成像技术的历史和背景

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文章是2011年的，近年来核磁技术发展迅速，一些内容已经发生变化。

与酒精相关的大脑变化的第一个证据来自结构性脑成像。20世纪60年代末 70年代初，Godfrey Hounsfield因发展了颅脑电脑断层扫描（cranial computerized tomography ，CT）而被授予1979年的诺贝尔生理学或医学奖（Montgomery，1979年）。近来，基于磁共振成像（MRI）（有时称为核磁共振（NMR）成像）的一系列技术得到了发展，并被广泛应用于脑形态（brain morphology）的定量评估中。诺贝尔奖也被授予给一些与MRI相关的发现。这反映了MRI在现代医疗中作为无创伤诊断工具的重要性。这其中包括Otto Stern对某些原子核磁通量（magnetic momentum）的测量（1943年诺贝尔物理学奖）和Isidor I. Rabi测量核磁矩（Nuclear Magnetic Moment）的新方法（1944年诺贝尔物理学奖）。第一次成功的核磁共振实验由两名科学家Felix Bloch和Edward Purcell各自独立于1946年完成。 他们获得了1952年的诺贝尔物理学奖。用MR来可视化不同的结构的方法是基于另外两位诺贝尔奖得主Paul C. Lauterbur和Peter Mansfield的发现。他们获得了2003年诺贝尔生理学或医学奖。

早期MRI研究只能给出病人与健康对照之间脑形态差异的定性描述（qualitative description）。新近发展的基于MR的方法则允许定量描述（quantitative description）大脑结构的个体差异。所有的这些方法都被纳入到大脑的磁共振形态测量的范畴下。

VBM & DBM

现在有多种定量图像分析技术可供使用。最近被广泛使用的技术是基于体素的形态测量（voxel-based morphometry ，VBM）和基于变形的形态测量（deformation-based morphometry）。 在VBM中，脑图像最初被分割成灰质，白质和脑脊液（CSF）。随后这些单独的大脑图像被转换到标准空间。每个3维(3D)图像元素（即体素）被根据其中白质、灰质和脑脊液（CFS）的比例进行分析。基于变形的形态测量方法检测整个大脑的形态变化，将每个体素与标准模板进行比较。由于这些变形中带有大脑结构差异的信息，因此可以对单个体素进行分析，并可用于推断局部差异（Ashburner and Friston, 2000; Gaser et al., 1999）。

DTI/DWI

弥散张量成像或称弥散加权成像（Diffusion tensor magnetic resonance imaging / diffusion‐weighted magnetic resonance imaging ，DTI / DWI）是用于研究在脑细胞（即灰质）之间传递信息的纤维（即白质）的梯度的MRI高级技术（Mukherjee et al., 2008a,b）。这些方法允许在宏观和微观结构水平上研究白质的扩散性质。脑中水扩散的性质被测量以评估白质的完整性（即“部分各向异性（fractional anisotropy）”）和水的平均弥散（称为“平均扩散率（mean diffusivity）”）。这些结构脑成像技术还受到功能成像方法，例如功能磁共振成像（fMRI），磁共振波谱（MRS），正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）的补充。

fMRI

fMRI被广泛应用于脑功能的非侵入性活体研究（Logothetis，2008）。首次使用血氧水平依赖（BOLD）信号的fMRI实验由Ogawa和他的同事（1990）实施。血氧水平依赖fMRI技术测量的是因血氧水平的变化而导致的磁场不均匀性的变化。为评估患者和健康对照者大脑功能间的差异，Ogawa及其同事（1990）开发了在fMRI扫描期间使用的任务（tasks）。这些任务被用于测量感兴趣的情感或认知过程。通过将得到的脑激活模式与控制条件（仅仅控制研究的感兴趣的情感或认知过程的不同）进行比较，可以识别与测量的功能相关的神经元网络。如此一下就可以得出患者同健康对照之间脑功能的可能差异。

MRS

MRS允许无创地测量脑组织中特征性脑代谢（即代谢产物）的局部浓度的变化（Van der Graaf，2010）。Richard Ernst为高分辨率光谱学的发展做出了重要贡献（1991年诺贝尔化学奖）。十数年后，Kurt Wuthrich因开发出一种利用核磁共振光谱法（NMR spectroscopy）确定生物大分子三维结构的方法而获得了诺贝尔化学奖，也因为同样的原因，他还获得了2002年的诺贝尔物理学奖。可以被检测到的著名的分子包括N-乙酰天冬氨酸（NAA）+ N-乙酰基 - 天冬氨酰谷氨酸，含胆碱化合物（Cho），肌酸（Cr）和磷酸肌酸，谷氨酰胺加谷氨酸（Glx），γ-氨基丁酸（GABA）和肌醇（ml）（原文：N-acetylaspartate (NAA) + N-acetyl-aspartyl-glutamate, choline-containing compounds (Cho), creatine (Cr) and phosphocreatine, glutamine plus glutamate (Glx), gamma-aminobutyric acid (GABA), and myoinositol (ml)）。下表提供了不同MRS代谢物的概述，并提供了它们的推定功能。尽管氕（1H）是最常研究的，但其他同位素也可用于MR光谱学研究，如氘（2H），锂-7（7Li），碳-13（t 3 C），氟-19（19 F），磷-31（31 P）和硒-77（77 Se）。

代谢物	功能
N-acetylaspartate (NAA) + N-acetyl-aspartyl-glutamate	神经元密度和功能的标记物
choline-containing compounds (Cho)	由可溶性膜成分衍生而来，反映膜的周转率
creatine (Cr)	一种有机渗透物和星形胶质细胞密度的标记物
myoinositol (ml)	神经元密度和功能的标记物
gamma-aminobutyric acid (GABA)	抑制信号（inhibitory signaling）标记物
glutamine plus glutamate (Glx)	由于谱重叠可能反映兴奋性氨基酸谷氨酸水平过高，因此被作为一种单一组分测量

PET & SPECT

PET和SPECT是核医学定量成像技术，通过测量脑内放射性示踪剂释放的放射性来研究大脑的代谢和生理（Gardner et al., 1992; Wong et al., 2003）。PET和SPECT可用于评估多种生理，生化和药代动力学参数，包括血流量（灌注perfusion），血容量（血管分布vascularity），氧利用率，葡萄糖代谢，突触前和突触后受体密度和亲和性，神经递质释放，以及酶活性。因为几乎所有生物分子都可以用正电子发射体例如碳-11，氮-13和氧-15来标记，所以对于不同参数的测量都是可能的。由于氢本身不具有适合活体使用的同位素，因此通常使用氟-18作为替代。在SPECT中， PET示踪剂以及不常用于人体的放射性核素（如Tc-99m）都可能被试用。虽然SPECT的空间分辨率比起PET要低，但由于它的成本更低而被经常使用。

原文：Mira Bühler, & Mann, K. . (2011). Alcohol and the human brain: a systematic review of different neuroimaging methods. Alcoholism Clinical & Experimental Research, 35(10), 1771-1793.