脑成像技术简介
人类对自身大脑结构和奥秘的探索从未停止过，值得兴奋的是，近100年来相关技术取得了突飞猛进的进展，在直接观察大脑结构及其功能方面，一些高分辨率、实时性的动态功能检测设备，起到了关键作用。在疾病的检测和防治中，在疾病靶点定位和手术评估中，在药物药理分子水平进展检测中，这些设备都发挥了重要作用。它们为人类健康以及人类行为的道德评估和判断提供了新的思路和理念方法。
“神经影像”一般指直接或间接观察大脑结构和功能的各种技术的应用。“结构”和“解剖”神经影像限于观察大脑的结构。功能神经影像允许根据所使用的技术，构建用于衡量具有不同程度时间和解剖学分辨率的大脑活动的CT图像。关于功能神经影像的最新技术可用于大脑结构的即时成像。
概括来说，脑成像技术主要包括脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、事件相关电位（ERP）、正电子发射断层成像（PET）、磁共振成像（MRI）、功能性磁共振成像（f MRI）等。[1]这些技术在研究人类认知过程中的脑神经电生理变化，探测示踪性同位素的位置分布，以及脑血流量和血氧饱和度等方面具有较高的时间和空间分辨率。这些无创伤性、无放射性和可重复性的现代技术设备，成为了个体情感、记忆和决策研究，甚至是个体智商、个性以及其他特性的有效的检测和评估工具。
关于结构神经影像的两项主要技术是计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）。CT于1972年被引入，使用X射线和计算机算法来重建脑部图像，CT在很大程度上被具有更优秀空间分辨率的MRI所取代。当质子被放置在强磁场环境中时，MRI通过测量由脑组织原子质子核发射的各种无线电频率的讯号强度来构建大脑的计算机图像。能够观察大脑电子功能的第一项技术是脑电图（EEG），该技术由汉斯·伯格（Hans Berger）于1929年引入。EEG通过放置在头皮上的电极来直接测量“事件相关诱发电位”，大脑内部大量神经元的总电气响应。EEG具有卓越的时间分辨率，能够以毫秒的形式记录发生的大脑活动。与其相关的另一项技术是脑磁图描记术（MEG），该技术可直接测量由神经活动产生的电荷带来的磁场。EEG和MEG都具备优秀的时间分辨率。然而它们的空间分辨率比较差，任一技术都不能精确地定位所测量电信号的源头。
近期发展的功能神经影像技术包括正电子发射断层成像（PET）、单光子发射计算机断层显像（SPECT）和功能性磁共振成像（f MRI）。人们一直认为神经元活性和局部脑血流量（给定任务中血液向脑活跃区域的流动）之间存在着联系。PET、SPECT和f MRI都取决于下面的原理：一旦达到神经元活性的临界值水平，PET、SPECT和f MRI都能够通过记录与脑血流量有关的变量来直接测量局部大脑活性。举例来说，PET和SPECT都需要向血液中注射少量的放射性标记分子即放射性示踪化合物，它们能够在大约30秒左右的时间进入大脑。这些分子既能够吸收葡萄糖的非代谢同族元素（等同于增加了细胞活性），也可以改变部分蛋白质的解剖分布（例如转运蛋白）和特殊的神经元功能（神经递质与其受体的位移）。在PET中，放射性标记分子（例如脱氧葡萄糖）被吸收并在组织中汇集，就像是一种天然的化合物（例如葡萄糖）。放射性标记示踪化合物开始衰变，随后放射出能够被检测和观察到的正电子，从而生成示踪化合物在大脑内的分布图。SPECT不同于PET，因为其使用了能够停留在血液中不被吸收的不同示踪化合物，因此SPECT图像限定在血液流动区域使用。无论是用PET还是SPECT，研究者们推断最适合观察代谢活动的区域是研究任务开展期间大脑最为活跃的部分。