客观日本

【人物】现代功能性磁共振成像之父——小川诚二

2020年11月26日 文化历史

半个多世纪以来,医学和医疗的重大进步之一是可视化技术和影像诊断技术的发展。通过这些技术使得我们可以观测到生物器官的正常活动和由病变引起的现象。虽然测量生物的形态特征的结构成像方法是由X射线计算机断层成像(X-Ray Computed Tomography,简称X-CT)开始的,但是说到对受检者几乎完全无害的方法,相信很多人都会想到磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,简称MRI)。磁共振成像是利用磁力采集人体圆形切片图像,并从解剖学角度观察,用于诊断人体结构的一种技术,也是现代医院常用的影像诊断手段之一。

就像普通的磁共振成像在医院中使用一样,被称为非侵入性测量大脑结构的最佳方法是功能性磁共振成像(functional MRI,简称fMRI)。那么什么是功能性磁共振成像呢?简单地说,它是一种神经影像学技术,这种技术可以让我们在磁共振成像获得的大脑结构之上,实时直观地观测到大脑的哪些区域处于活跃状态。传统上,由于难以直接检测到大脑神经活动中发生的电磁现象,所以用MRI测量脑功能曾被认为是不可能做到的。 但有研究表明,MRI信号中有一小部分会随着脑部生理变化而变化,并且被认为是与脑功能活动相关的信号变化。

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看到建筑物时(蓝色)和回忆起建筑物时(红色)大脑的活跃区域(图片出处:东北福祉大学官网)

功能性磁共振成像是一项非常具有革命性的技术,因为首次提出支撑该项技术的基本原理-血氧浓度相依对比(Blood oxygen-level dependent ,简称BOLD),是时任贝尔实验室(Nokia Bell Labs)生物物理学研究室的研究员小川诚二博士在1990年发现的,由于他的发现为之后的生命科学研究和临床医学应用发展奠定了基础,其成就也被世界广泛认可,他也被称为现代功能性磁共振成像之父。

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小川诚二博士,现为东北福祉大学 特任教授(照片出处:东北福祉大学官网)

小川于1934年出生在日本国东京都台东区。1952年从东京都上野高等学校毕业后考入东京大学工学部应用物理系,并于1957年获得工程学士学位。1957年至1962年他在大日本纺织株式会社(现在的尤尼吉可株式会社 )就职期间,于1957年借调到东京大学工学部,1959年借调到日本放射线大分子研究协会。1962年至1964年他在美国宾夕法尼亚州匹兹堡市的梅隆研究所辐射化学研究室担任研究助理。之后他在1964年进入美国斯坦福大学研究生院,并于1967年获得理学博士学位后,作为博士后研究员留校工作至1968年。从1968年至2001年的三十三年,他一直在AT&T旗下著名的贝尔实验室从事研究工作。

回顾上世纪80年代末,当MRI在医疗领域开始流行的时候,小川也在研究该项技术,当时他在想找出一种不仅能捕捉到大脑的结构,还能捕捉到活动本身的方法。有一天,当他在用MRI拍摄小鼠的脑部图像时,由于小鼠突然出现了缺氧状况,他赶紧让小鼠吸入大量的氧气。 结果在MRI的图像中用于表示血管的黑色细线消失殆尽,几乎完全变成了白色。因为动物发生缺氧时,首先要做的就是设法把更多的氧气送到大脑,而不是送到其他器官,以此来保护大脑功能。面对这个突发状况小川的脑子里蹦出了一个灵感。 他认为这个现象可能与血液中的血红蛋白有关,也就是说当脑部血管中与氧结合的血红蛋白增多时,这种血流的变化改变了磁共振信号的强度。

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左:当神经元处于休眠状态时;右:当神经元处于活跃状态时。(图片出处:日本科学未来馆)

当具有不同磁感度的物体被置于强均匀磁场中,如核磁共振成像中使用的磁场,会在物体内部和周围产生磁场变化和扭曲。这种现象也发生在脑组织中。组织内有庞大的血管网络来供氧,血液从小动脉经毛细血管流向静脉。 血液中的红细胞富含血红蛋白,而血红蛋白是携带氧的。 这种血红蛋白与氧分子结合时具有抗磁性,从毛细血管中释放出氧后就变成顺磁性(脱氧血红蛋白)。因为脱氧血红蛋白有顺磁性,而氧化血红蛋白有抗磁性,所以检测时产生的磁共振信号会有所不同。当神经元处于休眠状态时,脱氧血红蛋白会导致磁场不均匀,磁共振信号相对很弱。 但当神经元活动时,伴随着血流量增加,氧化血红蛋白供应也增多,脱氧血红蛋白的比例随之降低,在含有大量顺磁性的脱氧血红蛋白的静脉血管内和周围会产生轻微的磁场扭曲。这种畸变的存在削弱了该区域的水(质子)信号,而MRI测量的正是水(质子)的这种磁共振现象,小川把这种现象称为BOLD效应,并于1990年,在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上发表了相关论文。此外,他通过研究进一步证明了BOLD信号实际上可以通过测量视觉皮层对光刺激的神经反应,对人脑活动进行非侵入性测量。

