近20年，功能磁共振（fMRI）給予人類大腦的研究帶來了革命性的進步。功能磁共振通過基于血氧水平(Blood Oxygen Level Dependent, BOLD)的磁共振信號變化，間接測量腦部神經(jīng)活動，具有高分辨率和非侵入式的優(yōu)勢。最初的功能磁共振實驗需要等待數(shù)個小時甚至幾天時間才能得到結果。Cox及其同事在1995年搭建設了第一個實時功能磁共振系統(tǒng)，可以對獲得的圖像即時進行處理[1]。實時功能磁共振可以即時提供圖像質量的評估，檢查受試者對于實驗的配合度，實驗之前腦部功能區(qū)的定位，以及實驗范式的快速確定和實現(xiàn)教學目的。不僅如此，實時功能磁共振更提供了一種稱為神經(jīng)反饋(neurofeedback)的全新實驗方法，可以根據(jù)快速準確測量到的受試者的腦部活動即時調(diào)整實驗設計以及實驗刺激，以達到神經(jīng)自主調(diào)節(jié)的目的。實時功能磁共振系統(tǒng)還可以作為人腦和計算機的接口(Brain-Computer Interface, BCI)，對外部設備進行控制。近年來，隨著實時功能磁共振系統(tǒng)在神經(jīng)反饋和腦機接口方面的發(fā)展，已經(jīng)在新型神經(jīng)科學領域和臨床方面引起廣泛興趣。本文的內(nèi)容主要集中在實時功能磁共振的技術介紹，臨床應用和未來發(fā)展方向。

現(xiàn)在大部分的磁共振掃描儀都可以提供全腦EPI圖像。由于實時功能磁共振對于時間方面的嚴格要求（1-2秒內(nèi)獲得全腦圖像），使得研究者必須在時間以及空間分辨率和掃描層數(shù)之間進行權衡。在這種情況下，在最短時間內(nèi)獲得最多掃描層數(shù)將成為進行實時功能磁共振實驗所需掃描儀的重要考量標準。數(shù)據(jù)預處理包括變形校正，3D運動校正，時間濾波，空間平滑和空間標準化。統(tǒng)計分析不僅包括單變量方法(univariate)，比如t檢驗，相關分析，一般線性模型(general linear model, GLM)和多重回歸，還包括了更為先進的多變量的方法(multivariate)，比如獨立成分分析(independent component analysis, ICA)和模式識別的方法。實時反饋可以采用多種形式（圖2），直接把采集到的原始BOLD信號反饋給受試者（圖2a），以便受試者對特定腦區(qū)的神經(jīng)活動進行自主調(diào)節(jié)。也可以把原始BOLD信號強度轉換為一種更加直觀形象的圖形方式，如圖2b所示?；鹈绲拇笮〈碓糂OLD信號的強弱，方便受試者理解。BOLD信號的強弱也可以轉換為溫度計的形式（圖2c），溫度計右側的圖標提示受試者進行特定腦區(qū)的自主調(diào)節(jié)或者休息。最近一些實時功能磁共振采用速度表盤的形式作為反饋（圖2d），速度表盤下端的文字提示受試者進行相應的任務。

Turbo-BrainVoyager (TBV，Brain Innovation, Maastricht, the Netherlands)是目前使用比較廣泛的即時數(shù)據(jù)處理軟件之一，圖3顯示了單個受試者實時功能磁共振數(shù)據(jù)經(jīng)過TBV在線處理的結果。左側3D正交截面圖顯示了處理得到的統(tǒng)計結果，神經(jīng)活動顯著增強的兩個感興趣區(qū)(region of interest, ROI)分別用紅色和綠色方框表示。右側的白色曲線代表了從兩個感興趣區(qū)提取出來的BOLD信號時間序列。在右側曲線圖中，橫軸(x axis)代表了時間采集點，縱軸(y axis)代表了BOLD信號的幅度。統(tǒng)計分析采用T檢驗，比較任務狀態(tài)（綠色組塊）和基準狀態(tài)（藍色組塊）之間的差異。右下角的彩色曲線顯示了實驗過程中的頭動情況。

