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David J. Nutt教授评论

伦敦帝国理工学院脑科学学部神经精神药理学教授

脑成像技术在过去20年里取得了巨大的进步。现代工具,如正电子发射断层扫描(PET),磁共振成像(MRI)和脑磁图(MEG),让我们更清楚地了解大脑是如何工作的:我们几乎可以字面上“看到头骨内部”。1.这篇文章介绍了不同形式的成像,并举例说明我们如何使用它们来提出精神病学和神经病学中的重要问题。

我们有什么技术?

我们可以从几个角度来考虑成像技术。一种是基于所使用的检测仪器或技术。另一种是可以检测到的信号无论是结构的,功能的还是代谢的另一种方法是探索它们的用途。

PET =正电子发射断层扫描它的近亲单光子发射计算机断层扫描-用于探索大脑活动和药物结合,从而定位受体2
这些技术使用放射性标记示踪剂,如11碳或18氟PET或99亚稳态特尼西(99中医)或123SPECT用碘。这些不稳定的放射性核素在大脑中分解,在PET的情况下发出2个伽马射线,在SPECT的情况下发出一个光子,这些电磁射线被在头部周围排列的敏感光电池探测到。这些技术可以用来探索血液流动的变化15水或99或在细胞代谢活动中[使用18f -脱氧葡萄糖评估葡萄糖代谢]。

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*增加新标题- GABA-A受体亚型[alpha5]的PET扫描
图1所示。

GABA-A受体亚型[alpha5]的PET扫描

源。大卫·纳特,伦敦帝国理工学院。

在某些情况下,可以将放射性示踪剂附着在药物上,从而测量药物在大脑中的进入和分布。如果药物对受体/再摄取位点/酶具有高亲和力,则可以根据每个区域的放射性信号估计这些区域的密度-图1。目前,我们有很好的示踪剂来估计多巴胺5-HT阿片和GABA-A系统的许多受体的密度;其中一些将在第2部分.PET/SPECT信号的时间分辨率以分钟为单位。

磁共振成像-用于分析大脑结构。
核磁共振成像是一种依赖于强大磁场的技术,这种磁场用于排列水分子和其他具有顺磁性的大脑成分。核磁共振扫描仪产生一个磁场,激发氢核(即自旋),从而产生激发的自旋,从而在放置在人体或头部周围的接收线圈中诱导电压。所产生的兴奋将取决于组织组成(如。水或脂肪)的不同区域,它可以提供一些测量大脑结构的方法(通常称为结构成像;图2)。它用于帮助诊断神经和精神疾病,如肿瘤、中风和痴呆。与其他成像方式相比,MRI可以产生更清晰的组织、液体和脂肪图像。根据磁铁强度(磁场越强,进动频率越高)和扫描持续时间(回声时间越长,信号越强),可以获得毫米级的分辨率——因此可以分析大脑区域的特定亚场,如海马体。大多数人类研究中心现在使用3特斯拉(3T)磁强度的扫描仪,一些中心使用7T强度的扫描仪。小型动物扫描仪需要更小的直径,可以用更高强度的磁铁制成,从而获得更高的分辨率。

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*增加新标题- MRI显示的正常人类大脑结构
图2。

磁共振成像显示的正常人脑结构

源。大卫·纳特,伦敦帝国理工学院。

功能性磁共振成像-用于评估参与特定任务的大脑区域。
功能磁共振成像利用血红蛋白失去氧原子后磁性的变化来测量局部血供的变化[通常称为BOLD信号-血氧水平依赖信号]。BOLD信号的时间分辨率以几秒为单位。这是现代神经科学研究的主力,希望了解参与特定任务的大脑区域。因此,一些人将fMRI称为新的颅相学!当大脑区域从事一项任务时,粗体流增加,这改变了该区域的磁信号。例如,反复移动拇指会增加运动皮层的BOLD信号。功能磁共振成像可以深入大脑,研究以前无法进入的区域。其中一个被广泛研究的是杏仁核,因为当受试者看到可怕的图像时,BOLD信号会产生可靠的增加,而这种反应在抑郁症患者中被夸大,并被选择性血清素再摄取抑制剂(SSRIs)治疗抑制。fMRI BOLD最近的一个用途是测试昏迷的人是否有一定程度的意识;他们可以被要求想象进行一项运动,如果运动皮层显示出增加的BOLD活动,我们就可以推断他们是有意识的。

phMRI =药物mri-用于绘制脑功能对药理学刺激的反应。
通过这种技术,信号的变化[通常是BOLD,但也可以是ASL(动脉自旋标记)和CBV(脑血容量)]被用来衡量药物在大脑中的作用。越来越多的药理学研究表明,许多药物改变了大脑某些区域的BOLD活动3..例如,兴奋剂治疗已被证明可以改变BOLD对认知任务的反应4.ssri诱导的催乳素释放被发现与下丘脑中BOLD信号的增加相关5.药物对静息态网络影响的研究[详细描述]第3部分正在为不同类别的药物之间的差异提供一些独特的资料。phMRI现在正被广泛应用于早期人类发展的中枢神经系统药物,用于神经和精神适应症。3.

