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中医、全息穴成像与诺贝尔生理学或医学奖
热度 9 zlyang 2015-7-28 15:20
中医、全息穴成像与诺贝尔生理学或医学奖 丁肇中说:“为了得诺奖而研究是很危险的,我做物理研究完全靠兴趣,我认为这是一辈子最重要的事情,不是为名为利。” 真傻 下述建议,不是为了诺贝尔奖。 在足部反射区、第二掌骨反射区,对于胃病等疾病,会形成一定的手指可以触摸出的不规则块状淤结,直径可达 0.5 毫米。类似地,经外穴、阿是穴也有类似的现象。 利用高空间分辨率的成像技术(如分辨率小于 0.1 毫米),对这些区域的功能或组织变化,按照疾病的产生、消失等全过程,进行成像。可以用现代科技实证中医的穴位,以及人体存在的自相似性(分形)。这也是数学上“实无穷”存在的直接客观证据。 《科学Science》网站2015年7月23日的《Living in space could thin our skin》报道里, 有: “ They used a high-resolution skin imaging technique known as tomography to study recently returned astronauts. The technology allows them to look into the skin with a resolution a thousand times better than ultrasound. 他们利用被称为断层摄影的高分辨率皮肤成像技术研究了最近返回的宇航员。这项技术使他们以好于超声波上千倍的分辨率观察皮 肤。”的 说法。 不知道是否可以用来观察上面的郁结块? 相关链接: 徐徐 来源:中国科学报, 2015-07-27, 太空生活或让皮肤变薄 http://paper.sciencenet.cn/htmlnews/2015/7/323648.shtm Thursday, July 23, 2015 - 2:15pm, Living in space could thin our skin http://news.sciencemag.org/sifter/2015/07/living-in-space-could-thin-our-skin It is not bizarre to say aging in space is an entirely different experience than aging on Earth. Bones lose density and muscles atrophy. Yet, how does living inside the International Space Station, traveling at speeds more than 32,000 kilometers per hour, actually affect the skin? Researchers in Germany found that spending time in space makes the skin thinner, Reuters reports. They used a high-resolution skin imaging technique known as tomography to study recently returned astronauts. The technology allows them to look into the skin with a resolution a thousand times better than ultrasound. Astronauts also demonstrated strong production of collagen, a protein fiber that provides strength and elasticity to the skin. Although they do not have any explanation yet as to why their skin goes through these changes, ongoing research could be instrumental to preparing astronauts for longer missions. 2015-07-20,科学网博主:怎样才能获得诺贝尔学术奖? http://blog.sciencenet.cn/blog-107667-906718.html 阿是穴、病灶在对应穴位形成的淤结,用超高分辨率的MRI(fMRI)等比较合适的现代检测设备,对整个疾病周期进行成像,配合西医常用的病灶成像与各种检验方法,可以确认人体存在“实无穷 actual infinity”。 科学网,2007-01-07,邹承鲁回应张颖清事件 争论背后的学术鸿沟 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2007118933413431788.html 科学本身很难做一个明确的定义,而且国内自然科学研究者和传统理论研究者之间存在巨大的鸿沟。以中医为例,自然科学研究者对中医嗤之以鼻, 而精通中医的人对利用先进实验手段证明自己的理论又一窍不通。 所以,在面对一项研究成果时才会出现如此巨大的评价差异。双方的争论表面上看来非常热闹,其实由于没有共同遵循的评价标准和必要的沟通而永远没有结果。 张颖清的全息生物学核心思想是,生物体每一个相对独立的部分中包含有整体的全部信息。例如,自然界中存在一片树叶的形状和整棵树的形状一样的情况,中医针灸中在耳朵处扎针却能对身体的其他部分产生作用,张颖清认为都可以用全息生物学来解释。在他后来的一篇论文中,他自称,正是他1985年创立的全息胚学说,明确排除了学术界对动物细胞全能性的争议,从而为12年后克隆羊技术的诞生奠定了理论基础。 真傻 注: 所谓的“生物全息律”,大体上是生命体存在“分形(自相似)”的一种直观说法,同时又是数学基础里的“实无穷”的一种现实形式。所以 感谢您指正以上任何错误!