傳統(tǒng)的神經(jīng)影像科學研究腦部神經(jīng)活動對于外部刺激的生理反應（BOLD反應）。在這種情況下，神經(jīng)反應是作為以外部刺激為自變量的協(xié)變量。而實時功能磁共振神經(jīng)反饋的方法正好顛倒了二者的次序。神經(jīng)反饋實驗主要研究以局部神經(jīng)的自我調(diào)節(jié)作為自變量，對于行為產(chǎn)生的影響。很多基于腦電信號(EEG)的神經(jīng)反饋實驗已經(jīng)證明，受試者通過訓練可以對腦部活動進行自主控制，對藥物治療成效很小的癲癇和多動癥有明顯療效。不過，EEG技術空間分辨率十分有限，無法探測到皮質下區(qū)域，還有空間定位的準確性都限制了這項技術在臨床方面的進一步應用。隨著實時功能磁共振技術的不斷發(fā)展，以上問題都得到了很好的解決。實時功能磁共振神經(jīng)反饋研究的腦區(qū)涉及運動，感覺，情感和認知處理。deCharms及其同事證明，受試者通過訓練可以學會對腦部痛覺感知相關的腹側前扣帶回(rostral anterior cingulate cortex, rACC)的神經(jīng)活動進行自主調(diào)節(jié)[3]。結果證明，此類調(diào)節(jié)與痛覺感知的變化密切相關（圖4a）。一組慢性疼痛患者接受了同樣的訓練，通過對rACC的神經(jīng)活動的自主調(diào)節(jié)，患者報告疼痛的程度得到顯著降低。Rota及其同事研究了與語言處理相關的右側額下回(inferior frontal gyrus, IFG)神經(jīng)活動自主調(diào)節(jié)的作用[4]。在受試者成功地對他們的右側Brodmann 45區(qū)進行自主調(diào)節(jié)前后，分別進行了一次語言方面的測試。調(diào)節(jié)之后，受試者對于帶有感情色彩的語調(diào)的識別精度顯著提高（圖4b）。Caria及其同事證明了運用實時功能磁共振訓練健康受試者增加島葉前端(anterior insula) BOLD信號強度的可行性，并對自主控制島葉前端神經(jīng)活動是否影響外部情感刺激的主觀反應進行測試[5]。結果表明，島葉前端增強的神經(jīng)活動與增強的對于負面情感刺激的感知密切相關（圖4c）。這些結果，為實時功能磁共振技術在新型神經(jīng)科學領域和臨床方面的應用前景提供了清晰的證明。更為重要的是，神經(jīng)活動的自我調(diào)節(jié)功能在反饋取消以后仍然可以保持，顯示了長期的效果，滿足成功治療的要求。

圖5和圖6顯示河南省人民醫(yī)院史大鵬主任團隊運用實時功能磁共振開展神經(jīng)反饋實驗的一些初步結果。實驗的目的在于研究通過對rACC腦區(qū)神經(jīng)活動的自主調(diào)節(jié)，改善受試者對于痛覺的感知。圖5顯示了通過對受試者上臂施加痛覺刺激，rACC腦區(qū)的激活可以被準確定位。圖6顯示了受試者對于rACC腦區(qū)神經(jīng)活動的良好自主控制?；疑M塊為休息時段，綠色組塊要求受試者增加rACC腦區(qū)的活動，藍色組塊要求受試者降低rACC腦區(qū)的活動。后面兩個循環(huán)受試者已經(jīng)可以準確完成實驗的要求。

磁共振掃描儀作為一種非侵入性的成像手段，一直在診斷醫(yī)學中發(fā)揮著重要的作用。隨著實時功能磁共振研究的不斷發(fā)展，在不久的未來，磁共振掃描儀將轉變?yōu)橐环N神經(jīng)影像方面的治療手段，開創(chuàng)出一片嶄新的天地。

參考文獻

1. Cox RW, Jesmanowicz A, Hyde JS. Real-time functional magnetic resonance imaging. Magn Reson Med 1995;33:230–236.

2. Caria A, Sitaram R, Birbaumer N. Real-Time fMRI: A Tool for Local Brain Regulation. Neuroscientist 2012;18:487-501.

3. deCharms RC, Maeda F, Glover GH, et al. Control over brain activation and pain learned by using real-time functional MRI. Proc Natl Acad Sci USA 2005;102:18626–18631.

4. Rota G, Sitaram R, Veit R, et al. Self-regulation of regional cortical activity using real-time fMRI: the right inferior frontal gyrus and linguistic processing. Hum Brain Mapp 2009;30:1605–1614.

5. Caria A, Sitaram R, Veit R, et al. Volitional control of anterior insula activity modulates the response to aversive stimuli: a real-time fMRI study. Biol Psychiatry 2010;68:425–432.