如何观察我们的大脑？脑成像技术简介
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撰文丨zhixin li
编辑丨夏獭
要想研究大脑，就不得不提到用于观察它的仪器，现在成熟的脑成像技术主要有：CT、PET、MRI和fMRI。FHIRM-TPM是我国自主研发的一种微型双光子显微成像系统，由北京大学程和平院士及相关团队联合研制而成，该技术入选了2017年中国科学十大进展，一时间引爆了朋友圈。本文会简单介绍以上每种成像技术的原理、特点以及其具体的应用场景。
CT/电脑断层扫描
在单一的平面，利用X射线旋转照射大脑（断层扫描），由于不同的大脑组织对X射线的吸收能力不同，因而可以构建出大脑断层面的影像；堆叠每一层的大脑扫描图像，我们就可以构建大脑的立体影像。
CT技术属于结构成像技术，它只能用于观察大脑的静态结构，而不能用于观察大脑的动态功能。虽然CT图像的分辨率不高，但足够将大脑的主要结构进行可视化，因此可以用于观察大脑肿瘤。
图片来源：Efficacy assessment of pemetrexed treatment of an NSCLC case with brain metastasis
MRI/磁共振成像
MRI和CT一样，属于结构成像技术，但MRI使用的不再是X射线，而是电磁波。MRI也被认为是一种对人体没有任何伤害的安全、快速、高空间分辨率的临床诊断方法。
MRI的大致原理：当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，就可以改变氢原子（也可以选择其他原子，比如氧原子）的旋转排列方向，使之共振，然后我们就可以分析该过程中释放的电磁波。由于大脑中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，因此不同组织间核磁共振信号强度之间存在差异，利用这种差异作为特征量，就可以把各种组织分开。与CT类似，MRI也可以用于检测大脑结构以及观察组织中的肿瘤。
CT和MRI之间没有绝对的优劣之分，在某些场合它们可以互补使用从而弥补各自的不足。
图片来源：Segmentation of Brain Tumors in MRI Images Using Three-Dimensional Active Contour without Edge
PET/正电子发射计算机断层扫描
PET技术最为人所知的特点就是需要检测对象服用被放射性示踪剂同位素（半衰期较短，基本无毒害作用）标记过的显影剂（通常为氟化脱氧葡萄糖，氟-18），经过一段时间显影剂就会进入全身的代谢循环。
放射性同位素的特性就是会发生正电子放射衰变，释放出一个正电子（即一个电子相对应的反粒子），正电子会与生物体中的一个电子遭遇并产生电子对湮灭，这一信号可以被PET扫描器捕获。由于显影剂可以持续的存在于整个大脑中，因而我们可以获取整个大脑的三维和功能运作的图像。
不像CT和MRI可以直接观测大脑的结构，PET是通过观察血流、氧消耗和追踪神经递质来间接观测大脑的功能。当大脑某个区域活跃时，该区域的血液流动和氧消耗会加速，局部区域显影剂的分布也会发生动态变化，PET技术就是通过观测这种动态变化来观察大脑的功能动态。
此外，由于恶性肿瘤代谢葡萄糖的速度比良性肿瘤快得多，因此在临床上PET可以用来区分良性肿瘤和恶性肿瘤。
图片来源：Positron emission tomography - NCBI
fMRI/功能性磁共振成像
fMRI吸收了MRI和PET的技术优势，通过检测血流进入脑细胞的磁场变化，从而将原本的结构成像技术MRI拓展到了功能成像。
神经元在活动时，其附近的血流会加速来补充消耗掉的氧气，因而神经活化会引发血液动力学的改变。BOLD（Blood oxygen-level dependent）是目前fMRI常用的一个测量指标，它描述了血液中带氧/缺氧血红素比例，当神经元活化时，带氧血红素比例提高，相对的BOLD信号也会随之加强。血红素氧化状态（带氧血红素）的时候为抗磁性的，相对于缺氧血红素则为顺磁性的，因此神经元的活动变化可以被高空间分辨率的MRI捕获。
由于fMRI可以持续地检测大脑皮层中的活动信号，因而其已被广泛应用于大脑功能定位和认知心理学等研究领域。
图片来源：wiki
FHIRM-TPM/双光子显微成像技术
CT、PET、MRI和fMRI是目前最为成熟的可以用于脑成像的技术，但是它们的分辨率低，只有毫米量级，我们可以用它们来确定脑的粗糙结构和功能改变，但不能用于理解神经环路的结构和功能，此外由于重量体积原因，目前这些仪器都无法应用于自然行为条件下的大脑研究。
双光子显微成像技术是一种超高分辨率的成像技术（双光子显微技术最早于1990年提出），它可以在活体状态下对大脑中的单个神经元和树突棘进行成像，由于仪器的微型化，该技术有可能实现自然行为条件下的大脑成像。
要理解双光子显微成像技术必须要先科普几个概念，对原理不感兴趣的读者可以直接跳过。
单光子激发