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给肉身菩萨做X-光断层扫描成像
热度 1 laserdai 2015-2-24 02:56
中国是佛教大国。佛教上有很多匪夷所思的事情,比如双休功,舍利子和肉身菩萨。 肉身菩萨 ,在中国并不罕见,就是一些所谓得道德高僧死后的躯体自然干化,被后人加以保护措施,受人膜拜。 西方具有强大的科技手段和创新精神,因此每隔一段时间就有类似应用的报道,很有兴趣。比如使用X-光或者太赫兹手段分析古代名画,比附找出《蒙娜丽萨》画布上以前画过的作品,分析《最后的晚餐》的各种颜料;也见到多次使用X-光等手段研究埃及的木乃伊,前段时间看到某个著名法老的木乃伊Tutankhamun被发现是的了一种传染病死掉的。 前不久注意到一则报道, 一座18世纪的墨西哥耶稣雕像拍X光,震惊的发现它竟然有人类真正的牙齿 ,怀疑有人为此贡献了真身。 对这些肉身菩萨进行X-光研究,注意到了第一个报道。 最近荷兰人给一座千年佛像做了个X-光全身断层扫描(CT),扫描结果显示佛像内部居然藏了一个木乃伊 (肉身菩萨),这位菩萨保持着一个冥想打坐的姿势,如下图。 该佛像估计年代是11世纪-12世纪,是鹿特丹世界博物馆中所成列的许多木乃伊之一。 据报道,这尊佛像是中国冥想协会(Chinese Meditation School)的佛学大师柳泉(liuquan),没有搜索到这个名字的任何信息。该尊佛像是现今仅存的唯一一尊来自十一世纪的佛像,也是唯一一尊中国佛教协会提供个西方研究佛像。 最近该佛像在Meander医学中心接受了CT扫描。 该研究的领导人之一是阿默斯福特人Erik Bruijn,是佛教艺术和文化研究专家,在鹿特丹的博物馆做客教授。 根据内窥镜的检查,科学家还有一些新发现。Vermeijden还通过内窥镜技术对佛像“真身”的胸腔和腹腔进行了检测,并在某个器官中找到了一些腐烂物质中找到了一些印有中国古代文字的纸片。   Heggelman拍了CT扫描,完美展示了木乃伊内部的全部样子,他们还将把骨材料的样本进行DNA检测。相关的研究将以专题论文的形式发布。 资料来源: Scientists shocked after CT scan of 1,000-year-old Buddha statue reveal mummified remains of meditating monk Read more: http://www.dailymail.co.uk/news/article-2964089/Mummified-monk-inside-1-000-year-old-Buddha-statue-CT-scan.html#ixzz3Sb0jmNXk
个人分类: 社会文化历史|8881 次阅读|2 个评论
[转载]超高分辨率生物成像,美丽到爆
heyongzju 2015-1-30 23:50
小鼠眼睛视网膜中新形成的血管网络,结构非常精细。在心血管疾病的研究中,了解血管如何生长是非常重要的一部分。 血栓的细节。图中深灰色的网状物体便是血块,不同的细胞呈现出不同的颜色。20世纪70年代,一位受到英国心脏基金会资助的研究者首先证实,血栓能够导致心脏病。 一根已经出现破裂,不能正常工作的血管。血管呈红色,破裂流出的部分呈灰色。保持血管的健康是预防心血管疾病的关键所在。 血管里血液的流动。这些模型可以用来设计更好的透析技术。 条带状结构便是心肌细胞,正是它们的存在,才使得心脏收缩成为可能,使心脏能不停跳动。科学家现在可以利用干细胞培养出心脏细胞,并研究这些细胞如何引起异常的心脏跳动
个人分类: 科研乱侃|1936 次阅读|0 个评论
神经科学杂谈10:不靠谱的功能磁共振成像
热度 7 jingpeng 2012-11-12 20:27
神经科学杂谈10:不靠谱的功能磁共振成像
功能磁共振成像(fMRI)是上世纪90年代开始发展起来的,广泛地用于认知科学,甚至心理学的研究,发现了很多脑区对应的心理和认知功能,极大地促进了对人脑各部分功能的理解。科学家就像捡到宝一样,基本上凡是个心理学实验,加上个功能磁共振,就可以出一篇文章。可以说是文章出到胃疼,有超过19000篇文章,从2001年开始,平均每天三篇!到了2007年,平均每天8篇 !! fMRI使用率这么高,影响这么大,却是有问题的!它并不是直接对神经活动成像,而是检测血液的信号,来间接推测的!这种推测建立在神经血管偶联(Neuro-vascular coupling)机制 上,脑里面是缺乏储能单元的,所以能量供给需要及时调整。神经元如果几秒钟没有得到能量供应,就会失去兴奋功能,几分钟之内没有能量供应,就呜呼哀哉了。所以脑里面发展了复杂的血液供给调控机制,哪里需要能量,就立即增加血液供给,也就是神经元活动了,血液供给也会增加,形成神经血管偶联。尽管有神经血管偶联机制,但其中涉及的过程极其复杂,其不靠谱主要表现在: 1. 血液动力学(Hemodynamics)的组成复杂 。fMRI的信号来源主要是血液动力学变化,受血容量和血液流速,以及血液成分,主要是脱氧血红蛋白含量的影响。这个信号的影响因素多,而且成分复杂,造成信号难以解析。 2. 血流调控机制 。神经血管偶联要求血流能够被及时调控,实际上是通过血管的收缩和舒张实现的,主要是在动脉部分,从大动脉到小动脉都有,近几年来,使用电镜甚至发现了毛细血管上都有调控的开关!各个层次的开关调控,造成各个层次的血液成分是不同的。在典型的BOLD fMRI成像中,对脱氧血红蛋白特别敏感,就容易受大静脉的干扰。 3. 神经活动的类型 。神经元内部的电势如果没有达到阈值以上,是不会爆发动作电位的,但这种电势涨落仍然要消耗能量。而有研究表明,大部分能量消耗是在局部电势上,而不是动作电位。而动作电位才被认为和行为直接相关,有直接的效应。 4. 动作电位的类型 。