研究健康与疾病中的脑功能组织的新工具
在过去的几十年里，“脑功能图谱”技术发展出了两种基本类型:(1)直接绘制脑电活动图谱的技术;(2)绘制这种脑电活动变化的局部生理或代谢结果的技术。前者包括脑电图和脑磁脑电图的无创神经电磁技术。TMS可用于评估皮层的生理特征，如兴奋性，并通过评估不同位置的皮层刺激的行为反应来绘制其组织(Boniface和Ziemann, 2003)。这些方法允许神经处理的精细时间分辨率(通常在10到100毫秒的时间尺度上)，但相对较差的空间分辨率(在1到几厘米之间)。
功能磁共振成像(fMRI)和正电子发射断层扫描(PET)属于第二类(见Jezzard等人，2001年的完整综述)。它们可以用来检测伴随神经元活动的局部血液灌注、血容量或血氧合的变化。PET需要注入放射性示踪剂和高度专业化的设备，这限制了对任何单一受试者进行扫描的次数和该技术的可用性。血氧水平依赖性功能磁共振成像(BOLD)已经成为这些方法中最重要的，因为它具有与PET相似的空间(在几毫米的量级上)和更好的时间分辨率(秒，受血流动力学反应本身的限制)。此外，该技术可以在任何现代高场MRI系统上实施，使其以合理的成本广泛使用。
A. BOLD fMRI的原理
BOLD功能磁共振成像依赖于检测与神经元活动增加相关的局部血流增加(和血容量)的后果(图1)(Kim et al. 1993;Ogawa et al. 1990, 1992, 1993)。由于局部血流量的增加超过了代谢需求的增加，在神经元激活区域，氧气提取减少，氧脱氧血红蛋白(“更红的血液”)比例升高。在适当(T2*)增敏MRI扫描中，更高的血氧导致更大的信号。BOLD功能磁共振成像来自氧合血红蛋白(oxyHb)和脱氧血红蛋白(脱氧血红蛋白)不同的磁性:脱氧血红蛋白是顺磁性的(在成像时会扭曲外加磁场)，而氧血红蛋白是反磁性的(不会显著扰乱外加磁场)。
因此，携带含氧动脉血液的小动脉对磁场造成的扭曲很小，而含有部分脱氧血液的毛细血管和静脉则在局部扭曲磁场。与脱氧血红蛋白扭曲相关的(微观)磁场不均匀性导致组织体素内信号的破坏性干扰，这缩短了所谓的T2*”放松时间。”较短的T2*导致来自体素的信号较低(因此图像像素较暗)。另外，与激活相关的氧/脱氧血红蛋白比值的增加导致T2*变长，来自体素的信号更多，梯度回波图像上的像素相对更亮。
在功能磁共振成像实验中，当受试者执行一项任务时，大脑活动在两种或更多定义明确的状态(例如，手的休息与运动)之间交替时，大量(通常为数百)的一系列图像被快速获取(使用快速成像技术，如回波平面成像)(Matthews和Jezzard, 2003)。通过将每个体素的信号时间过程与已知的任务时间过程相关联，就有可能识别出大脑中那些显示出与“激活”相对应的任务相关的信号变化的体素。虽然PET提供了组织代谢的绝对测量，但BOLD fMRI目前只能用于确定在单一成像过程中研究的不同认知状态之间的相对信号强度变化。此外，fMRI测量到的信号强度变化的幅度仅在0.5%到5.0%之间。由于这比固有的局部组织对比(例如灰质和脑脊液之间)小得多，功能磁共振成像中最重要的实际混淆之一是对运动的极端敏感，这可能混合来自
图一神经元活动过程中血流动力学参数的变化。在基础状态下，毛细血管和小静脉中的脱氧血红蛋白会在毛细血管周围形成显微场梯度血管．这反过来又导致了梯度回声MRI序列信号的降低。在激活状态下，流量有显著增加，但耗氧量只有适度增加。这导致在毛细血管和小静脉中脱氧血红蛋白的浓度较低，从而导致显微场梯度的减少和信号强度的增加。(图修改自P. Jezzard教授提供的材料)
图一神经元活动过程中血流动力学参数的变化。在基础状态下，毛细血管和小静脉中的脱氧血红蛋白导致血管周围建立显微镜场梯度。这反过来又导致了梯度回声MRI序列信号的降低。在激活状态下，流量有显著增加，但耗氧量只有适度增加。这导致在毛细血管和小静脉中脱氧血红蛋白的浓度较低，从而导致显微场梯度的减少和信号强度的增加。(图修改自P. Jezzard教授提供的材料)
在扩展的一系列图像上的相邻体素。如果运动与任务同步发生，就会发现与运动相关的信号变化，以及与大脑功能变化相关的信号变化。
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