原创 - 如何观察我们的大脑？脑成像/神经成像技术简介

人脑，重约1400克，也许是我们的世界里最复杂最精密的机器。它在功能上极具多样性，几乎承载了我们所有的智能活动（语言、意识、思维和认知）；但它在结构形式上却极度单一化，一个由神经突触联结而成的神经元网络（包含了百亿级神经元和百万亿级神经突触）。

配图：脑

要想研究大脑，我们首先得有观察它的仪器，现在主流的脑成像/神经成像技术有：CT、PET、MRI、fMRI和FHIRM-TPM。FHIRM-TPM就是微型双光子显微成像系统，由联合研制而成，该技术入选2017中国科学十大进展。本文会简单介绍每种成像技术的特点以及其具体的应用场景，内容深度有限，想深入了解的读者可以阅读文末的参考链接。

CAT scans, MRI, PET scans, and fMRI. Some neuroimaging techniques allow us to see the structure of the brain, while others allow us to look at brain activity or function.

CT/电脑断层扫描
在单一的平面，利用X射线旋转照射大脑（断层扫描），由于不同的大脑组织对X射线的吸收能力不同，因而可以构建出该大脑断层面的影像。堆叠每一层的大脑扫描图像，我们就可以构建大脑的立体影像。
CT技术属于结构成像技术，因为它只能用于观察大脑的静态结构，不能用于观察大脑的动态功能。CT图像的分辨率不高，但足够将大脑的主要结构进行可视化，因此可以用于观察大脑肿瘤。
注：普通X射线在1901年获得诺贝尔物理学奖，CT技术在1979年获得诺贝尔医学奖。

图片来源：Efficacy assessment of pemetrexed treatment of an NSCLC case with brain metastasis

Computerized tomography, also known as computerized axial tomography, is a type of structural neuroimaging. It is usually called a CAT or CT scan.
It involves taking a series of x-ray images from various locations around the head. These images can then be combined to construct an image of the brain.
The resolution of CT images is not that high, but they can visualize any major structural problems with the brain, like a tumor.

MRI/磁共振成像
MRI和CT一样，属于结构成像技术，但MRI使用的不再是X射线，而是电磁波，因此MRI被认为是一种对人体没有任何伤害的安全、快速、高空间分辨率的临床诊断方法。

MRI的大致原理：当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，就可以改变氢原子（也可以选择其他原子，比如氧原子）的旋转排列方向，使之共振，然后我们就可以分析该过程种释放的电磁波。由于大脑中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，因此不同组织间核磁共振信号强度之间存在差异，利用这种差异作为特征量，就可以把各种组织分开。类似的，MRI也可以用于检测大脑结构以及观察肿瘤。

CT和MRI之间没有绝对的优劣之分，在某些场合它们可以互补使用从而弥补各自的不足。

注：核磁共振领域曾出现了6次诺贝尔奖（物理学、化学、生理学或医学），足以说明此领域及其衍生技术的重要性。

Magnetic resonance imaging, or MRI, involves applying a combination of magnetic fields and radiofrequency energy waves to the brain.
Hydrogen atoms respond to the magnetic fields and radiofrequency pulses by emitting energy. The MRI machine receives this energy and can tell what part of the brain it came from.
A computer can use that information to reconstruct an image of the brain that has high spatial resolution.

图片来源：wiki

PET/正电子发射计算机断层扫描

PET技术最明显的特点就是需要检测对象服用被半衰期较短的放射性示踪剂同位素（基本无毒害作用）标记过的显影剂（通常为氟化脱氧葡萄糖，氟-18），经过一段时间显影剂就会进入全身的代谢循环。

放射性同位素的特性就是会发生正电子放射衰变，释放出一个正电子（即一个电子相对应的反粒子），正电子会与生物体中的一个电子遭遇并产生电子对湮灭，这一信号可以被PET扫描器捕获。由于显影剂可以持续的存在于整个大脑中，因而我们可以获取整个大脑的三维和功能运作的图像。

不像CT和MRI可以直接观测大脑的结构，PET通常是通过观察血流、氧消耗和追踪神经递质来间接观测大脑的功能。当大脑某个区域活跃时，该区域的血液流动和氧消耗会加速，由于显影剂会持续存在于大脑血液循坏中，因此可以使用PET观察大脑的动态变化。

此外，由于恶性肿瘤代谢葡萄糖的速度比良性肿瘤快得多，因此在临床上PET可以用来区分良性肿瘤和恶性肿瘤，如下图。

Positron emission tomography, or PET scanning, is a way of imaging brain function. To do a PET scan, a patient is injected with a radioactive substance that emits positrons,

which then emit gamma rays when they collide with electrons in brain tissue. These gamma rays are detected by the PET scanner. Because the radioactive substance was injected into the bloodstream,
what the PET scanner is detecting is the movement of blood throughout the brain. Blood flow to an area of the brain increases when that area is active, so PET scanning creates an image that highlights the areas of the brain that are being used the most while the person is in the scanner.