即使爆发了动作电位,也是有不同类型的。神经元分为抑制性和兴奋性两种,只有兴奋性神经元才认为有正面作用,引发行为等活动。而抑制性神经元的动作电位是降低神经回路的兴奋性的,对行为有抑制作用。已经有研究表明,某些刺激会引起很多抑制性神经元活动,能量消耗增加,血流量也增加 。 所以说,功能磁共振成像的信号受这么多因素干扰,是非常“间接”的一种测量方法。而实际上的情况有比上面描述的更为复杂,确实有发现在神经元兴奋的时候,血流反而减少了 !所以说,fMRI不靠谱是有道理的! 说了这么多,是在砸很多人的饭碗了!还是要说点好话,功能磁共振成像具有无损的优点,可以用到人身上,而且相对于传统的EEG等,具有高分辨率和三维成像的优点,是目前研究脑功能最合适的方法了。用更准确的话说,是最不坏的方法了。 未来将要发展的所谓的fMRI2.0,将直接测量神经元的活动 ,不用从血液动力学信号里推测了,这样的话,就能直接提高信号的可靠性了,期待fMRI变得越来越靠谱! 下面是我自己画的图,解释成像原理。 参考资料: 【1】 Logothetis, Nikos K. “What We Can Do and What We Cannot Do with fMRI.” Nature 453, no. 7197 (June 12, 2008): 869–878. 【2】 Attwell, D., A.M. Buchan, S. Charpak, M. Lauritzen, B.A. MacVicar, and E.A. Newman. “Glial and Neuronal Control of Brain Blood Flow.” Nature 468, no. 7321 (2010): 232–243. 【3】 Iadecola, Costantino, and Maiken Nedergaard. “Glial Regulation of the Cerebral Microvasculature.” Nature Neuroscience 10, no. 11 (2007): 1369–1376. 【4】 Kleinfeld, D., P. Blinder, P.J. Drew, J.D. Driscoll, A. Muller, P.S. Tsai, and A.Y. Shih. “A Guide to Delineate the Logic of Neurovascular Signaling in the Brain.” Frontiers in Neuroenergetics 3 (2011). 【5】 “fMRI: a Tree with Fuzzy Roots.” Nature Methods 9, no. 6 (2012): 517–517. 【6】 Heeger, David J., and David Ress. “What Does fMRI Tell Us About Neuronal Activity?” Nature Reviews Neuroscience 3, no. 2 (February 1, 2002): 142–151. 【7】 Smith, Kerri. “Brain Imaging: fMRI 2.0.” Nature 484, no. 7392 (April 4, 2012): 24–26.
个人分类: 科学-脑|7369 次阅读|11 个评论
太空中形成的双界面成像
liyadong 2012-7-8 22:04
太空中形成的双界面成像
水滴中的气泡-太空中形成的双界面成像。 太空中形成的双界面成像。
个人分类: 无奇不有|3667 次阅读|0 个评论
照片里为何旋转的直木棍会变弯?
热度 3 丁大勇 2012-6-29 09:55
照片里为何旋转的直木棍会变弯?
下面是我用手机照下的一张像,其中旋转的直棍竟然是弯曲的。如果说是快门不够快的话,也应该是变模糊,而不会有几何变形。哪位科学家能够解释一下? 下面是一张棍子相对静止时的照片,可以看到棍子是直的: 还有两张棍子或直或弯,的确有些奇怪吧?
个人分类: childish curiosity|7323 次阅读|5 个评论
夜行性动物叫声的成像系统
热度 1 Bearjazz 2012-3-13 10:27
夜行性动物叫声的成像系统 熊荣川 编译 xiongrongchuan@126.com 中国科学院成都生物研究所 声音通讯对夜行性动物尤为重要。然后在科学工作者对之进行研究时往往遇到的困难就是对叫声的定位非常困难。传统的做法就是,看到目标动物叫了,才能确定是该个体发出的声音。这种困难当然就使得我们在研究动物之间的声通讯行为时举步维艰。 最近一种叫做“萤火虫矩阵” ( Mizumoto, Aihara et al. 2011 ) 的工具被发明出来,大大的提高了野外对于来自不同动物个体叫声定位的便利性。该工具使用一种被作者命名为“萤火虫”的声光转换装置组成的一个矩阵。萤火虫有三个部件组成:录音麦克风、放大器、发光二极管。基本工作原理就是麦克风收到声音讯号后,录音的同时转化成电信号经放大器放大后带动发光二级管发光。多个萤火虫在研究地以一定的方式进行均匀的矩阵分布。这样矩阵内不同位置的动物个体发声时引起较近的萤火虫发生明显反应,这种“闪烁”被安放在矩阵上空的录像机记录。通过对同步的录音、录像作逐帧分析,从而确定声源不同位置。 Mizumoto, T., I. Aihara, et al. (2011). "Sound imaging of nocturnal animal calls in their natural habitat." Journal of Comparative Physiology A: Neuroethology, Sensory, Neural, and Behavioral Physiology 197 (9): 915-921.
