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大脑是所有生命机体的最特殊也是最复杂的器官。大脑与其他器官的重要区别之一即是其多层的间隔排列，从神经细胞类型(例如神经元与星形细胞)，到脑组织类型(如灰质与白质)，再到独特的中枢神经系统和脑的各种功能。但在静息或活动状态下各层级的不同脑分室却是高度统一协调的。
与心肌和骨骼肌不同，大脑不进行机械性运动。脑细胞的主要功能是产生激动并传导，这反映在大脑不停地进行电生理活动。大脑用于持续的电生理活动的生物能量来源于各种生化反应。不同的神经细胞、组织以及不同的生理化学反应共同构成了大脑的复杂的神经系统网络。葡萄糖是具有正常功能的大脑中主要的代谢底物，它经毛细血管输送透过血脑屏障，在线粒体中氧化生成H2O和CO2和/或在细胞质中经非氧化生成乳酸。与非氧化途径相比，氧化途径可提供至少15倍以上的三磷酸腺苷(ATP)，而ATP由二磷酸腺苷(ADP)和无机磷(Pi)通过线粒体呼吸链合成。大部分ATP合成依赖于线粒体对氧气的大量利用。这一过程的重要底物—氧气和葡萄糖通过血管床的血液循环不断供给大脑。静息状态下，脑葡萄糖代谢率(CMRglc)、脑氧利用率(CMRO2)与脑血流(CBF)间关系密切。这些生理参数在脑活动中不断变化，成为各种神经影像学检测手段的信号来源。
目前已有多种神经影像学技术可无创测量脑功能。最常用的方法是: 脑电图(EEG)、诱发电位(ERP)(以EEG为基础，反映任务执行时的状态)、脑磁图、单光子发射断层扫描(SPECT)、脑光学成像、正电子发射断层扫描(PET)和包括磁共振成像(MRI)与磁共振波谱(MRS)的磁共振(MR)方法。在以上这些方法中，只有PET和MRS/MRI能检测全脑的代谢和神经细胞活动状况。但是，PET需要使用放射性示踪物并且程序复杂。而磁共振方法却能提供多种技术手段来测量脑功能和生物能量，大多数这种技术以活体的内源性信号为检测对象。功能性磁共振成像(fMRI)可测量大脑活动中脑血流增加导致的局灶性过氧化作用，因此，它是监测脑功能的最有效的神经影像学方法。
磁共振方法的另外一个优点是可无创检测脑代谢和脑生物能量。磁共振方法中最常用的方法是活体1H、31P、17C MRS和新近研制的17O MRS。所以说，磁共振为脑功能监测和评价脑生物能量和生化等重要信息提供了独特和重要的手段。虽然如此，在磁共振技术中还有一些问题有待解决。首先，磁共振波谱的固有灵敏度较低，尤其对低γ核原子，如31P、13C和17O。其次，多核原子示踪物MRS检测的代谢物浓度在几个毫摩尔之内，大大低于水浓度。第三，波谱的分辨率在低场时常较低，不同代谢物的共振波峰发生重叠覆盖，不易分离和量化。第四，为检测不同脑结构中代谢物的非均匀分布和化学反应速率，需要MRS有较高的空间分辨率(或小体素尺寸)。第五，在许多fMRI应用中，高空间和时间分辨率非常关键。因此，MR技术的实际应用和可靠性依赖于获得高时空分辨率的较高灵敏度。高场MRI/MRS扫描仪是一种高效的方法，其主要优点为: (1)高灵敏度; (2)对MRS应用有较高的波谱分辨率; (3)较好的MRI对比度。这些优点对MRI和MRS都很有帮助。
美国明尼苏达州大学的磁共振研究中心(CMRR)一直致力于高场MRI/MRS的研究、开发和临床应用。该中心专为高场磁共振研究配备了先进的磁共振设施。现有两个动物实验和四个人用MRI/MRS扫描仪(4.7T、9.4T、3T、4T、7T和9.4T)用于基础科研和临床研究。目前已经取得大量的研究进展，表明高场MRI/MRS在动物和人类的研究中有着广阔的前景。 |
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发表于 2015-12-5 21:48:26