脑活动的测量

发布时间：94年07月28日

唐孝威

本文介绍了脑功能的测量技术。但经过特殊处理后的脑功能图像如何与脑内部的信息加工活动联系起来，尚需从事物理学、生物化学和脑科学的工作者共同探索。

人脑是自然界是最复杂的生物器件。人脑重量约为1.3 kg，有左右两侧大脑半球、小脑、丘脑、脑桥等，并与脊髓连接。大脑皮层又分额叶、顶叶、枕叶、颞叶。大脑皮层高度褶皱，厚度约为2 mm。铺开面积约40×40 cm²，由神经细胞（神经元）、胶质细胞、血管等组成。神经元胞体直径从5~100 μm轴突可以很长，还有许多短的树突。神经元连接方式，主要通过化学突触，在大脑皮层约为10³突触/神经元，大脑皮层约10⁵神经元/10 mm²，总共约有10¹¹神经元。神经元并不杂乱，而是有序排列，复杂连接，形成神经网络。功能柱直径约为100 μm。各种功能区都有专一功能，如视觉、听觉、语言、运动等功能，并分布于不同脑区。

本文主要谈及脑智力活动的测量问题，即如何探测脑智力活动时脑功能的变化。所谓脑的智力活动，包括学习、记忆、语言、联想、决策及感觉、情绪和意识等。目前国内外采用的研究途径有三种：1. 脑的成像技术。2. 测量脑神经活动时的电、磁信号。神经元中通过的离子流引起神经电脉冲。脑智力活动时脑内大量神经元的电活动在头皮外产生微弱的电信号和磁信号。3. 测量脑活动时脑内血流和代谢率的变化，研究局域血流、局域葡萄糖代谢率，还有定域的各种神经化学反应等。探测脑的活动应该符合活体、无损和实时的要求，并能作动态和三维记录。它们的空间分辨率要高，时间响应要快和抗干扰能力要强。颅骨、脑膜、体液以及呼吸、心跳等都是干抗源。信号需要经过计算机的特殊处理。表1中列出了几种成像技术。

脑磁（MEG）：用多个SQULD（Superconducting Quantum Interfereuce Device）磁强计测量脑内神经元活动电流产生的磁场，强度约为2 PT，要用专用“头盔”把多个探头固定在上面，时间分辨率可达1 ms，空间分辨率为3 mm。

正电子发射断层成像（PET：Position emistion toma graphy）：要测量脑的很多断层。它和普通的γ照相机不同，后者是放射性在人体外面，而PET的放射性在人体里面。将正电子发射核素化合物注入体内，常用的正电子发射核素有¹⁵O（半衰期τ=2分钟）、"c（τ=20分钟）、¹⁸F（τ=110分钟）等，例如¹⁵O标记的水分子，¹⁸F标记的葡萄糖FDG。脑细胞代谢，摄取葡萄糖，分解出H₂O和CO₂，后者排出体外。但FDG分解产物FDG-6P则在一段时间内停留于细胞中。对正电子湮没发射，采用r-r符合法测量，测量后再转为三维成像。PET空间分辨率可达5 mm。PET的时间分辨较差，很多快速变化信号会模糊掉。

图1是PET像，左为健康老人，右为老年痴呆病人。PET可用来显示精神分裂症与正常人反应区情况的区别。或者做功能恢复转化，在病理和生理方面都可显示。这些病症的PET像缺点是时间响应比较差。研究两种情况相异性，要做二次实验，即空白的做一次实验，活动的做一次实验，各做30秒钟。空间分辨率6 mm，中国科学院高能物理研究所做了一台PET，空间分辨率也是6 mm，现在北京中日友好医院临床使用。由于正电子慢化过程，以及湮灭γ射线的角度并非严格为180°，所以PET的空间分辨率极限也就是2~3 mm。

磁共振成像（MRI：magnetic resonance imaging）；结构型的MPI普通医院已有，很受欢迎。空间分辨率很好，可到2 mm。但研究脑活动需要功能型MRI。目前一种方法是：当神经活动增强时，血流供应就增加。脑血流区域变化，含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白在磁场中表现不同，因而信号不同（4T磁场中信号大小差28%），得到血流变化的像，时间响应可以达到100 ms~1 s，当然时间响应与信号的强弱有关系。国外有人报道（Science 261（1993）556），用回波平面型MRI，可以得到快速的脑功能图像。还有人报道（Magnetic Resonance Imaging 11，（1993）451），利用普通医用磁共振成像装置，而不必用专制设备，就可以进行脑功能成像。此外，处于不同含氢化合物分子中的质子，磁共振信号略有不同，这称为化学位移（chemical shiqt），利用化学位移可以定域测量含氢的各种化学分子的谱。

光学成像：只能在脑表层，如对动物的脑中神经元可用外部电压敏感染料成像。神经元活动时电压变化，染料发光，可见表层细胞的变化，分辨率很高，此外神经元内部也有微弱光信号。

红外线（OCT：optical coherence tomography）：红外线在脑组织表面几mm内反射，分两束相干成像，成像后可见脑表层的功能活动。

总的印象是，用目前技术综合起来所获得的信息有参考价值。但现有测量技术的空间分辨率、时间分辨率需要进一步提高，还要研究测量脑功能的新原理和新技术，当然即使有了空间分辨和时间分辨是够好的脑功能测量技术，如何把测量和处理得到的脑功能图像与脑内部的信息加工活动联系起来，以及有关脑神经网络、脑内通讯与整合等问题，都需要物理学、生物化学和脑科学工作者，共同研究和进一步探索。