我们可以信任磁共振（MRI）研究吗？

神经科学 NEUROSCIENCE

Alessandro Gottardo

自MRI发明至今，我们已经在脑科学研究领域取得了巨大进展。然而最近有科研人员发表了一篇综述，质疑MRI在精神病研究中的有效性。

第一台用于人类的磁共振（magnetic resonance imaging,以下简称MRI）扫描仪发明于将近40年前，由雷蒙德·达马迪安医生（Dr. Raymond Damadian）在他的两位博士后同伴的协助下手工打造而成。第一张人类磁共振胸片花了大概5个小时才完成扫描。这项发明也为达马迪安医生赢得了美国国家技术奖章。

自MRI发明至今，我们已经取得了巨大进展，现在的MRI可以提供高分辨率的图像，精度可以达到0.1毫米。这类影像技术的卓越成就使我们现在能够研究大脑特定部位的大小、形状以及活动情况。

为什么说MRI脑成像很重要呢？这么说吧，很多科学家认为大脑结构的不同可以给我们提供某些类型精神病起源的线索。举例来说，目前已经发现精神分裂症和大脑结构异常有明确的相关性，这一发现已经由大量的实验重复验证。尽管MRI早已被证明功能强大，然而最近有一批来自约翰霍普金斯大学利伯大脑发育研究中心（Lieber Institute for Brain Development）的科研人员发表了一篇综述，质疑MRI在精神病研究中的有效性。

首先，我们先做两个名词解释。神经科学中使用的MRI分两种，一种是结构磁共振成像（Structural MRI，sMRI），大概机制就是扫描仪会量取大脑不同区域的磁共振数值，再将这些数据合成输出，得到一张大脑的高分辨率图像。科学家可以根据需要分别查看脑灰质（主要包含神经细胞体）和脑白质（主要包含负责连接大脑不同部位的神经突触）。除此之外，他们还可以观察大脑不同功能区域的形态，大小。（比如查看主要负责记忆功能的海马的大小，一般情况下阿兹海默症患者的海马会相对小一些）

另外一种是功能磁共振成像（Functional MRI ，fMRI），即通过量取大脑不同区域的血氧水平，以此来判断大脑的活动情况。当大脑中的神经元活跃起来时，相应的氧需求量也会增加，这就可以通过fMRI来扫描记录。通过这种方式就可以得知在某一特定时间点，大脑的某个区域正在被使用，例如杏仁核一般会在经历恐惧时处于激活状态。科研人员可以给被试者安排一项任务（例如记忆测试，观察存储新的记忆时，大脑的哪部分会被激活），或者他们可以进行一项静息状态扫描，即被试者接受扫描时保持平静状态，以此观察他们自然状态下，或者说“默认状态”下大脑的活动情况。

为什么说这些有用呢？有一项比较常见的实验就是将患有某种精神病的被试者与正常人的大脑结构或者功能进行对比。通过MRI分辨出的不同点可以帮助我们深入了解它们的发病机制（结构上的差异可能和相应症状相关），或者辨认出可以引导后续治疗以及提供预后信息的生物标记物。

现在你对MRI的研究方式有了初步了解，接下来我们探讨一下那篇综述对MRI的评论。

第一个顾虑是我们查看的MRI图像实际上是大脑真实结构的巨型放大版。一个立体像素可以包含一百万个神经元。用一个立体像素得出的结论来代表其中的一百万个神经元实在太过简化了，我们有理由假设那小小一个立体像素内也存在着无数种变量。因此当这些实验通过MRI得出某项结论时，我们还需要三思那些结果具体代表什么含义。不过值得指出的是，MRI工程师们正在竭尽全力开发超高分辨率的扫描仪来解决这类问题。

第二点，综述作者认为精神病患者与正常人脑结构的不同可能是由于其他混杂因素影响造成的。比如说，高焦虑水平的人群可能同时患有高血压，而这也会影响大脑的代谢水平。因此我们不能肯定的说两组被试大脑的不同之处就是由精神病本身造成的，也许是其他潜在的问题，甚至完全不相关的因素引起。日后的研究需要将这些混杂因素考虑进去，尽管不可否认精神疾病一般都伴随其他状况导致这一点很难实现。重点是，对于精神疾病存在混杂因素的这一条评论不仅适用于MRI研究，也值得应用到生物医学研究的其他领域中去。

另外一个使用MRI进行精神病研究需要考虑的问题就是被试的头部活动情况。若干个实验都对检查过程中被试头部活动对结果的影响进行了深入研究。将扫描仪想象成一台相机。如果你用相机给行进中的汽车拍照，那照片里的车应该会是模糊一片。考虑一下一个人在MRI扫描过程中不停乱动，最后出来的图像肯定是扭曲模糊的。实际上，因为扫描仪每秒钟才拍一副图像，因此即便非常轻微的活动都会影响成像。所以现在你可以想象一位躁动，亢奋的精神病患者（比如患有多动症的小孩）可能在扫描仪里会更倾向于不停活动。假设某一类型的精神病患者群都有这个头部活动的问题存在，那么在尝试对比患者与对照组扫描结果时就会造成很多麻烦。很多研究小组都在积极尝试各种方法来减少活动对MRI结果的影响，但目前，这依旧是MRI研究中需要面对的一道坎。

