基于fMRI 的脑活动状态解码方法研究(3)
fMRI 技术就依据于血流的敏感性和血氧水平依赖性(BOLD)对比度增强原理。
所谓血氧水平依赖性是指人脑皮层的微血管中的血氧发生变化时，会引起局部磁
场发生均匀性变化，从而引起核磁共振信号强度的变化。它是含氧和去氧血红蛋
白有差异、神经活动引起的血流有变化、血氧浓度及代谢率有变化的综合机制。
血红蛋白（Hb）是磁敏感的：缺氧的 Hb是顺磁性的，它的出现会扭曲静态磁场，
产生T2 缩短效应。满氧的 Hb是抗磁性的，对质子弛豫没有影响。而当神经元不
兴奋时，缺氧血红蛋白含量增加，T2 加权像信号减低。当神经元兴奋时．电活
动使脑血流量显著增加，同时消耗氧也会增加，但增加幅度比较低。产生的综
合效应是局部血液氧含量增加．而去氧血红蛋白含量降低，对应的 T2 加权像信
号增强。总之，神经元兴奋能使得局部T2加权像增强，反过来就是 T2加权像信
号能放映局部神经元的活动，即 BOLD效应。
1.2.2 血液动力响应学生理机制
虽然神经活动、血流、血氧代谢之间的联系还未被完全了解，但以目前所知
的知识，血流动力学响应过程可以简要的描述如下：首先，当大脑开始执行一项
任务时，一些特定的脑皮层区域的神经活动增加，血氧代谢活动增加，氧和葡萄
糖的使用率也随之增加。在这个阶段，提供养分的毛细血管中的血氧含量减少 （一
些研究小组已经报告过在脑活动开始后的 500-2500ms，MR值会少量的减少） 。随
之，促血管膨胀的化合物的释放率增加。只要神经电活动仍然持续，这些化合物
就不断地进入毛细血管及小动脉，小动脉膨胀，小动脉及周围毛细血管床中的血
流增加，接着毛细血管也膨胀，活动组织的氧供应超过了实际需求，毛细血管中
的血氧含量增加，并通过小静脉排出这些过量的氧，导致脱氧血红蛋白含量的减
少，静脉床的血容量增加。如果增强的神经活动继续，血管和血氧代谢的改变在
1-3分钟后达到平衡。当神经活动返回到基线(baseline)状态后，血流也相继返
回到基线。 总之，BOLD效应满足血流动力响应学，典型的BOLD响应一般滞后于神经活
动 6-9 秒后到达高峰，并且在神经刺激停止后，需要 8-20 秒才能恢复到基线状
态[1]。Friston[2]
等人提出了一种血液动力学响应函数的参数化模型(如图 1．1
所示)，并以此建立 BOLD 效应模型。另一方面，由于血流、血容量、血氧代谢、
血管的空间分布等因素对 BOLD效应的影响，对于不同的个体，BOLD 响应曲线将
不同。而对于同一体，一个特定脑区域的 BOLD 响应曲线随时间改变不会很大，
但不同脑区域的BOLD 响应曲线却不同。 图1.3 血液动力学响应函数模型
1.2.3 功能核磁共振成像特点
(1)数据采集比较迅速，有效地时间分辨率大约为 1秒。成像速度快的优势是：
①精确追踪人脑活动的快速变化．减少被试头部移动等现象导致的成像不精
确等问题；②每一个扫描时段里能进行更多的扫描，采集更多的样本．从而
提高统计检验力和对信号的敏感程度，或者可以在同一扫描时段里进行不同
的任务，执行较为复杂的研究设计。
(2)能够获得较高的空间分辨率，目前可达到 1-2mm 的分辨率，高的空间分辨率
可以增加信号的精确性。
(3)具有无创性，且可以同时得到结构像和功能像，使解剖定位与功能定位的匹
配更精确。
(4)可对单个被试和病人进行重复的研究，且提供了灵活的认知实验模式的设计。
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