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1、 磁共振脑功能成像系列讲座磁共振脑功能成像系列讲座脑血流与脑血流与BOLD fMRIHemodynamic Activity&BOLD fMRI306 306 医院医院 MR MR 中心中心暨暨“认知神经科学与学习认知神经科学与学习”国家重点实验室国家重点实验室脑功能成像中心脑功能成像中心金金 真真 Part I Brain Neuron Vessel Hemoglobin脑的脑的外观外观 view of the brainSagital矢状位矢状位（左右）（左右）Axial 轴位轴位 （上下）（上下）Coronal 冠状位冠状位 （前后）（前后）brain大脑大脑的的分叶分叶 cerebra
2、l lobesbrain体积：额叶最大体积：额叶最大,枕叶最小枕叶最小 (代谢最高代谢最高)大脑的分区大脑的分区 Brain areas Brodmann(1909)分为分为52区区 (根据神经细胞的结构划分根据神经细胞的结构划分)分区分区20-200 brain 灰质和白质灰质和白质 Gray&white matterbrain 皮层和神经元皮层和神经元 Cortex&NeuronsNeuron皮质厚约皮质厚约 1.54.5 mm,总面积约总面积约 2200 cm2功能柱：功能柱：直径直径3 300500 um 贯穿皮层的垂直细胞柱贯穿皮层的垂直细胞柱神经元的定义和结构神经元的定义和结构 神
3、经元神经元:神经系统的结构和功能单位神经系统的结构和功能单位 (人脑约有人脑约有1000 亿个亿个)神经元构成神经元构成:细胞体细胞体 (核、质、膜核、质、膜)突起突起 (树突、轴突树突、轴突)Neuron树突树突&轴突轴突(Dendrites&axon)Neuron树突树突:神经元的天线神经元的天线 轴突轴突:传出传出/传出传出神经元间的连接神经元间的连接轴轴-树树(51%),轴轴-棘棘(47%),轴轴-体体,轴轴-轴树轴树-树树,树树-体体,体体-体体,体体-轴轴Neuron 突触突触 synapse构成构成:突触前膜突触前膜(57nm)间隙间隙(2530nm)后膜后膜(5060nm)突触
4、：突触：神经元间的接触点神经元间的接触点（数百上千个/神经元,人脑100trill.)分类分类:化学性传递化学性传递,电传递电传递;兴奋性突触兴奋性突触,抑制性突抑制性突触触线粒体线粒体突触小泡突触小泡突触前膜突触前膜神经介质神经介质神经受体神经受体高等动物点对点高等动物点对点,快快速准确的传递方式速准确的传递方式Neuron 离子通道离子通道 Ion channel NeuronGlu.:Na+NMDA:Ca+GABA:Ch-&K+脑脑血管血管:cerebral vessels vesselv脑重约脑重约1300-14001300-1400克（脑：体克（脑：体1/401/40）v脑血流量脑血
5、流量 80 80ml/min/100gml/min/100g（脑：体脑：体1/51/5）皮层皮层 80 80ml/min/100gml/min/100g；白质白质 21 21ml/min/100gml/min/100g动脉和静脉动脉和静脉 (artery&vein)vessel动脉：动脉：离心方向离心方向,口径粗口径粗-细细,3,3cm-30umcm-30um静脉静脉:回心方向回心方向,Stroke男，男，4646，右肢不利，右肢不利1 1天天Perfusion(stroke)TTPMTTrCBFrCBVMRSCSI毛细血管毛细血管 capillary vessel毛细血管：毛细血管：直径直径
6、5 510 10 umum 300 300 mm/mmm/m3 3 白质白质1000 1000 mm/mmm/m3 3 皮层；皮层；血红蛋白血红蛋白 hemoglobin -4个球蛋白 -每个球蛋白包含一个血红素 -每个血红素中心有一个铁原子(Fe)-每个血红素可以结合一个氧分子(O2)Hb血红蛋白的磁敏感性 Oxyhemoglobin(Hb)Deoxyhemoglobin(dHb)Diamagnetic paramagnetic 氧合血红蛋白磁化率低，具抗磁性(磁场）去氧血红蛋白磁化率高,具顺磁性(磁场）HbLinus Pauling(1901-1994)vAmericanchemistvN
7、obellaureate Hb v.s dHb 20%difference!HbRT Thulborn1T 12T 43T 8 Hb血红蛋白与MR信号 HbBrain The last frontier of 20th centuryPart II BOLD fMRIAngelo Mosso 1890The most widely used fMRI method,to“see”how the brain is working BOLD fMRI Artery VeinArteriolesVenulesCapillary BedNeurons血氧水平依赖对比Blood Oxygenation
8、Level Dependent contrast OxyhemoglobinDeoxyhemoglobin Diamagnetic paramagnetic 氧合血红蛋白磁化率低，具抗磁性去氧血红蛋白磁化率高,具顺磁性Seiji Ogawa1934-v1990discoveredBOLDinBelllab.Hb Hb dHbdHbSESEGEGEGEGE7T7T血流血流 (ca.50ca.50)氧耗氧耗 （ca.5 ca.5）血氧水平血氧水平,顺磁性去氧顺磁性去氧 HB,HB,形成形成局部梯度磁场局部梯度磁场 ,T2*WIT2*WI局局域性域性信号强信号强度度 (BOLDBOLD效应效应)。脑
9、区激活时血流动力学变化脑区激活时血流动力学变化mismatchBOLD fMRI contrast is a complex phenomenon which depends onCMRO2氧耗CBF血流量CBV血容积 脑血流动力学反应曲线脑血流动力学反应曲线LargeandsmallvesselresponseLargevesselcontributions?DoestheratioofnegativetopositiveBOLDcontrastchangewithB0insuchamannerastosuggestmoreofasmallervesselcontributiontothen