磁共振光谱学-用于测量大脑中的生化变化。

MRS用于测量大脑中某些生物分子的浓度。这些分子中的原子根据它们之间的特定键以特定的频率共振,所以每个原子在更大的光谱中都有自己的指纹。较高的磁场强度提高了光谱的分辨率,但各种分子信号的重叠通常意味着需要扫描大的体素(3x3x3 cm3)才能获得可靠的数据。

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*添加新标题- MRS记录-峰值给出不同物质浓度的测量
图3。

MRS记录峰给出了不同物质浓度的测量值

该图显示了以增强来自GABA分子中特定共振的信号的方式分析的频谱。GABA峰下的区域表示其在枕部大体素中的浓度。其他峰可以定义为代表其他分子,如谷氨酸、肌酐、胆碱和n -乙酰天冬氨酸。

源。大卫·纳特,伦敦帝国理工学院。

MRS可以测量某些代谢物质的水平,如NAA (n-乙酰天冬氨酸)和肌酐和谷氨酸/谷氨酰胺。在较高的磁铁强度下,例如3特斯拉及以上,可以测量其他物质,如GABA,图3。然而,目前尚不清楚GABA浓度的变化是否反映了突触中GABA水平的增加,因为大脑中的大部分GABA都在代谢池中。6

目前MRS的临床应用有限,但它被用于探索代谢途径的变化,如痴呆症和一些遗传疾病。在一些药物治疗后,如谷氨酸受体阻滞剂氯胺酮,已经检测到大脑谷氨酸的改变。7

动脉自旋标记-用于测量脑血流量。
在ASL中,动脉血中的水质子被磁标记。血液被标记后,流入毛细血管。在那里,血液在图像采集时发出灌注信号。

ASL常用于药理MRI实验,以确保药物对血流没有直接影响,这可能会混淆对BOLD信号影响的解释。然而,对于某些药物,特定区域的ASL信号可以提供药物作用的明确措施。书中给出了这方面的例子第2部分

DTI =扩散张量成像-用于测量大脑白质束。
DTI使用磁共振成像来测量大脑中的轴突束。他们之所以能做到这一点,是因为神经轴突中的水的运动受到神经元脂肪鞘的限制,因此比大脑中其他水分子更少受到无线电脉冲的干扰。

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增加新标题- DTI成像显示的脑轴突通路
图4。

DTI成像显示脑轴突通路

源。大卫·纳特,伦敦帝国理工学院。

图4给出了该方法如何提供大脑纤维束的美丽图像的示例。虽然DTI是一种较新的工具,但它开始被用作研究和诊断工具,因为它的测量能够量化,因此可以进行统计比较。

EEG -脑电图-用于测量一系列(通常是32到256个)表面电极的大脑电连通性。
脑电图具有几毫秒的快速时间分辨率,通常根据不同频段范围内的活动进行评估,范围为1-4 hz [delta] 4 -7 hz [theta] 8-14 hz [alpha]和14 -30 hz [beta]8,虽然高频容易受到肌肉电活动的人工干扰,因此不如MEG可靠9.脑电图作为诊断癫痫病灶的工具有很长的记录。它也是评估睡眠不同阶段的重要工具,每个阶段都有清晰而离散的脑电图图。

脑磁图-用于测量大脑中的磁场。
MEG可以评估神经元电流产生的磁场。这些磁探测器被称为squid(超导量子干涉装置),通常102个或更多的探测器被安排在一个可以垂到人头上的罩壳中。MEG的时间分辨率非常快,只有几毫秒。MEG主要可以可靠地测量皮层的活动,但其优点是不像脑电图那样容易受到眨眼和肌肉电位的干扰,这些干扰严重干扰了高频(>30hz)脑电图信号(图5)。MEG可以揭示不同药物治疗后不同大脑区域振荡功率的显著差异(见第3部分这个系列的)。每种药物的这些“脑指纹”类似于人类的指纹,因为不同类型的药物都有独特的特征。它们还有助于解释不同药物产生的主观效应的明显差异。

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*增加新标题- MEG的原理和实际应用。
图5。

MEG的原理和实际应用。

源。大卫·纳特,伦敦帝国理工学院。

PET和MRI技术(目前)的缺点是需要人躺下,而且对一些人来说,把他们的头放在管子里可能会有幽闭恐惧症。MEG和EEG被用于坐姿,这对患者来说可能更舒服,更适合于需要真实世界类型互动的研究,例如在计算机上执行任务。然而,人们已经变得非常聪明地将研究工具应用于平板扫描仪环境,现在有可能让受试者使用投影仪和镜子与视频和计算机互动。一个瑞典小组甚至在PET扫描仪上进行了一项社交互动任务来测量社交焦虑——他们让患者躺着发表演讲。

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