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摘要： 大脑是人体最复杂的器官，担负着对所有高级认知活动的管理。而脑连接技术则是一种研究人脑结构和功能的最常用的、非常有效的手段。基于核磁共振成像技术获得的数据，介绍脑连接的研究进展。
关键词： 脑连接；核磁共振成像；多模态融合
中图分类号：R310 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1020027－01
0 引言
经过漫长历史岁月的进化，人类的大脑已非常的发达和复杂，其担负着个体运动、感觉、语言、思维、记忆等行为[1]。因此，研究人脑结构和功能便成为了人类探索世界的重要课题之一。
由于人脑中约有一千多个神经元，而这些神经元又通过大量神经突触相互连接，因此可以说人类大脑是宇宙间最复杂的系统之一。但是，要掌握大脑的工作规律可以采用两种基本原则，即：功能分离（functional segregation）和功能整合（functional integration）。功能分离是指构成大脑的每个脑区分别负责一个具体行为的管理功能；尽管特定的脑区负责某项独立的功能，但这些区域组成的网络以及它们相互之间的作用才是产生人类行为的原因[1]，这种大脑工作方式称为功能整合，在功能整合中每个具体的行为是由多个脑区共同协调完成[2]。相异于功能分离，功能整合强调不同脑部位之间的相互作用和信息交换[3]；在人脑完成某一行为或任务时，有多个并不相邻的脑区共同参与，促成此活动的完成，并且这些脑区之间的功能行为具有网络特征[3]。
1 脑连接技术简介
脑连接技术是用于研究大脑功能整合的最主要的手段，具体可分为两大类：脑功能连接与脑结构连接。功能连接指空间上远距离的神经元的时间相关性，基于实现的数学统计算法的不同，又可以分为无向的功能连接及有向的效应连接；结构连接则通过连接脑区的白质纤维束重建来实现，也可依靠人脑数据的统计计算得到[2]。
2 核磁共振成像技术
但是不管哪种脑连接技术都必须依存于某一种具体的脑成像方式。人脑成像按原理可分三类：一是测量神经活动的电或磁信号，如事件相关电位（event-related potential，ERP）、脑电图（electroencephalogram，EEG）以及脑磁图成像（magnetoen
cephalography，MEG）等。二是通过放射性核素衰变信号测量神经代谢水平从而反映脑的活动，如单光子发射型计算机断层显像技术（single-photon emission computed tomography，SPECT）、正电子发射型断层显像技术（positron emission tomography，PET）等[3]。除了上述两种方式之外，还有利用氢原子核磁共振信号强弱反映大脑结构或功能信息的核磁共振成像，包括结构核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、基于血氧依赖水平的功能核磁共振成像（blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI）以及弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）等。而其中的核磁共振成像由于具有：1）无创，对人体无害；2）多次，重复测量；3）小于毫米级的空间分辨率；4）时间分辨率约在1秒等特点，近十年内被作为主要的研究手段广泛应用于人脑领域的研究，特别是脑连接方面的研究。
3 基于核磁共振成像的脑连接研究进展
接下来，介绍三种不同的核磁共振成像技术在脑连接领域的研究进展：
3.1 结构核磁共振成像
把人体放于磁场中，构成人体的氢原子核在一定条件下会吸收电磁波的能量，从而产生核磁共振现象：氢质子获得能量后从低能级跃迁到高能级，而处于高能级的质子由于状态的不稳定又会自发的向低能级跃迁，损伤的能量以电磁波的形式释放出来，此电磁波被称为MR信号，并被体外的线圈接收，获得人体图像。
基于上述成像原理，由于可以得到大脑内的氢质子的分布情况，从而结构核磁共振成像能够获取大脑的结构图像。基于大脑结构图像，采用形态学分析方法进一步可以得到一系列包括灰质密度、体积和厚度的形态学数据[3]。然后，将各脑区之间的形态学数据进行相关性或协调性分析，其结果便可作为脑区之间结构连接强弱的度量。
利用此类思想，Mechelli等通过测量人脑灰质密度首次发现人脑特定区域之间具有高度协调性差异；He等利用获得的人脑灰质皮层厚度首次构建出各脑区之间的形态学结构网络模式，并发现该网络具有“小世界”特性，从而为研究脑连接提供了一种新的途径。这些研究成果，如今已广泛用于老年痴呆病、癫痫及精神分裂症等疾病的研究，其研究成果可用于分析病患和正常人在大脑结构网络方面的差异，并且采用基于结构核磁共振成像的脑连接技术还可研究正常人大脑随着年龄的发育情况等等领域。
3.2 基于血氧依赖水平的功能性磁共振成像
BOLD-fMRI技术是传统MRI成像的延续，可以对人脑的功能活动进行无创、高空间和时间分辨率的检测。