图片来源：Positron emission tomography

fMRI/功能性磁共振成像

fMRI吸收了MRI和PET的技术优势，通过检测血流进入脑细胞的磁场变化而实现脑功能成像，从而将原本的结构成像技术MRI拓展到了功能成像。

神经元在活动时，其附近的血流会加速来补充消耗掉的氧气，因而神经活化会引发血液动力学的改变。BOLD（Blood oxygen-level dependent）是目前fMRI常用的一个测量指标，它描述了血液中带氧/缺氧血红素比例，当神经元活化时，带氧血红素比例提高，相对的BOLD信号也会随之加强。血红素氧化状态（带氧血红素）的时候为抗磁性的，相对于缺氧血红素为顺磁性的，因此神经元的活动变化可以被高空间分辨率的MRI捕获。

由于fMRI可以持续地检测大脑皮层中的活动信号，因而其已被广泛应用于大脑功能定位和认知心理学等研究领域。

Functional MRI, or fMRI, uses a similar approach to MRI but focuses on the different responses oxygenated and unoxygenated blood make to magnetic fields and radiofrequency energy.

fMRI uses what is called blood-oxygen-level-dependent contrast, or BOLD, to identify changes in blood flow in the brain, and thus to identify areas of the brain that are most active.
fMRI allows one to image brain function without having to inject anything, and it provides high resolution MRI images at the same time as it provides a functional image.

FHIRM-TPM/微型双光子显微成像系统

“人们在理解视觉、听觉、嗅觉等感觉信号加工的神经环路机制上也取得了不错的进展，但我们对于复杂功能，如学习、记忆、注意、决策，还知之甚少，更不用说共情、自我意识、思考和语言了。语言是人类特有的能力，我认为对于语言加工背后的神经环路机制的理解是神经科学最重要的目标之一。由脑损伤导致的语言障碍为研究语言的神经机制提供了有价值的线索，但由于我们只能采用非侵入式实验手段来研究人脑，想要对语言进行深入研究是十分困难的。”

宏观人脑成像的空间分辨率很低，只有毫米量级。它可以用来确定脑的粗糙结构和功能改变，但不能用于理解神经环路的结构和功能。CT、MRI和PET等脑成像方法在临床诊断中发挥重要作用，而对MRI信号与神经环路结构与功能之间联系更加深入的理解，可以帮助我们更好地利用MRI技术。

为了理解我在想什么，你需要观察并理解我脑中至少数以百万计的神经元的动态活动模式。我不确定我们能否在可预见的未来中做到这一点。

功能MRI和PET成像会显示你脑中的许多区域是活跃的，包括大脑皮层中的大部分区域。当我们能够清楚知道哪些神经环路参与了意识相关脑状态的产生，以及它们是怎样被激活和调控时，神经科学在理解意识上面的工作将在很大程度上完成。

在我们的宏观认识和微观认识中间有一条鸿沟：对于脑中由大量神经元形成的复杂神经环路是如何加工神经信息的，我们仍然知之甚少。未来神经科学的重要任务是理解神经环路结构以及它们执行各种脑功能时的活动规律。

在接下来的十年中，有两大挑战：一是以单个神经元和神经纤维分辨率来同时观察活体脑中一大群神经元的活动；二是对实验中记录到的，反映特定认知过程中神经元动态活动的极大量数据进行分析和解读。

试想有一天，有一个装置能观测我们大脑里每一个神经元和神经突触的活动。

为什么可以活体，更多集中于技术的更新，以及此技术的亮点

研制出可实现自由状态脑成像的微型显微成像系统
北京大学生物膜与膜生物工程国家重点实验室程和平及陈良怡研究组与电子工程与计算机科学学院张云峰和王爱民等合作，运用微集成、微光学、超快光纤激光和半导体光电子学等技术，在高时空分辨在体成像系统研制方面取得突破性技术革新，成功研制出2.2克微型化佩戴式双光子荧光显微镜，在国际上首次记录了悬尾、跳台、社交等自然行为条件下，小鼠大脑神经元和神经突触活动的高速高分辨图像。

此项突破性技术将开拓新的研究范式，在动物自然行为条件下，实现对神经突触、神经元、神经网络、多脑区等多尺度、多层次动态信息处理的长时程观察，这样不仅可以“看得见”大脑学习、记忆、决策、思维的过程，还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。

该成像系统被2014年诺贝尔生理学或医学奖得主Edvard I.Moser称之为研究大脑的空间定位神经系统的革命性新工具。

神经元和突出的结构模型

年度中国科学十大进展出炉

微型双光子显微成像系统

随着成像技术的飞速发展，可以想象有一天，我们能够实时地捕捉大脑神经网络里每一个神经元的活动信号，如果能通过数学建模或其他方式加以解码，或许我们就可以对人类的智能产生新的认识。

一旦我们真正地理解了智能，那么强人工智能的来临也就不远了。

以上简单介绍了目前常见的脑成像技术，以后有机会会介绍脑成像在认知心理学等方面的应用。

参考链接：

Brain Imaging - YouTube

What Is FMRI? - Center for Functional MRI - UC San Diego

Difference Between MRI and fMRI