功能磁共振成像fMRI工作原理

   磁共振成像对软组织结构有非常好的对比和分辨率，可以不用外源性造影剂就能无损伤地对人脑中神经元活动增加的区域成像。

实验原理：基于血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent, BOLD）的对比原理。脱氧血红蛋白是顺磁性的，而氧合血红蛋白与组织类似，是反磁性的，并且脑中局部脱氧血红蛋白浓度的改变能够导致MRI图像强度的变化。

在神经元活动时，局部毛细血管和静脉中的脱氧血红蛋白浓度降低，从而导致T2*（NMR信号衰减时间常数）和T2（横向弛豫时间）增加。这种增强表现为T2*和T2加权的MR图像强度增强。

实验设计：当被试休息时或进行特定的作业或呈现于特定的刺激时，连续地获得T2*和T2加权像。用统计学方法对图像进行分析，确定有意义的脑区，这些区域在进行作业或者呈现刺激时与休息时的信号比较，有明显的变化。

应用范围：各种神经加工过程的研究，包括初级感觉和运动皮层的活动，以及认知功能（注意、语言、学习和记忆等）的研究。

基本原理：

1.MRI物理原理

通过梯度磁场获得图像。单次激发方法对一个切片成像大约需要30-100ms，对监视脑激活期间脑中连续的动态变化很理想。

2.BOLD的生物物理学原理

氧化的血是反磁性的，类似于脑组织。脱氧血红蛋白是顺磁性的，它的出现导致含有这些分子的区室和其他没有这些分子的区室时间很大的磁化率差异。

在脑中，血红蛋白位于血管内，它对水质子的影响依赖于质子相对于血管的位置，一条血管出现在一个特定的体素（voxe, 图像的单位体积成分）中，这个体素内的磁场就会不均一，动态的平均是水分子的弥散运动造成的，静态平均是在不同香味的自旋引起的，相位是由进动频率的差异产生的。

BLOD场的不均匀性对MR造成影响，有大血管和小血管引起的血管内和血管外效应。当血液占据体素体积的大部分时，导致TE内的血液信号和组织信号之间的不连贯，是体素信号降低，这是fMRI的类型2血液效应。当场强非常高的情况下（7T），基于BOLD fMRI的T2 才可能主要与毛细血管有关。

3.生理学原理

神经活动时脑血流量CBF大量增加，超过了氧利用率CMRO2  的小量增加，结果是兴奋的神经元活动发生时CMRO2 /CBF降低，导致R2*(=1/T2*)，因此，对T2*敏感的图像中信号强度增加。

实验程序

比较静息和活动两种状态。

标准方法是区组设计，当被试交替于两种状态之中时，一系列T2*  加权像被采集。重要实验参数是重复时间TR、TE、切片厚度（一般在3-10mm）、空间分辨率(1.5-4mm)及切片数目。刺激范式是：重复刺激次数的选择是基于平均需要的数据量以及被试的实际耐受性。每次运转通常在分钟级的范围，除开BOLD反应上升和下降的时间5-10s，活动和静息区组常常持续数十秒。

数据分析

探测激活最常用的方法是t检验、交叉相关和一般线性模型。

缺陷

大血管污染：神经区域的大静脉导致的大血管作用和流入效应，采用一个小的翻转角或长的TR或能够破坏血管内信号的双极梯度可以避免流入效应。大血管效应不易消除。

生理噪声（总的被试运动和生理相关的变化）：伴随MR数据采集的时间检测呼吸和心跳，通过减法消除原始数据中的波动。

新的进展

向高场移动（moving toward high field）

场强分别达到7T和9.4T，改善基于BOLD的fMRI的空间特异性。

fMRI信号的早期衰减（early decrease in fMRI signal）

事件相关fMRI

比传统的增加一个时间维度。分两种方法：平均事件相关的fMRI和真正的单次刺激（4T的高磁场强度下）。

fMRI和电生理结合

与EEG，MEG或记录细胞电活动等相结合。同时记录fMRI数据和EEG研究向睡眠时间或癫痫发作时脑的自然活动。