个人分类: 翻译作品|4149 次阅读|1 个评论
Influence of altitude on aero-optic imaging 气动光学 许亮
alvinlxu 2011-7-9 16:10
Influence of altitude on aero-optic imaging 气动光学 许亮
高度对气动光学成像偏移的影响 Liang Xu and Yuanli Cai Applied Optics, Vol. 50, Issue 18, pp. 2949-2957 (2011) Website: http://www.opticsinfobase.org/ao/abstract.cfm?URI=ao-50-18-2949 Full Text: 2011_L. Xu and Y. L. Cai_Influence of altitude on aero-optic imaging deviation.pdf (1194 KB) 欢迎同行下载,交流,引用。
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压缩感知对成像技术带来的挑战
热度 1 Cannabis 2010-1-12 03:47
压缩感知(Compressive Sensing, or Compressed Sampling,简称CS)是近几年流行起来的一个介于数学和信息科学的新方向,由Candes、Terres Tao等人提出,挑战传统的采样编码技术,即Nyquist采样定理。这个理论一经推出,跟进者众矣,paper众多,blog也很多。 其实CS这个东西在很早以前就有了,只不过当时没有人这样命名,只是后来Candes等人觉得要有个好名字,就给起了这样的一个名字,其核心思想就是利用较少的采样点恢复出原信号。这个工作在2000年前就有人做了,比如我知道的一个华人数学教授他当年的博士论文就是用少的小波系数恢复原图像,其实就是这个CS。在Ronberg的论文里还用到了他博士论文里的公式,关于TV算法的,但据说没有引用他的论文。 我比较关注的关于成像方面的应用。近几年,有一种称之为计算成像的技术得到长足的发展,我知道的有MIT、Arizona、Duke等学校都有这样的研究小组,比较著名的有Random Lenses,Coding Aperture imaging, ghost imaging等,试图利用非传统成像技术获得更多的信息,进行图像重建。
个人分类: 生活点滴|10507 次阅读|1 个评论
精神的物质化探索――人脑图成像学
热度 1 charcoal 2009-9-21 10:05
摘要: 精神和物质是哲学的基本元素,也更为人们关注和研究。自古以来人们采取各种方式对精神世界进行探索。采用现代各种成像方式,对物质脑活动情况进行研究称为人脑图成像技术。现代人脑图技术是集神经科学、认知心理学、放射学、计算机信息学科、生物医学工程、电子工程、物理学等学科交叉的新兴技术,具有多模态联合的内在特征和多学科联合的外在特征。各学科的交叉对传统学科的推动之外还产生新兴的学科方向。交叉性的人脑图成像开展需要各学科和单位联合开放模式。 关键词: 精神;物质;脑;成像;学科 物质与精神是哲学概念的最基本二元素。在对物质世界的探索和认识同时,对精神世界的思辨和认识也是人类永恒的主题任务。有关意识 (consciousness) 、心灵 (mind) 及灵魂 (soul) 等精神内容,散发着神秘的诱人魅力吸引着历来哲士的兴趣。直到科学昌明的今天,相对已逐渐明了的物质世界规律的认识,精神世界的大部规律仍处于未窥堂奥的暗室之中。但随着科学的发展与技术的进步,人们对这神秘世界的探索活动也逐渐登堂入室,并有望成为未来科学发展的重要方向。 最典型的是著名科学家 Crick ,他与 Watson 一起发现 DNA 双螺旋结构而获得 1962 年诺贝尔医学奖,开创了分子生物学的新时代。但 70 年代,他把兴趣转向神经认知科学,特别对视觉系统的理论和模型产生了浓厚的兴趣。他认为,自从双螺旋模型提出以后,分子生物学中的一些基本问题大体上已得到解决,而人类对自身的精神活动理解得太少。他也转向了意识和神经问题的研究 。在国际上,上世纪 80 年代美国和欧洲提出了“脑科学”的发展计划,日本也于 90 年代提出“脑的十年”等科学计划,旨在探索、开发和应用人脑。本文就从脑科学研究的方法和技术谈起,重点对现代的人脑图成像做详述。 一、技术发展历史简介 古代人们对灵魂等精神世界的认识多采用对等二元论,首先认为灵魂的独立存在性,即把“意识”拟人(物质)化,认为“灵魂”是独立于肉体对立存在的;第二是灵魂与肉体的交互性,灵魂通过支配肉体而表现。在此过程中,很多文明在相当长时间内都把“心脏”作为灵魂意识的“灵枢”所在,主掌人的精神。在西方,直到笛卡儿才把这种“心灵-身体问题 (mind-body problem) ”明确地改正为“心灵-脑问题 (mind-brain problem) ”认为脑才是心灵起源的中枢。虽然笛卡儿学说被指误于机械论,但这奠定了精神物质化研究的唯物理论基础,使“精神问题”向“神经问题”开始转化 。 