不仅如此，精神病患者在MRI扫描仪内的个人体验可能和正常对照组完全不同。举个例子，在静息状态fMRI实验中，被试者被要求平躺，放松，没有给他们提供任何视觉或语音提示。一个健康人在那种情况下可以做到身体放松，脑袋放空，但是一个精神病患者就会感觉到恐慌，孤独，或者说你也肯定猜到了——他们会躁动不安，将脑袋晃来晃去。除此之外，MRI机器发出的声音非常大，跟电锯类似，哪怕一个再健康的被试者，也很难忍受这种干扰。这种噪音不仅会影响头部活动，同时也会影响认知表现。当患者组和对照组在扫描仪内的体验如此截然不同的时候，不难想象对比不同组之间的大脑活动情况将会变得非常棘手。

最后，因为一次扫描得出的立体像素的数目太多，造成MRI数据分析工作异常困难。实际上，最近有一项研究显示用来统计fMRI数据的软件经常会误报，或者得出错误结论，这种现象的存在将引发对数千个已经发表的fMRI论文的质疑。

这些仅仅是MRI大脑研究中可能存在的一些问题，并不会因此否定过去做过的所有研究，不过这些问题会对后续研究产生一些重要影响。MRI科研及实验方法设计领域的专家在设计相关实验及分析数据的时候应该将这些问题一并考虑进去。

最后，我想展望一下MRI研究的未来：目前最令人激动的研究方向之一就是磁共振在精神疾病领域的预估能力。比如，可以在发病前就探测到大脑中疾病相关生物标记物的研究，必将在世界精神病领域带来巨大改变。例如在阿兹海默症发病前即探测到大脑结构的改变。即便我们无法通过这些磁共振相关生物标记物得知大脑的微观状态，它们的存在也许还是会有意义的。如果这些生物标记物能够准确预估某种精神疾病的高风险人群，我们就可以采取预防措施并通过实施早期干预来减少这些疾病造成的部分影响。

参考文献

1. Weinberger, D. R., & Radulescu, E. (2015). Finding the elusive psychiatric “lesion” with 21st-century neuroanatomy: a note of caution. American Journal of Psychiatry, 173(1), 27-33.

2. Shin, Lisa M., and Israel Liberzon. “The neurocircuitry of fear, stress, and anxiety disorders.” Neuropsychopharmacology 35.1 (2010): 169-191.

3. Schuff, N., Woerner, N., Boreta, L., Kornfield, T., Shaw, L. M., Trojanowski, J. Q., … & Disease Neuroimaging Initiative. (2009). MRI of hippocampal volume loss in early Alzheimer’s disease in relation to ApoE genotype and biomarkers. Brain, 132(4), 1067-1077.

4. Buckley, P. F. (2005). Neuroimaging of schizophrenia: structural abnormalities and pathophysiological implications. Neuropsychiatr Dis Treat, 1(3), 193-204

5. DeLisi, L. E., Szulc, K. U., Bertisch, H. C., Majcher, M., & Brown, K. (2006). Understanding structural brain changes in schizophrenia. Dialogues in clinical neuroscience, 8(1), 71.

6. Haijma, S. V., Van Haren, N., Cahn, W., Koolschijn, P. C. M., Pol, H. E. H., & Kahn, R. S. (2013). Brain volumes in schizophrenia: a meta-analysis in over 18 000 subjects. Schizophrenia bulletin, 39(5), 1129-1138.

7. Glahn, D. C., Laird, A. R., Ellison-Wright, I., Thelen, S. M., Robinson, J. L., Lancaster, J. L., … & Fox, P. T. (2008). Meta-analysis of gray matter anomalies in schizophrenia: application of anatomic likelihood estimation and network analysis. Biological psychiatry, 64(9), 774-781.

8. Wachinger, C., Salat, D. H., Weiner, M., Reuter, M., & Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative. (2016). Whole-brain analysis reveals increased neuroanatomical asymmetries in dementia for hippocampus and amygdala. Brain, 139(12), 3253-3266.

9. Eklund, A., Nichols, T. E., & Knutsson, H. (2016). Cluster failure: why fMRI inferences for spatial extent have inflated false-positive rates. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201602413.

Rachel Jonas

目前正在UCLA攻读神经科学的博士学位，她的研究方向是精神病超高风险个体的行为与大脑结构之间的联系。她使用行为学、神经影像以及基因研究技术来探究潜在的基因内表型如何影响精神疾病的出现。

来源：Knowing Neurons

翻译：Kiddo_O

编辑：EON

往期

你理性吗？不，其实你只是迷之自信

新研究揭示了人类理性思维的局限。

█ 阅读本期特刊

神经现实

大脑 心智 认知

未经授权禁止转载

欢迎转发喜爱的文章至朋友圈