像学更具争议性的用途之一就是研究“思想识别”或思维阅读。


患有良性家族性巨头畸形的患者头部的矢状矢状MRI。

目录
1 历史
2 适应症
3 脑成像技术
3.1 计算机轴向断层扫描
3.2 漫射光学成像
3.3 与事件有关的光信号
3.4 磁共振成像
3.5 功能磁共振成像
3.6 脑磁图
3.7 正电子发射断层扫描
3.8 单光子发射计算机断层扫描
3.9 颅超声
4 神经影像技术的优点和关注点
4.1 功能磁共振成像（fMRI）
4.2 计算机断层扫描（CT）扫描
4.3 正电子发射断层扫描（PET）
4.4 脑磁图（MEG）和脑电图（EEG）
5 批评和警告
6 参考

历史
主要文章：神经影像学的历史


头部的计算机断层扫描（CT），从头骨的顶部到底部
神经影像史的第一章追溯到意大利神经科学家Angelo Mosso，他发明了“人体循环平衡”，可以在情绪和智力活动中非侵入性地测量血液的重新分布。[2]然而，尽管威廉·詹姆斯在1890年简要提到过，这种平衡的细节和精确的工作以及Mosso用它进行的实验在最近发现原始乐器以及Stefano Sandrone及其同事的Mosso报告之前仍然未知。[ 3]

1918年，美国神经外科医生Walter Dandy介绍了脑室造影技术。通过将过滤的空气直接注射到脑的一个或两个侧脑室中来获得脑内脑室系统的X射线图像。 Dandy还观察到通过腰椎穿刺引入蛛网膜下腔的空气可以进入脑室，并且还可以显示脑底部及其表面周围的脑脊液腔。这项技术被称为脑血管造影术。

1927年，Egas Moniz引入了脑血管造影术，可以非常准确地显示大脑内部和周围的正常和异常血管。

在20世纪70年代早期，Allan McLeod Cormack和Godfrey Newbold Hounsfield介绍了计算机轴向断层扫描（CAT或CT扫描），并且更加详细的大脑解剖图像可用于诊断和研究目的。科马克和豪恩斯菲尔德因其工作获得了1979年诺贝尔生理学或医学奖。在20世纪80年代早期引入CAT后不久，放射性配体的发展允许大脑的单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和正电子发射断层扫描（PET）。

或多或少兼并，磁共振成像（MRI或MR扫描）由包括Peter Mansfield和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。在20世纪80年代早期，MRI被临床引入，并且在20世纪80年代，发生了技术改进和诊断MR应用的真正爆炸式增长。科学家很快就了解到PET测量的大血流量变化也可以通过正确的MRI类型进行成像。功能性磁共振成像（fMRI）诞生，自20世纪90年代以来，fMRI由于其低侵袭性，缺乏辐射暴露和相对广泛的可用性而成为大脑测绘领域的主导。

在21世纪初，神经影像学领域达到了功能性脑成像的有限实际应用已成为可能的阶段。主要应用领域是脑机接口的粗略形式。

适应症
神经成像遵循神经系统检查，其中医生已经找到了更深入地调查患有或可能患有神经障碍的患者的原因。

一个人可能经历的一个更常见的神经系统问题是简单的晕厥。[4] [5]在简单晕厥的情况下，患者的病史并未提示其他神经系统症状，诊断包括神经系统检查，但未指示常规神经系统影像，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程序中受益。[5]

对于诊断为偏头痛的稳定性头痛患者，不适用神经影像学检查。[6]研究表明，偏头痛的存在不会增加患者颅内疾病的风险。[6]偏头痛的诊断表明没有其他问题，如视乳头水肿，并不表示需要进行神经影像学检查。[6]在进行仔细诊断的过程中，医生应该考虑头痛是否有偏头痛以外的原因并且可能需要进行神经影像学检查。[6]

神经影像学的另一个指征是CT，MRI和PET引导的立体定向手术或放射外科手术治疗颅内肿瘤，动静脉畸形和其他可手术治疗的病症。[7] [8] [9] [10]

脑成像技术
计算机轴向断层扫描
主要文章：CT头
计算机断层扫描（CT）或计算机轴向断层扫描（CAT）扫描使用从许多不同方向拍摄的头部的一系列X射线。 CT扫描通常用于快速查看脑损伤，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Radon变换），以估计在少量的X射线束中吸收多少X射线束。大脑。通常，信息以大脑的横截面形式呈现。[11]