即使如此,初期的观察和研究仍然充满了谬误,十九世纪初西方流行一种“颅相学”学说,认为颅骨的形状影响脑组织,因此也决定人的智力性格甚至行为,最有名的是 Gall 等人,把头颅表面分为 27 个(脑)区,分别对应人的某种特征,如“正直”、“勇气”、“爱心”等,进而可以根据某人颅骨突起特征来判断其“聪明但好偷窃”或“爱心仁慈”等。现在认为这是一种论点基本正确但方法严重缺陷形而成的错误学说(该学说似乎类似于中外均流行的“算命相学”,但本质不同,第一其基于正确的理论基础点-脑决定意识,并且其推论多基于实际观察而非玄思和胡乱联系,结论点仅限于人的资质判断,并不无限推断、妄加定论到某个确定的社会事件),但指明了一条“大脑分化为不同脑区对人体功能进行控制”的正确理论方向 。 十九世纪末的科学已经在物理、化学及生物界构建了颇具规模的现代理论体系大厦,但真正现代意义的脑科学才刚开始发萌动土。技术进步是推动科学发展第一动力,许多科学理论的提出只有基于特定的手段和工具,神经科学和技术的进步是脑科学发展的基础。 Aajar 等发明了神经银染技术是神经科学的革命性发展推动力,使得人们可以良好地对神经细胞进行观察。在此基础上, Brodmann 对人脑进行了 52 分区,并于当时已对某些脑区的功能进行了确认,如主管躯体运动的 I 区和躯体感觉的 II 区等。该分区成为最经典的人脑图标准之一,直到现在仍最为人们采用 。 19 世纪末出现了现代脑成像技术的雏形,在德国神经学家 Emil Dubois-Reymond 发现神经活动可引起电信号改变的基础上,英国人 Richard Caton 首次记录了兔脑神经的电活动,这种直接的电信号采集技术以后发展到单细胞膜片钳技术,可精确观察神经细胞内外的粒子通道与电位改变。 1933 年德国人 Hans Berger 发现大量神经元同步活动可以引起局部甚至远处电场的改变,发明了头皮外脑电图记录技术,这使得无创观察人的神经电活动成为可能。在此理论基础上,人们还发明了脑磁图技术,以及可以“主控”人行为的脑刺激系统( TMS , EMS ,经颅脑磁 / 电刺激系统)。以上技术构成了目前神经研究领域最庞大的神经电生理学。 最值得描述的是对脑代谢与脑活动关系进行观察的脑代谢成像技术,这种技术有望实现未来脑科学研究的重大突破。相比电记录技术,虽然其结果似乎更加精确,但其终究太过于微观,更倾向于神经学而脑成像的色彩较淡。最初的实验就是著名的 Broca 实验,通过记录他的学生在语言表达时头皮表面温度实现了语言功能的大致定位,这种简陋的方法相当的粗糙和不准,现在看来其结果都似乎难以置信,但以其名字命名脑区一直是说话中枢的代名词。并奠定了后来代谢脑成像尤其是光学成像的基础 。 但初期的脑代谢研究更受到研究方法落后的限制,仅局限于少数的脑损伤学临床病例观察。意大利外科医生 Angelo Mosso 首先观察记录了颅骨缺损患者思维活动时血流的改变情况,最为有趣的是 1928 年美国波士顿医院 Fulton 医生记录的一例枕叶皮层(视觉区)动静脉畸形的患者,每当睁眼视物时总能听到颅内汩汩的血流声,推断脑活动可能会引起血流的增加。为了验证这种理论,曾有实验设计了一个非常灵敏的跷跷板,先让人心绪平静地躺在上面并达到平衡,然后观察人思考时是否因脑部血流增加而失平衡。 直到二战结束后的 50 年代, Seymour Kety 等把核素成像技术引入脑成像,发明了放射自显影技术,人们才第一次能够定量地对活体人脑血流和代谢进行测量。从此以后,脑代谢成像技术突飞猛进,在某种意义上,初期的二维头盔技术已比一维信号的电记录技术进步许多。 1973 年英国电器工程师 Godfrey Hounsfield 在 Alan Cormark 的理论基础上发明了 X 线计算机断层成像( CT )技术,这是现代临床医学发展史上的重要里程碑事件。利用 CT 技术,人们首次真正地做到“洞见五脏症结”。计算机断层成像技术与核素成像技术结合, 70 年代产生了正电子断层成像( PET )和单光子断层成像技术( SPECT ), PET 乍一出现,即刻成为神经科学界的宠儿,其可以三维高空间分辨地对脑活动区进行定位。 另一种借助 CT 成像的是核磁共振 (Nuclear magnetic resonance, NMR) 技术,这是唯一一项横跨包揽过诺贝尔物理、化学、医学奖的伟大技术。 NMR 通过对不同的不成对质子物质,在受到电磁脉冲激励后有不同的弛豫时间对物质性质进行描述;其与 CT 技术的结合产生核磁共振成像 (nuclear magnetic resonance imaging, NMRI, MRI) ,该技术基于不同的激励序列设计,可产生不同特征的生物组织信号。该技术不仅能够超高分辩地用于结构(解剖)成像,并且基于不同的设计序列技术实现对机体的功能情况进行观察,即功能磁共振成像。 