对于物质而言，当其具有顺磁性时，会引起物质所在局部环境磁场强度分布不均匀。而早在19世纪四十年代研究者便发现：脱氧血红蛋白为顺磁性，氧合血红蛋白具有抗磁性。因此血红蛋白处于脱氧状态时，其核磁共振信号中的T2*值会降低；此外，研究者还发现：处于工作状态的脑区，氧的需求量超过了葡萄糖，动脉血液快速流入这些脑区，带来大量的氧合血红蛋白，氧合血红蛋白浓度升高，但由于氧的消耗量并未太多增加（说明工作脑区内脑组织的氧利用率降低），脱氧血红蛋白浓度不高，又由于血液的流动，最终促使脱氧血红蛋白在人脑血液中的浓度下降。基于上述两个发现，可获得如下结论：即某脑区活动时，血液中的脱氧血红蛋白浓度会下降，其核磁共振信号T2*值的大小增高，这就是BOLD-fMRI的生理和物理基础。
综上所述，BOLD-fMRI可实现由于人脑神经活动所引起的周围血液血红蛋白浓度改变情况的成像，间接反映了人脑脑区的功能活动情况。
在BOLD-fMRI技术诞生的十几年时间里，主要采用两类方法：基于数据的驱动方法（Data-driven）和基于模型的驱动方法（Model-driven）[3]，实现更多大脑功能信息的提取，从而便于脑连接的分析。
3.3 弥散张量成像
DTI技术同样是在传统MRI成像的基础上发展起来，通过测量神经轴突中的水分子密度，以及水分子的活动信息，实现人脑白质纤维束的无创显示。
DTI技术的主要原理为：水分子在自然状态下沿各个方向运动的概率是相等的，即各向同性；而人脑白质纤维束中的水分子只能沿着纤维束走形的方向进行扩散，其运动具有各向异性。基于此情况，利用水分子在纤维束中运动的各向异性分数（fractional anisotropy FA）等参数可以测量某些大脑病变组织的细微结构变化；更重要的，通过水分子在纤维束中流动的方向，能够追踪出纤维束的空间分布情况。从而连接人脑内任意两个脑区的纤维束便可以获得，并被用于结构连接的分析研究。
按照这种思想，研究者建立了人脑中上千个灰质节点之间的白质纤维束结构连接网络。通过大脑结构连接网络，可继续细致、深入的探索其与人类的性别、智力水平及认知能力等的内在联系。
4 总结
上述三种核磁共振成像技术由于研究对象的不同，从而可沿不同的角度对脑连接进行分析，并且每种方式具有各自的优势和缺点。但正如功能整合中所述，人脑中多个脑区会相互协作，共同完成一个特定的任务。三种核磁共振脑成像手段也可以相互配合、互为补充，实现多模态的融合。并且其作为一种发展趋势，势必带动脑连接研究的进一步发展。
参考文献：
[1]K.J.Friston.Functional and effective connectivity：A review[J].Brain Connectivity，2011，1（1）：13-36.
关键词： 脑连接；核磁共振成像；多模态融合
中图分类号：R310 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1020027－01
0 引言
经过漫长历史岁月的进化，人类的大脑已非常的发达和复杂，其担负着个体运动、感觉、语言、思维、记忆等行为[1]。因此，研究人脑结构和功能便成为了人类探索世界的重要课题之一。
由于人脑中约有一千多个神经元，而这些神经元又通过大量神经突触相互连接，因此可以说人类大脑是宇宙间最复杂的系统之一。但是，要掌握大脑的工作规律可以采用两种基本原则，即：功能分离（functional segregation）和功能整合（functional integration）。功能分离是指构成大脑的每个脑区分别负责一个具体行为的管理功能；尽管特定的脑区负责某项独立的功能，但这些区域组成的网络以及它们相互之间的作用才是产生人类行为的原因[1]，这种大脑工作方式称为功能整合，在功能整合中每个具体的行为是由多个脑区共同协调完成[2]。相异于功能分离，功能整合强调不同脑部位之间的相互作用和信息交换[3]；在人脑完成某一行为或任务时，有多个并不相邻的脑区共同参与，促成此活动的完成，并且这些脑区之间的功能行为具有网络特征[3]。
1 脑连接技术简介
脑连接技术是用于研究大脑功能整合的最主要的手段，具体可分为两大类：脑功能连接与脑结构连接。功能连接指空间上远距离的神经元的时间相关性，基于实现的数学统计算法的不同，又可以分为无向的功能连接及有向的效应连接；结构连接则通过连接脑区的白质纤维束重建来实现，也可依靠人脑数据的统计计算得到[2]。
2 核磁共振成像技术
但是不管哪种脑连接技术都必须依存于某一种具体的脑成像方式。人脑成像按原理可分三类：一是测量神经活动的电或磁信号，如事件相关电位（event-related potential，ERP）、脑电图（electroencephalogram，EEG）以及脑磁图成像（magnetoen