10、egativeresponserelativetothepositiveresponse?DIP&Undershoot-2%-0.5%1%5%Hu et al，MRM 37,877-84,1997Early negative BOLD(3-4 sec.)Late positive BOLD(8-9 sec.)ObservedsiteofBOLDeffectSiteofelevatedneuronalactivity“.highlylocalizedtoindividualcorticalcolumns.However,thelatephaseofthevascularresponseisles
11、slocalized,spreadingoverdistancesof3to5millimeters.”Malonek&Grinvald,Science,272,551,1996.BOLD fMRI 信号判读信号判读 Data post-processingSPMAFNI咬肌运动及运动障碍研究咬肌运动及运动障碍研究 BOLD signal size&location BOLD signal size&location BOLD signal locationADHD BOLD signal size BOLD signal negativeM M，1 1，无无小脑畸形小脑畸形 M M，1.71
12、.7，病脑后遗症病脑后遗症ContralteralContralteral Hippocampus(R-Hi)Hippocampus(R-Hi)IpsilateralIpsilateral Hippocampus(L-Hi)Hippocampus(L-Hi)BOLD signal negativeBOLD signal where&when fMRI 进展进展 v Neuronal current MRI(nc MRI)v Lorentz effectv Diffusion fMRI新的成像方法新的成像方法 fMRI Besides BOLD神经（元）电流成像神经（元）电流成像 Neurona
13、l current MRI(nc MRI)DirectmagneticresonancedetectionofneuronalelectricalactivityPetridouN PNAS2006Oct24;103 神经元兴奋 电流 磁场 信号(相位15,幅度5%)Lorentz 力成像力成像 Lorentz effect imagingFinding neuroelectric activity under magnetic-field oscillations(NAMO)with magnetic resonance imaging in vivo Trong-Kha TruongPNA
14、S2006Aug15;103(33):12598-601弥散脑功能成像弥散脑功能成像 Diffusion fMRIDirectandfastdetectionofneuronalactivationinthehumanbrainwithdiffusionMRI.LeBihanPNAS2006May23;103(21):8263-8KeyPoint：“cellswelling”2.4searlierthanBOLDsignalsignalchange1.7%v Resting Stage fMRIv real time fMRIBOLD fMRI 的新方法的新方法 Resting state c
15、orrelation0.550.75ccRLM1S1PSAApSMACMAdPMdPMd:dorsalpremotorCMAd:dorsalcingulatemotorareaM1:primarymotorareaSMA:supplementarymotorareaS1:primarysomato-PSAAp:posteriorparietalsensoryareasomatosensoryassociationarea Right Hand movementEffectiveConnectivity(Task-drivencovariance)2.55.0t“True”Connectivit
16、y(Task-independentcovariance)Pain control taskdeCharms R.C.et.al.PNAS 2005;102:18626-18631Copyright 2005,The National Academy of SciencesControl over brain activation and pain learned by using real-time functional MRIVolumetric analysis of the spatial pattern of learned control over activationConclu
17、sion of BOLD fMRI首选的无创性脑科学研究功能影像学方法具有较高的时间和最好的空间分辨率 信号源于神经元兴奋时毛细血管和小静脉内氧合和脱氧血红蛋白比例的变化信号范围和位置与实际兴奋脑区有差异信号变化有3-6 秒的延迟BOLD fMRIv.s PETv放射性：无 有v空间分辨率：高 低v信号源：血氧水平 葡萄糖代谢率v费用：低 高v重复性：易 难v受体：不能 可以1.BOLD signal=neuron activity?no&yes1.Signal=BOLD effect?yes&no1.large BOLD signal=better brain function?yes&no
18、1.Positive signal=brain maturity?yes&noKey Points.Whatisthemoleculethatcarriesoxygenwithinthebloodstream?Study Questions1.Whatisthemoleculethatcarriesoxygenwithinthebloodstream?2.Whatarethethreecardinalviewsofthebraincalled,andwhatdirectionsdotheyrepresent?3.Whatarethefiveprimarylobesofthebrain?4.Whatarethedifferencesbetweenthemagneticpropertiesofoxygenatedanddeoxygenatedhemoglobin?5.Whatdoestheacronym“BOLD”represent?6.Howlongisthedelaybetweenstimulusonsetandthepeakofthehemodynamicresponseforshortstimulusdurations?Thank you for your attention！