一般来讲,血氧水平依赖的功能磁共振技术 (Blood oxygenation level dependent functional MRI, BOLD-fMRI) 、磁共振波谱 (MRS) 、磁共振灌注成像 (PWI) 、磁共振弥散加权 (DWI) 及磁共振弥散张量成像 (DTI) 等都可以对机体器官功能进行观察的技术,不妨称之为功能性磁共振成像( Functional MRI ,首个英文字母大写,据 RSNA 定义),其中一些技术还可用于中枢神经系统以外其他系统。而 BOLD-fMRI 技术则只能应用于中枢神经系统,并且目前研究及应用最为广泛,不妨称之为功能磁共振成像( functional MRI ,首个英文字母小写)。 BOLD-fMRI 技术出现出现于 20 世纪 90 年代初,美国 Bell 实验室的日本学者 Ogawa Seji 首先发现不同 CO 2 浓度下猴子视觉皮层的 MRI 信号不同,虽然他 1990 年即报道了该现象但未做过多解释和重视。几乎同时,在 Harvard 大学麻省总医院的台湾学者 Kong KK 及 Bandettini 采用对比剂灌注的方法首先采用 MRI 发现了人视觉皮层受光刺激时的反应,这是神经科学领域的首幅人脑图,即使采用的方法不是后来应用最多的 BOLD 技术。 到 1992 年, Ogawa 引进了 BOLD 理论来解释其 1990 年的实验,并获得成功。 BOLD 理论是 80 年代华盛顿大学神经及放射学家 Raichle 及其学生 Fox 等以 PET 实验为基础提出的,认为特定的脑区(如运动中枢、语言中枢)活动(如动手、讲话)时,局部脑组织血流和代谢增加,但增加的速度不匹配造成该脑区信号的改变。利用不同的组合可以活体观察人大脑对各种任务(包括低级的运动感觉和高级的记忆认知)的反应 。 BOLD-fMRI 在两个领域引起了学科的革命性进步:包括放射学( Radiology )界和神经学界,突破了传统放射学单纯解剖观察的概念。 在脑科学研究方面, BOLD-fMRI 的出现,相形之下把 PET 变成了老态龙钟的过气技术,不足和劣势明显: FMRI 采集速度快,最快可以达到 30ms ,而 PET 是数分钟级, fMRI 可以对大脑的活动进行四维成像,而 PET 仅能三维。并且,即使三维成像, PET 的空间分辨率也较低(仅 5mm ),而 MRI 是微米级、超高场的磁共振显微镜技术甚至是数微米级的技术。最主要的是, MRI 方便、便宜,而且不需要注射对人体有害的具有放射性的示踪剂。 现在的 BOLD-fMRI 技术已广泛地应用于基础神经科学、认知心理学、临床神经及精神病研究,甚至与市场经济学、广告学等社会人文学科结合产生出所谓的“神经经济学”。而 BOLD-fMRI 也被看好将成为第四次获得 Nobel 奖的磁共振技术(据神经科学界比如饶毅 04 年预测)。但 BOLD-fMRI 技术的产生有原理 ( Raichle, Fox, Ogawa) 和技术 (Ogawa, Kong, Bandettini) 两条线索, Ogawa 似乎是两条线交叉集成的人物,但 Nobel 奖是否能够落花有情于 fMRI 、并且花落谁家现在还是个谜。 二、当代人脑图成像技术的发展特点和方向 通过上面的描述,我们可以初步对人脑图成像技术进行定义:在现代的神经科学研究中,运用各种技术对人脑中枢水平脑区的活动特征进行的描绘称为人脑图( Human brain mapping )技术,与功能神经成像学( functional Neuroimage )有重合也有不同:人脑图技术还包括结构成像,重合的部分即为脑区水平的功能神经影像学,按原理可分三类:一是测量或刺激后测量神经活动的电或电磁活动方法,如电活动的 EEG 、 ERP 、 VEP 以及硬膜下电刺激记录,磁活动的 MEG 、 TMS 等。二是通过神经递质代谢水平反映脑活动的方法,如 PET 、 SPECT 和 MRS 等。再一就是间接反映神经活动的血氧代谢水平的方法,包括 PET , fMRI 以及光学成像,大致经历了简单直接观察期、核显影时代、 PET 时代、现代的功能磁共振和光学等综合方法阶段。而 fMRI 由于具有无侵入,高空间分辨等优点,在 HBM 领域已基本上取代了 PET 地位,成为研究应用前景最为广阔的一种技术。 这些方法的成像原理不同,观察范围和适用特点上亦各有优劣。在神经科学的研究方面需要各种方法联合互补(如图一),所以人脑图成像或神经影像学学科的内在特征是多模态( multi-modality )性。 注: MEG- 脑磁图, ERP- 事件诱发电位, PET- 正电子发散断层, optical dyes- 光学染色, fMRI- 功能磁共振, Lesion- 脑损伤学研究, 2-deoxyglucose-2 脱氧普通糖核显像, single unit- 单电极技术, patch clamp- 膜片钳技术, light microscope- 光显微镜。横轴是时间(秒的对数),代表不同技术的时间分辨率;纵轴是空间纬度,代表不同技术的空间分辩级别。 要指出的是,现代神经成像学的发展,在技术上归功于物理学、电子学发展造成的硬件设备升级、以图像数据处理、信号处理的计算机信息学科,甚至更加底层的数学学科。所以,多学科联合( multi-disciplinary )成为现代的神经影像学的外在特征。