漫射光学成像
漫射光学成像（DOI）或漫射光学断层扫描（DOT）是一种医学成像模式，其使用近红外光来生成身体的图像。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。高密度漫反射光学断层扫描（HD-DOT）已经与使用这两种技术研究的受试者的视觉刺激反应直接与fMRI进行了比较，结果令人放心。[12] HD-DOT还在语言任务和静止状态功能连接方面与fMRI进行了比较。[13]

事件相关的光信号
事件相关光信号（EROS）是一种脑扫描技术，它使用红外光通过光纤来测量大脑皮层活动区域的光学特性的变化。虽然漫反射光学成像（DOT）和近红外光谱（NIRS）等技术可测量血红蛋白的光学吸收，因此基于血流，EROS利用神经元本身的散射特性，从而提供更直接的细胞活动的测量。 EROS可以在毫米（空间）和毫秒（时间）内精确定位大脑中的活动。它最大的缺点是无法检测超过几厘米深的活动。 EROS是一种新的，相对便宜的技术，对测试对象是非侵入性的。它由伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校开发，目前用于Gabriele Gratton博士的认知神经影像学实验室和Monica Fabiani博士。

磁共振成像
主要文章：脑和脑干的MRI


在中线的矢状MRI切片。
磁共振成像（MRI）使用磁场和无线电波来产生高质量的二维或三维脑结构图像，而无需使用电离辐射（X射线）或放射性示踪剂。

功能磁共振成像


在基底神经节水平的轴向MRI切片，显示fMRI BOLD信号变化覆盖红色（增加）和蓝色（减少）音调。
功能性磁共振成像（fMRI）和动脉自旋标记（ASL）依赖于含氧和脱氧血红蛋白的顺磁性质，以观察与神经活动相关的大脑中血流变化的图像。这允许生成图像，其反映在执行不同任务期间或在静止状态期间激活（以及如何）哪些脑结构。根据氧合假设，认知或行为活动期间局部脑血流中的氧使用的变化可以与区域神经元相关联，其与正在参与的认知或行为任务直接相关。

大多数fMRI扫描仪允许对象呈现不同的视觉图像，声音和触摸刺激，并且可以进行不同的动作，例如按下按钮或移动操纵杆。因此，fMRI可用于揭示与感知，思想和行为相关的大脑结构和过程。 fMRI的分辨率目前约为2-3毫米，受到血液动力学对神经活动反应的空间扩散的限制。它已经在很大程度上取代了PET用于研究大脑激活模式。然而，PET通过其成像放射性标记的受体“配体”（受体配体是任何粘附于受体的化学物质）的能力，保留了能够鉴定与特定神经递质相关的特定脑受体（或转运蛋白）的显着优点。

除了对健康受试者的研究外，fMRI还越来越多地用于疾病的医学诊断。因为fMRI对血流中的氧气使用非常敏感，所以它对由缺血（异常低血流量）引起的大脑早期变化极为敏感，例如中风后的变化。某些类型中风的早期诊断在神经病学中越来越重要，因为溶解血栓的物质可以在某些类型的中风发生后的最初几个小时内使用，但之后使用是危险的。在fMRI上看到的大脑变化可能有助于决定用这些药物治疗。准确度在72％到90％之间，机会达到0.8％，[14] fMRI技术可以决定主体正在观看的一组已知图像中的哪一种。[15]

脑磁图
脑磁图（MEG）是一种成像技术，用于通过极其敏感的设备（如超导量子干涉设备（SQUID）或自旋交换无弛豫[16]（SERF）磁强计测量大脑中电活动产生的磁场。 MEG提供非常直接的神经电活动测量（例如与fMRI相比），具有非常高的时间分辨率但相对低的空间分辨率。测量由神经活动产生的磁场的优点是，与通过脑电图（EEG）测量的电场相比，它们可能更少受到周围组织（特别是头骨和头皮）的扭曲。具体地，可以示出当头部被建模为一组同心球壳时，由电活动产生的磁场不受周围头部组织的影响，每个同心球壳是各向同性的均匀导体。真正的头部是非球形的并且具有很大的各向异性导电性（特别是白质和颅骨）。虽然颅骨各向异性对MEG的影响可忽略不计（与脑电图不同），但白质各向异性强烈影响径向和深源的MEG测量。[17]然而，请注意，在本研究中假设头骨是均匀各向异性的，对于真实的头部而言并非如此：外交和表格层的绝对和相对厚度在颅骨之间和内部不同。这使得MEG也可能受到颅骨各向异性的影响[18]，尽管可能与脑电图的程度不同。