cephalography，MEG）等。二是通过放射性核素衰变信号测量神经代谢水平从而反映脑的活动，如单光子发射型计算机断层显像技术（single-photon emission computed tomography，SPECT）、正电子发射型断层显像技术（positron emission tomography，PET）等[3]。除了上述两种方式之外，还有利用氢原子核磁共振信号强弱反映大脑结构或功能信息的核磁共振成像，包括结构核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、基于血氧依赖水平的功能核磁共振成像（blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI）以及弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）等。而其中的核磁共振成像由于具有：1）无创，对人体无害；2）多次，重复测量；3）小于毫米级的空间分辨率；4）时间分辨率约在1秒等特点，近十年内被作为主要的研究手段广泛应用于人脑领域的研究，特别是脑连接方面的研究。
3 基于核磁共振成像的脑连接研究进展
接下来，介绍三种不同的核磁共振成像技术在脑连接领域的研究进展：
3.1 结构核磁共振成像
把人体放于磁场中，构成人体的氢原子核在一定条件下会吸收电磁波的能量，从而产生核磁共振现象：氢质子获得能量后从低能级跃迁到高能级，而处于高能级的质子由于状态的不稳定又会自发的向低能级跃迁，损伤的能量以电磁波的形式释放出来，此电磁波被称为MR信号，并被体外的线圈接收，获得人体图像。
基于上述成像原理，由于可以得到大脑内的氢质子的分布情况，从而结构核磁共振成像能够获取大脑的结构图像。基于大脑结构图像，采用形态学分析方法进一步可以得到一系列包括灰质密度、体积和厚度的形态学数据[3]。然后，将各脑区之间的形态学数据进行相关性或协调性分析，其结果便可作为脑区之间结构连接强弱的度量。
利用此类思想，Mechelli等通过测量人脑灰质密度首次发现人脑特定区域之间具有高度协调性差异；He等利用获得的人脑灰质皮层厚度首次构建出各脑区之间的形态学结构网络模式，并发现该网络具有“小世界”特性，从而为研究脑连接提供了一种新的途径。这些研究成果，如今已广泛用于老年痴呆病、癫痫及精神分裂症等疾病的研究，其研究成果可用于分析病患和正常人在大脑结构网络方面的差异，并且采用基于结构核磁共振成像的脑连接技术还可研究正常人大脑随着年龄的发育情况等等领域。
3.2 基于血氧依赖水平的功能性磁共振成像
BOLD-fMRI技术是传统MRI成像的延续，可以对人脑的功能活动进行无创、高空间和时间分辨率的检测。
对于物质而言，当其具有顺磁性时，会引起物质所在局部环境磁场强度分布不均匀。而早在19世纪四十年代研究者便发现：脱氧血红蛋白为顺磁性，氧合血红蛋白具有抗磁性。因此血红蛋白处于脱氧状态时，其核磁共振信号中的T2*值会降低；此外，研究者还发现：处于工作状态的脑区，氧的需求量超过了葡萄糖，动脉血液快速流入这些脑区，带来大量的氧合血红蛋白，氧合血红蛋白浓度升高，但由于氧的消耗量并未太多增加（说明工作脑区内脑组织的氧利用率降低），脱氧血红蛋白浓度不高，又由于血液的流动，最终促使脱氧血红蛋白在人脑血液中的浓度下降。基于上述两个发现，可获得如下结论：即某脑区活动时，血液中的脱氧血红蛋白浓度会下降，其核磁共振信号T2*值的大小增高，这就是BOLD-fMRI的生理和物理基础。
综上所述，BOLD-fMRI可实现由于人脑神经活动所引起的周围血液血红蛋白浓度改变情况的成像，间接反映了人脑脑区的功能活动情况。
在BOLD-fMRI技术诞生的十几年时间里，主要采用两类方法：基于数据的驱动方法（Data-driven）和基于模型的驱动方法（Model-driven）[3]，实现更多大脑功能信息的提取，从而便于脑连接的分析。
3.3 弥散张量成像
DTI技术同样是在传统MRI成像的基础上发展起来，通过测量神经轴突中的水分子密度，以及水分子的活动信息，实现人脑白质纤维束的无创显示。
DTI技术的主要原理为：水分子在自然状态下沿各个方向运动的概率是相等的，即各向同性；而人脑白质纤维束中的水分子只能沿着纤维束走形的方向进行扩散，其运动具有各向异性。基于此情况，利用水分子在纤维束中运动的各向异性分数（fractional anisotropy FA）等参数可以测量某些大脑病变组织的细微结构变化；更重要的，通过水分子在纤维束中流动的方向，能够追踪出纤维束的空间分布情况。从而连接人脑内任意两个脑区的纤维束便可以获得，并被用于结构连接的分析研究。
按照这种思想，研究者建立了人脑中上千个灰质节点之间的白质纤维束结构连接网络。通过大脑结构连接网络，可继续细致、深入的探索其与人类的性别、智力水平及认知能力等的内在联系。
4 总结
上述三种核磁共振成像技术由于研究对象的不同，从而可沿不同的角度对脑连接进行分析，并且每种方式具有各自的优势和缺点。但正如功能整合中所述，人脑中多个脑区会相互协作，共同完成一个特定的任务。三种核磁共振脑成像手段也可以相互配合、互为补充，实现多模态的融合。并且其作为一种发展趋势，势必带动脑连接研究的进一步发展。
参考文献：
[1]K.J.Friston.Functional and effective connectivity：A review[J].Brain Connectivity，2011，1（1）：13-36.