这在 fMRI 的开展中体现最为显著,牵涉到诸多学科领域,按照各自的地位可分为三个学科群:第一是以科学问题为核心的技术应用学科,包括神经生理、心理认知等基础神经认知学科,以及神经病、精神病等临床神经学科,用于提出神经科学问题,提出理论假设和研究目的;第二是以技术支持和应用的学科,包括放射医学、生物医学工程、图像处理、计算机等学科,参与数据的采集、图像数据的处理及分析,优化或创新更好的采集、处理和分析方法;第三是硬件开发及基础理论研究的学科,包括物理学、电子工程、数学等学科,负责硬件的进步升级、提出具有良好实用性的数学模型等。目前自然科学基金委员会已充分注意到这种学科发展时的交叉近邻性,生命科学部第四处涵盖了以上所有的这些学科的支持基金申请,以促进新兴交叉学科的发展。 新兴的人脑图成像尤其是 fMRI 技术极大地冲击和促进了传统学科的发展。在神经学科,人们实现了脑区和全脑水平对脑活动进行观察,有利于对脑活动进行宏观和整体的认识。并且直观地对各个脑功能区进行定位。尤其是近来以 Raichle (他的兴趣目前已从 PET 基本上完全转到 fMRI )等提出的大脑“缺省模式 (default mode) ”概念,这是一个重要的突破性的概念,以后的神经学科学理论,有可能会基于此概念发生重大的跃进突破。这也是目前功能神经成像领域研究最热的题目:根据以前的观察发现,功能正常的大脑在特定任务(如思考、做计算)活动时的脑代谢,并不比静息(就是平常所说的无所事事、发楞状态)的代谢高。这样就出现一个问题:那么静息时大脑消耗那么多的能量(大脑重量占体重的 2% ,但血氧消耗要占全身的 20% )是用来干什么了?这是一种神秘的暗能量。 PET 研究发现大脑有一些特定的脑区在静息状态保持高代谢,而有任务执行时却降低,这些区域称为大脑的内在系统缺省模式,负责人的内省、对自身和外在环境的评价等。电生理及 fMRI 发现这其实是大脑的同步振荡活动的表现形式之一,不同脑区的时间过程振荡信号表现为正向或反向的相位。各脑区以相关的功能连接性共同对大脑活动进行协调,并且生命不止,振荡不休。 新技术对心理认知领域的促进和发展更大。传统的认知心理学依据行为学量表方法,观察人的内在(心神)与外在行为表现(身)的关系。虽然 19 世纪以来,重要的心理学理论学派纷出,但量表方法注定其无法突破大原则下的二元论,在外在行为和内心心智之间到底存在什么关系,量表法依旧是一种黑箱模式而无法揆清。只有借助神经成像工具,实验心理学才真正成为一门扎实的学问。与 ERP 一起, fMRI 成为现代认知心理研究的主要工具,从基础的感觉认知,到注意、记忆、语言、学习等高级认知,十多年来,涌现出连篇累牍的文献。发现不同的外界刺激及行为表现下特异脑区有不同的反应,等于直接打开黑箱对神秘的“心智“进行观察。比如观察到额叶与边缘系统在博弈决策中的作用、观察智商与额顶叶皮层间连接度有关、观察顿悟的脑反应机制等等。 在神经病方面,脑成像技术重构了神经内外科、甚至是托生了神经外科。在放射医学出现以前,对脑部疾病的认识只有根据大致的行为学判断, CT 发明以前最多只能根据脑血管造影显示的血管位置改变来判断疾病位置,而 CT 技术(包括 X-CT 、 MRI 、 PET 等)的发明使人们可以在不打开头颅的情况下直接观察病灶的位置和性质。功能神经成像技术更进一步,对功能区的定位可以帮助手术计划设定避免误伤,异常功能区如癫痫灶的定位可以有效切除。在精神病及心理异常方面的研究更深入,现在对强迫症、抑郁-躁狂双极症、精神分裂症、老年痴呆症甚至吸毒成瘾患者脑结构和功能的变化都有了更深层次的认识,包括一些以前仅认为是行为功能改变的心理异常如焦虑、创伤后应激障碍等疾病,现在都发现了其结构和代谢方面的异常。神经影像学彻底从“物质脑”出发,揭示了人的“心智”、“精神”活动的规律。 学科交叉也碰撞出一些新兴学科和技术,第一如把人脑图技术应用到社会心理学领域产生的神经经济学 (neuroeconomy) 、神经市场学 (neuromarketing) 等。采用人脑图技术观察研究人们在消费过程中投资行为造成的脑部活动,或观测不同广告设计模式造成的脑部活动差异。可以直接从脑本质活动方面来理解人们的社会、政治、经济行为。 另一个让人非常兴奋的学科方向是人脑图与计算机、电子、自动化控制、机械等综合工科学科交叉产生的研究领域——脑机接口 (brain-computer interface , BCI) 。举一简单例子,比如一四肢截瘫的患者只能坐在轮椅或床上,他除了脑子清醒外无法行使任何行动。这时,我们可以在他头皮(甚至埋藏到大脑皮层)放置电极,接收他的思维活动造成的信号,通过对信号的解读,重新输出为光电信号指令,用来控制机械装置的运动,这样仅通过“想一下”就可以让轮椅行走、让电灯打开,可谓真正的“心想事成”。这个 BCI 技术是目前信息自动化领域最为前沿的研究,其核心技术在于人思维形成的脑信号解码 (decoding) 。前面讲的人脑图技术其实是一个编码 (coding) 过程,观察不同行为(对应的思维)引起的脑代谢 / 电信号的改变特征,而 BCI 技术是通过观察脑代谢 / 电信号特征来推测其对应的行为(思维)。