fMRI在上世纪90年代末及本世纪初开始迅速在世界范围内普及,已成为人类脑功能成像的主要手段之一。其应用涵盖了医学、神经科学、心理学、社会科学等多个领域。例如在神经科学和心理学领域测量正常受试者大脑活动,以阐明人类高级认知功能。还有在外科手术的术前诊断、神经学和精神病学的诊断等方面也有广泛的应用。

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左:后扣带皮层和楔前叶;右:楔前叶与内侧前额叶皮层之间的功能耦联(照片出处:东北福祉大学官网)
出典:tfu.ac.jp/research/gp2014_01/explanation.html

大约是十年前,研究人员已经证实即使在不处理给定任务(静息状态)时,大脑的fMRI信号也会发生变化,这些变化与大脑的信号处理基础设施密切相关。这种静息状态下的fMRI信号测量比执行给定任务时要容易得多,已被广泛用于脑部疾病诊断的研究中。比如说静息fMRI信号显示健康受试者和患者在一些脑部疾病的特定部位的信号强度差异。阿尔茨海默病(Alzheimer's disease ,简称AD,是一种发病进程缓慢、随着时间不断恶化的神经退化性疾病)的脑成像研究也越来越普及,有研究表明,患者的信号强度比正常人弱(上图左),一些脑区之间的fMRI信号连接(网络)也比正常人弱(上图右)。 即使在自闭症谱系障碍(Autism spectrum disorders,简称ASD,是一种心理状况的谱系障碍)中,也发现患者的大脑区域之间的连接比健康人更弱。

被誉为fMRI基本原理的发现者的小川在2000年当选美国国家医学院(National Academy of Medicine)院士,后于2001年返回日本东京,在滨野生命科学基金会小川脑功能研究所(Hamano Life Science Research Foundation, Ogawa Laboratories For Brain Function Research. )担任所长直至2008年。其间在2003年同时荣获了由国际科技财团(The Japan Prize Foundation)颁发的日本国际奖,以及素有“加拿大的小诺贝尔奖”之称的盖尔德纳国际奖(Canada Gairdner International Award)。除这两项奖项之外,他还荣获了多项国内外大奖,可谓是“功成名就,享誉海内外”,但是他并没有由此放弃在科学道路上的探索。他于2008年开始在东北福祉大学感性福祉研究所担任特聘教授。在2008年由日本文部科学省(相当于教育部和科技部)通过的“私立大学战略研究基础设施形成支持”项目中,在 “利用磁共振的新方法进行先进的脑功能成像研究 "的项目中发挥了核心作用。并且从2014年起的5年中,同样是在由日本文部科学省通过的“建立认知和脑科学证据信息提供平台,为社交和职业能力发展计划做出贡献”的项目中担任主管。

2019年以来,他作为“促进成功老龄化(Successful Aging,简称SA,)的认知变化的神经科学研究”项目负责人,从脑功能和结构指标出发,对常规心理测试无法发现的中老年人的潜在能力和个性特征进行估算。通过向受试者提供估计结果,为受试者提供一个从新的角度了解自己的机会。此外,该项目将根据估算结果,设计出促进成功老龄化或延缓痴呆症发生等异常认知变化的训练方案。 其目标是将项目的成果回报给社会,在缓解老龄化加速带来的负面冲击的同时,塑造一个更加幸福安康的生活环境。

小川在接受采访时说:“纵观医学漫长的历史,当科学技术出现发现和突破时,都会有新的测量方法的发展步伐。然而,一种新的测量方法的诞生,除了少数天才的强烈灵感外,本身就是过去技术和科学的积累。 此外,每种测量方法都有自己的优缺点、优势和劣势。 希望进行更先进的测量技术的研究和开发,同时融合各种测量技术,在各种研究领域有新的发现。”

  功能性磁共振成像是一种非侵入性、高空间分辨率的成像方法,正被用于阐明大脑的功能性活动机制以及AI,医疗和教育等领域,特别是在今后通过7.0T以上的超高场磁共振人体成像系统的使用,将提供更多的细微结构上的功能活动信息,人们对其的期望也将不断增加。

供稿:马佳宥
编辑修改:JST客观日本编辑部

参考文献
1.ノーベル賞候補 小川誠二特任教授
2.磁気共鳴機能画像法(fMRI)の仕組み
3. Functional MRIの 方 法 と そ の 応 用
4.2003年(第19回)日本国際賞受賞者
5.7テスラ-fMRI導入で.-飛躍する脳機能研究

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