在激光照射下，基态荧光分子或原子吸收一个光子后成为激发态，随后又弛豫到某一基态，同时以光子形式释放能量而发出荧光，这一过程就是通常的单光子激发情况。
双光子激发
一个分子或原子可以在同一个量子过程中同时吸收两个光子而成激发态，这种情况就是双光子激发过程。由于双光子激发所产生的荧光强度与激发光的光强平方成正比，因而与单光子激发的线性过程相比，双光子激发就需要很强的激发光强，这就使双光子激发具有很高的空间局域特点。对于双光子激发而言，只有在焦点处的微小区域内样品才能吸收足够的双光子而发出荧光，因而双光子显微技术具有更高的空间分辨率。此外双光子显微镜的工作波长处在红外区域，使得其在生物体组织内的穿透深度大大提高。
钙离子浓度指示剂
神经动作电位本身很难被光学信号捕获，但是动作电位产生的去极化会引起神经元钙离子浓度的变化。目前已经开发出多种钙离子浓度的荧光探针，因而可以通过观测钙离子浓度变化所产生的荧光信号来观察神经元的活动。有些钙指示剂具有神经元特异性，可以用于区分不同的神经元类型。
所以，双光子显微成像技术的大致原理就是：首先小鼠大脑内特定的神经元需要被钙指示剂标记，活动神经元/树突棘会出现钙内流现象，在激光脉冲的激发下钙指示剂会发生双光子激发，从而发出特定的荧光，被荧光检测器所捕获，最终实现单神经元/树突棘的快速高分辨率成像
图片来源：A Miniature Head-Mounted Two-Photon Microscope: High-Resolution Brain Imaging in Freely Moving Animals
2017年发表在Nature Methods上的我国自主研发的微型双光子显微成像系统FHIRM-TPM主要实现了以下几个技术突破：
1. 体积小，重仅2.2克，可以佩戴在小型动物头部，因而可用于自然行为条件下动物大脑研究；
2. 可以实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号；
3. 成像质量远优于目前领域内其他双光子荧光显微镜；
4. 改进了激光脉冲，使得Thy1-GFP和GCaMP-6f等常用荧光指示剂的应用成为可能；
5. 解决了微型双光子显微镜容易受到的运动伪影问题，提高了成像质量
目前，双光子显微成像技术主要是用于研究极少量的神经元和神经突触的活动，比如转基因小鼠的神经活动特点。要想将该技术应用于大脑的功能研究，就必须要提高成像的通量。
随着成像技术的飞速发展，可以想象有一天，我们能够实时地捕捉大脑神经网络里每一个神经元和突触的活动信号，如果能通过数学建模或其他方式加以解码，或许我们就可以对人类的智能产生新的认识。
以上简单科普了目前常见的脑成像技术，笔者并非科班出身，如有谬误，还请多多指正。
参考链接
[1]Human Brain Project Home https://www.humanbrainproject.eu/en/
[2]Types of Brain Imaging Techniques https://psychcentral.com/lib/types-of-brain-imaging-techniques/
[3]Brain Imaging - YouTube https://www.youtube.com/watch?v=LI8J9jv-kDI
[4]What Is FMRI? - Center for Functional MRI - UC San Diego http://fmri.ucsd.edu/Research/whatisfmri.html
[5]Difference Between MRI and fMRI http://www.differencebetween.net/technology/difference-between-mri-and-fmri/
[6]Overview of Functional Magnetic Resonance Imaging https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3073717/
[7]How Does It Work?: Positron emission tomography - NCBI - NIH https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1126321/
[8]Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice - Nature Methods https://www.nature.com/articles/nmeth.4305
[9]新一代微型双光子荧光显微镜 http://blog.sciencenet.cn/blog-1243984-1058370.html
[10]双光子激光扫描荧光显微镜及其应用 http://www.wuli.ac.cn/fileup/PDF/20000410.pdf
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