目前已能实现用“意识”、“思维”来开灯,解码一些简单思维判别,如让人在 26 个字母中随机挑选一个作为目标字母记下来, BCI 可以正确地判断这个字母。 相比这个貌似可怕的可“解读心思”的 BCI 技术,更为可怕的是脑刺激技术。其实经颅磁刺激系统 (transcoronal magnetic stimulating system, TMS) 是一种早已开发并应用的技术。采用集约控制的磁场束,可以在头颅外对某个特定脑区进行外在刺激,直接造成该脑区控制的行为的发生,比如刺激运动皮层可以让人不受自己控制地发生肢体运动等。相比 BCI 的“解读人的心思”,这个 TMS 简直就是“控制人的意识”。即使目前这些技术都还只能产生简单初级的效果。 三、人脑图成像学科的开展模式 人脑图技术这样一个多学科交叉的新兴领域,其研究的开展必须有多学科人才的交叉综合。国际上的开展机构大致可分为三种模式:一是在传统的神经科学或心理学研究机构下开展,这些机构以基础研究为主,如英国伦敦大学神经科学影像系( Wellcome Department of Cognitive Neurology, University College London )的神经影像实验室,以 PET 和 fMRI 技术对正常和病态的脑结构进行研究。二是在生物医学工程或电子计算机等系的基础上建立的实验室,其构建结构也各不相同,如 UTHSCSA 的 RIC ,理念是以无创的影像技术和测量方法用于基础和临床研究。这两类研究机构在工作开展中都具有多学科和多模态联合的特点,除了自己拥有多种神经影像的设备,如 PET 、 MRI 、 MEG 、 EEG 等,还具有各个相关学科如神经学家、心理学家,医学物理、生物医学工程人员等,研究实力较强。第三类以医院为主体开展的研究,由神经科和放射科医师参与,作为临床研究项目的一个分支,多以临床研究为主,也有相当部分与其他机构联合进行研究,规模相对较小。 从研究方向特征上人脑图研究可分为方法研究和应用研究两类:方法学研究其成像原理基础、数据处理和分析的方法;当前较多的是应用研究,同样也包括基础的神经心理学研究,以及 fMRI 的临床应用研究。在学科的组织上,人脑图技术活跃出现在以上提及的各相关领域,除一些传统的学术组织外,还成立专业的人脑图组织 OHBM ( Organism of Human Brain Map ),是最大的国际神经影像学学术组织。 在国内,人脑图研究的开展颇为特殊和有趣。在早期由于主要成像设备的昂贵等,除 EEG 等设备外,其他设备动辄数百万美元( MRI 仪 1.5T 以上者 $1.5M , PET $5.0M ),所以我国直到上世纪 90 年代末才有 fMRI 的开展,而 PET 更是近年来才有,但基本上都是放在医院里作为医疗目的使用,科研只是业余的用途。随着我国经济实力的增长,逐渐出现了科研单位购买的科研专用机(如中科院生物物理所,北京师范大学心理学院,西南大学心理学院,华东师范大学等购买 3.0T 的 MR 仪),其他昂贵的设备如 MEG 和 TMS 也有所出现。 但总的来说,我国尚存在设备单一、学科资源缺乏且分散等劣势不足,而掌握着设备资源的医院放射科将扮演相对重要的角色。但毕竟有多学科联合的外在要求,在中国相对分散和匮乏的学科资源环境下,首先必须更积极主动地寻求相关学科之间的联合,做到跨单位、甚至是跨地域的学科联合,尤其是基础研究的课题开展的时候。在北京的中科院系统以及一些医院在联合研究中充分发挥了内在的学科优势。其次是开放,以拥有设备资源优势的放射科为轴心,向临床科室、神经生理、心理基础等基础学科,生物医学工程、生物物理等学科开放,形成一个具有共同目标的学科小组和科研平台,一起推动脑科学研究的进展。(2008-1-11) 参考文献 弗兰西斯 . 克里克著 , 汪云九、齐翔林、吴新年、曾晓东 等译校 , 灵魂的科学探索(网络版),亦凡公益图书馆 (shuku.net). 约翰 C 埃克尔斯 著,潘泓译,脑的进化 . 上海科技教育出版社, 2004 年 12 月,上海, 166-258. RAICHLE ME. Behind the scenes of functional brain imaging: A historical and physiological perspective. Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 1998 , 95: 765–772. Rachard S.J., Frackowiak, Karl J. Friston, et al. Human Brain Function (2nd edition). Elsevier Pte Ltd 2004; 639-650, 719-754. Monen E, Bandetti T et al. Functional MRI, Springer, 2002: 1-18, 232-257.
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