MEG有许多用途，包括协助外科医生定位病理学，协助研究人员确定大脑各部位，神经反馈等功能。

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，测量已经注入血流的放射性标记的代谢活性化学物质的排放。对发射数据进行计算机处理，以产生化学物质在整个大脑中分布的二维或三维图像。[19]：57所用的正电子发射放射性同位素由回旋加速器产生，化学物质用这些放射性原子标记。被称为放射性示踪剂的标记化合物被注入血液并最终进入大脑。 PET扫描仪中的传感器检测放射性，因为化合物在大脑的各个区域累积。计算机使用传感器收集的数据来创建多色2或3维图像，以显示化合物在大脑中的作用。特别有用的是用于绘制神经递质活性的不同方面的多种配体，迄今为止最常用的PET示踪剂是标记形式的葡萄糖（参见Fludeoxyglucose（18F）（FDG））。

PET扫描的最大好处是不同的化合物可以显示工作大脑组织中的血流和氧和葡萄糖代谢。这些测量反映了大脑各个区域的大脑活动量，可以让您更多地了解大脑的运作方式。 PET扫描在首次出现时在分辨率和完成速度（最短30秒）方面优于所有其他代谢成像方法。改进的分辨率允许对由特定任务激活的大脑区域进行更好的研究。 PET扫描的最大缺点是，由于放射性迅速衰减，仅限于监测短期任务。[19]：60在fMRI技术上线之前，PET扫描是功能（与结构相反）脑成像的首选方法，它继续为神经科学做出巨大贡献。

PET扫描也被用于诊断脑部疾病，最主要的原因是因为脑肿瘤，中风和导致痴呆的神经元损伤性疾病（如阿尔茨海默病）都会引起大脑新陈代谢的巨大变化，从而导致PET易于检测到的变化扫描。 PET在某些痴呆症的早期病例中可能是最有用的（经典的例子是阿尔茨海默病和皮克病），其中早期损伤过于分散并且使脑容量和总体结构的差异太小而无法改变CT和标准MRI图像。能够可靠地将其与皮质萎缩的“正常”范围区分开来，这种皮质萎缩伴随着衰老（在许多但不是全部）人中发生，并且不会引起临床痴呆。

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）类似于PET，并使用伽马射线发射放射性同位素和伽玛相机来记录计算机用于构建活动脑区域的二维或三维图像的数据。[20] SPECT依赖于放射性示踪剂或“SPECT剂”的注射，其迅速被大脑吸收但不会重新分布。 SPECT药物的摄取在30至60秒内接近100％完成，反映了注射时的脑血流量（CBF）。 SPECT的这些特性使其特别适合于癫痫成像，这通常由于患者移动和可变癫痫发作类型的问题而变得困难。 SPECT提供脑血流的“快照”，因为在癫痫发作终止后可以获得扫描（只要在癫痫发作时注射放射性示踪剂）。与MRI相比，SPECT的显着限制是其分辨率差（约1cm）。今天，常用的是具有双探测器头的SPECT机器，尽管市场上有三重探测器头机器。断层扫描重建（主要用于大脑的功能“快照”）需要探测器头的多个投影，这些投影围绕人类头骨旋转，因此一些研究人员开发了6和11个探测器头SPECT机器来缩短成像时间并提供更高的分辨率。 21] [22]

与PET一样，SPECT也可用于区分产生痴呆的不同类型的疾病过程，并且它越来越多地用于此目的。 Neuro-PET的缺点是需要使用半衰期至多110分钟的示踪剂，例如FDG。这些必须在回旋加速器中制造，并且如果必要的运输时间延长超过几个半衰期则是昂贵的甚至不可用的。然而，SPECT能够利用具有更长半衰期的示踪剂，例如锝-99m，因此可以广泛使用。