相比f MRI等其他方法，PET和SPECT的优势是研究者能够自定义放射性标记化合物来研究大脑内部的某种代谢或药理作用，也可以以特定神经传导系统的功能为研究目标。尽管具有这种优势，但PET和SPECT也存在几种缺点。首先，它们都需要向人体内注射放射性物质，这会产生很大的风险并妨碍后期开展的多项试验，而且在儿童这一特定群体身上不适用。其次，两种方法的时间分辨率较差，大脑活动和测量之间的时间延迟最长可达30分钟。此外两者都属于花费非常昂贵的技术。这些劣势使得研究者们将目光转移到了具有更为优秀功能神经影像技术的f MRI上。f MRI作为使用最广泛的功能神经影像，使所有的其他技术黯然失色。和PET和SPECT一样，f MRI依赖于通过增强脑血流量的办法显示脑内活动的原理。PET和SPECT使用血流和代谢活性中的变量（例如葡萄糖代谢），而f MRI能够测到补充至大脑活跃区域过剩的含氧血。当大脑某个区域的活动增加时，含氧血的浓度也会增加（血液动力反应），而缺氧血的浓度会下降。缺氧血中含有顺磁性的缺氧血红蛋白，它的存在会减弱磁共振信号。当含氧血流向大脑某个区域时（缺氧血浓度下降），会增强磁共振的信号，被称之为血氧水平依赖性（BOLD）反应。研究者将大脑某个区域脑血流量的增加（显示为磁共振信号强度的增加）解释为在该区域大脑活动的增强。f MRI比PET和SPECT具有多种优势，它具有非侵入性，似乎没有什么损害，空间分辨率也更强。尽管时间分辨率不如EEG和MEG（如上所述，EEG和MEG的空间分辨率比较差），f MRI的时间分辨率也好于其他功能神经影像（例如PET和SPECT）采用的间接方法。人们普遍认为f MRI在所有的神经影像技术中是时间和空间分辨率最为平衡的一种。[2]
但是，由于人类大脑神经系统自身的高度复杂性，以及任何单一技术在大脑活动研究过程中的局限性，上述脑成像技术同样不可避免地具有一定优势和不足。例如，计算机断层成像技术（CT）在急性和慢性出血、急性创伤和脑积水方面，具有极高的检测正确率，但也具有一定放射性和对比分辨率低等特性；正电子发射断层成像（PET）在癌症、癫痫、运动和情感障碍以及肿瘤等成像方面，能够进行血流的动力学、化学和功能成像，从而确定量化结构、绝对的生理变量和统一的空间分辨率，从而成为类似阿尔茨海默病等疾病有效的成像工具，但也具有有放射性、成本高、刺激和资料获取时间长、时间分辨率低等局限；磁共振成像（MRI）在探测大脑结构、颈部血管、相对脑灌注和血脑屏障等方面具有较高的空间分辨率、无电离辐射、灰白质对比度高等特性，但操作时间长，可能导致电子设备禁忌和急性出血等问题；功能性磁共振成像（f MRI）在肿瘤、脑皮层萎缩、血肿和灰白质含量的术前成像方面，具有非侵入性、可重复性等优势，可作为个体智力、阅读能力和个性等特征的检测工具，但设备成本较高，需要专业人员进行操作和系统维护等要求。这些技术在各个领域中的优势及不足，决定了其作用发挥方式和自身能力改进的必然趋势。在探测脑的生理和病理方面，单个脑成像技术都具有一定局限性，只能在某一个或某些领域发挥最佳作用。例如，脑电图和脑磁图提供了神经系统网络的电磁生理矢量等信息，它们具有较好的时间分辨率，但空间分辨率和靶点定位的精确性却并不理想。而磁共振成像和功能性磁共振成像技术等，在探测血流量增减等方面的理论基础是神经元与血流量增减紧密相关关系，但这种理论仅仅限于正常大脑，对病变状态中的大脑却并不适用，也就是说，这种理论在大脑病变状态下是不成立的，从而决定了上述技术不可普遍应用的特性。[3]
随着人类对认知行为探索研究的深入，精确的空间定位和最佳的时间分辨率成为复杂变量研究的必然要求，纵向的深度和横向的广度都需要突破性的改进，这在一定程度上成为多种技术走向融合的推动力。