fMRI简单介绍

人脑是人体最重要的器官之一，对于人脑功能的探求无疑是非常有意义的事情。所以，人们从未放慢过对大脑研究的脚步。这里简单介绍一种主要运用在研究人及动物的脑或脊髓新兴的神经影像学方式–fMRI。

• fMRI是什么？
  功能影像学技术按方法分类主要包含：
  功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)、正电子发射断层成像( PET )、单光子发射计算机断层成像(SPECT)等。其中功能磁共振成像技术是基于磁共振成像(MRI)发展起来的，MRI 基于核磁共振的物理现象从人体中获取电磁信号，通过对信号进行空间编码，重建人体信息。发展起来的 fMRI 通过集合解剖、影像和功能实现在活体人脑中定位各脑功能区。其优点：fMRI是一种没有放射性、无创性的检测脑功能动态活动的手段，且一次成像可以同时获取功能和解剖图像，所需费用低于其他设备。
  根据功能磁共振成像特点不同，又可以广义的分为：血氧水平依赖成像(blood oxygenation level dependent fMRI，BOLD-fMRI)、弥散加权成像(DWI)、磁共振波谱成像(MRS)、扩散张量成像(Diffusion tensor imaging，DTI)、灌注成像(PWI)。BOLD-fMRI 被狭义的称作功能磁共振，也是本文所介绍的成像技术。

• fMRI原理
  主要原理：如图所示，大脑受到外来刺激初期，局部脑活动增强，耗氧量增加，脱氧血红蛋白在刺激开始后快速地上升；之后，由于大脑功能被激活，引起局部脑血管扩张，血流量增加，导致大量含氧丰富的血液流入该局部区域，含氧血液以灌注方式快速增加，局部脑区含氧血红蛋白浓度迅速上升，而脱氧血红蛋白开始迅速下降，脱氧血红蛋白含量下降到最低值，含氧血红蛋白所占比例升高，脱氧血红蛋白比例降低；结束刺激，含氧血红蛋白含量下降，脱氧血红蛋白上升，均趋于平衡状态(含氧血红蛋白含量与脱氧血红蛋白含量相对浓度随时间变化如图所示)。

氧合血红蛋白是抗磁性的，与组织的磁化率非常接近，它的浓度改变不影响磁场的均匀性，脱氧血红蛋白是顺磁性的，在血管周边及内部会产生局部梯度磁场，明显缩短横向弛豫时间(T2)，引起 T2 加权信号降低（所以当具有顺磁性物质存在时，会引起所在环境磁场分布不均匀，同时导致核磁信号降低）。
故脱氧血红蛋白降低时，相比静息态，则可引起局部脑组织 T2 和 T2*时间相对延长，T2 加权像则会信号增强，脑功能区活动表现为高信号，成像时，这些高信号以不同的颜色叠加在高分辨率的 T1 加权的结构图上，因此磁共振成像采集到的图像中会出现一些比较明亮的信号，经过后期的数据处理，从而获取活跃脑区的功能成像图及一些新的其他的结论。
由此可知，此成像技术依赖于局部组织血管的氧含量，所以叫血氧水平依赖脑功能磁共振成像，而某个脑区的神经活动增强，表现为高信号的情况，一般用激活一词描述，但这个较高信号是相对相同区域未被激活而言的，并非指信号最高的就是被激活的。

• 所要处理的fMRI数据
  我们要对fMRI数据进行分析和研究，就要了解对这个数据有所了解；首先，fMRI数据是一个四维的数据，之前也有提到过，fMRI是对大脑进行扫描，所以包含了一个人体三维的空间脑图像以及一个一维的时间，共同构成了一个四维数据。

• 为什么要进行fMRI预处理以及处理方法
  在扫描的过程中人体轻微挪动，以及大脑神经元的自发性波动响应，一些非神经元的信号，如心跳和呼吸等生理噪声可能影响甚至破坏脑部信号，以及功能磁共振成像对象的差异性和磁共振成像仪器本身的局限性产生的干扰信号。减小这些信号干扰和 fMRI脑成像空间和时间参数的调整这类的预处理方法在 f MRI 中十分重要。主要被分为以下四个步骤：时间切片校正(Slice timing)，头动校正(Realign)，空间标准化(Normalise)，空间平滑(Smooth)。

1. 时间切片校正：每一幅图像采集的时间是不一致的，因此为了消除每幅图像获取时间上的差异性则要通过插值法对每一层图像进行时间校正。
2. 头动校正：采集图像时，尽管采取一定的措施对被试进行头部固定，但轻微的头部运动仍然是不可避免的，如果进行刺激时被试有轻微运动，那么会有运动伪影出现在采集图像上，为了消除运动伪影则需要采用头动校正。
3. 空间标准化：研究对象每一组数据包含有多个被试，但被试在大脑的解剖结构上具有一定的个体差异性，数据统计分析之前，一组内的所有被试的脑图像中同一体素必须满足对应同一解剖位置，因此需要将所有被试的脑图像转化为大小和方向都一样的标准化图像，即同一个坐标系上。
4. 空间平滑：通常选用高斯平滑核处理数据，目的有两个，一是这样可使得数据具有随机高斯场的性质，得以满足 SPM 的统计假设。二是采集图像会有一定的随机噪声，通过空间高斯平滑可以降低噪声，有利于识别真正的脑功能区。

• 拿数据可以做什么
  得到fMRI数据，是为了对脑有着进一步的认知和对脑进行探索，得到了fMRI数据之后，可以做的事情大概有以下几方面：
  1.上面提到过的，fMRI数据的预处理，预处理得当，对于后面的工作有很大意义，这是基础；
  2.通过原理，知道fMRI数据是血氧水平依赖成像，而不是真正的信号，所以可以探究其信号本身；
  3.数据处理之后，可以进行激活区的检测，以及功能连接、有效连接等
  4.应用：对抑郁症，偏头痛，多动症等患者和正常人脑内部的区别研究等等
  以上只是简单的几个方向，fMRI数据还有更多的应用和作用。