颅超声
颅超声通常仅用于婴儿，其开放的囟门提供声学窗口，允许大脑的超声成像。优点包括没有电离辐射和床边扫描的可能性，但缺乏软组织细节意味着MRI在某些情况下是优选的。

神经影像技术的优点和关注点
功能磁共振成像（fMRI）
与其他成像方法相比，fMRI由于其非侵入性而通常被归类为最低至中度风险。 fMRI使用血氧水平依赖（BOLD） - 对比以产生其成像形式。 BOLD-contrast是一种自然发生的体内过程，因此fMRI通常优于需要放射性标记产生类似成像的成像方法。[23]使用fMRI的一个问题是它在患有医疗植入物或装置和体内金属物品的个体中的使用。如果没有经过适当的筛选，从设备发出的磁共振（MR）可能导致医疗设备故障并吸引体内的金属物体。目前，FDA根据MR兼容性将医疗植入物和设备分为三类：MR安全（在所有MR环境中安全），MR不安全（在任何MR环境中不安全）和MR条件（MR兼容）某些环境，需要进一步的信息）。[24]

FDA MR用于植入物和设备的安全标签


MR 安全[25]


MR Conditional


MR Unsafe

计算机断层扫描（CT）扫描
CT扫描于20世纪70年代引入，并迅速成为最广泛使用的成像方法之一。 CT扫描可在一秒钟内完成并为临床医生提供快速结果，其易用性导致美国CT扫描量从1980年的300万增加到2007年的6200万。临床医生经常进行多次扫描在一项CT扫描使用研究中，30％的人接受了至少3次扫描[26]。 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，更高的辐射剂量可产生更好的分辨率成像。[27]虽然易于使用，但CT扫描使用的增加，特别是在无症状患者中，是一个值得关注的话题，因为患者暴露于相当高的辐射水平[26]。

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过程，而是依赖于注入血液中的异物进入大脑。患者注射放射性同位素，这些放射性同位素在大脑中代谢并发出正电子，以产生大脑活动的可视化。[23]患者在PET扫描中暴露的辐射量相对较小，与个体在一年中暴露的环境辐射量相当。 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）并且迅速衰减。[28]目前，与PET相比，fMRI是大脑活动成像的首选方法，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。[23]

脑磁图（MEG）和脑电图（EEG）
MEG和EEG的高时间分辨率允许这些方法测量低至毫秒的大脑活动。 MEG和EEG都不需要患者暴露于辐射以起作用。 EEG电极检测由神经元产生的电信号以测量大脑活动，并且MEG使用由这些电流产生的磁场中的振荡来测量活动。 MEG广泛使用的一个障碍是定价，因为MEG系统可能花费数百万美元。 EEG是一种用于实现这种时间分辨率的更广泛使用的方法，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很差。[23]

批评和警告
一些科学家批评了在科学期刊和大众媒体中提出的基于大脑图像的主张，就像发现“大脑的一部分负责人”这样的功能，如天赋，特定记忆或产生爱情等情感。许多映射技术具有相对低的分辨率，包括单个体素中的数十万个神经元。许多功能也涉及大脑的多个部分，这意味着这种类型的声明可能都与使用的设备无法通知，并且通常基于关于大脑功能如何划分的错误假设。可能大多数脑功能只能在用更细粒度的测量进行测量后才能正确描述，这些测量看起来不是大区域，而是大量微小的个体大脑电路。这些研究中的许多也存在技术问题，例如样本量小或设备校准差，这意味着它们无法复制 - 有时会忽略这些因素而产生耸人听闻的期刊文章或新闻标题。在某些情况下，大脑绘图技术以未经科学验证的方式用于商业目的，谎言检测或医学诊断。[29]

另见
Brain mapping
Outline of brain mapping
Connectogram
Functional integration (neurobiology)
Functional near-infrared spectroscopy
Functional neuroimaging
History of neuroimaging
Human brain
Cognitive neuroscience
Outline of the human brain
List of neuroimaging software
List of neuroscience databases
Magnetic resonance imaging
Magnetoencephalography
Medical image computing
Medical imaging
Neuroimaging journals
Statistical parametric mapping
Transcranial magnetic stimulation
Voxel-based morphometry

参考
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