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功能性神經造影

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功能性磁共振造影數據

功能性神經造影是指使用神經造影技術來量測大腦功能，以了解腦區活化與特定認知歷程之間的關係。它主要為認知神經科學、認知心理學、神經心理學和社會神經科學領域的研究工具。

概述

主要的腦功能性造影技術的空間解像度與時間解像度

常見的功能性神經造影方法：

正子斷層造影（PET）、功能性磁共振造影（fMRI）、功能性近紅外光譜（fNIRS ）和功能性超聲波照影（fUS）可以量測與神經活動有關的腦部血流的局部變化。這些變化被稱為活化。當受試者進行特定作業時，活化腦區可能與作業的行為有關，而這可以被應用於神經計算中。例如，比起沒有視覺刺激的作業，有視覺刺激的作業較能引起枕葉的廣泛活化。該區接收來自視網膜的訊號，並被認為是負責視覺功能的腦區。

其他神經造影方法為記錄電流或磁場，例如 腦電圖（EEG） 和 腦磁圖（MEG）。不同方法有各自的優點；例如，以腦磁圖（MEG）量測腦區活化，可得到時間解像度較高（毫秒級別），但空間解像度較低的結果。以功能性磁共振造影（fMRI）量測腦區活化，可得到空間解像度較高，但時間解像度較低的結果[1] 。另外，功能性超聲波照影（fUS) 的時空解像度較好，在臨床前模型使用15MHz的超聲波，空間解像度可達100 微米，時間解像度可達100 毫秒，只是解像度會受到神經血管耦合的限制。

最近，磁粒子造影（MPI）被提出作為一種新敏感的造影技術。腦部血流量的增加可使得功能性磁粒子造影的時間解像度較為充分。進行在齧齒類動物上的第一個臨床前功能性造影試驗已成功證明這一點。 [2]

功能性神經造影主題

研究中使用何種技術主要取決於當前所要解決的問題。不同技術有不同的量測限制。例如，腦磁圖（MEG）和腦電圖（EEG）記錄一群活化的神經細胞的磁場或電流變化。這些方法的時間解像度較高，因此適合量測神經事件的時間進程（以毫秒為單位），但因為空間解像度較低，因此不適合量測事件發生的腦區。 正子斷層造影（PET）和功能性磁共振造影（fMRI） 用於量測神經事件附近的血液成分變化。由於血液變化很慢（大約幾秒鐘），這些方法的時間解像度較低，若用於量測神經事件的時間進程則結果會差得多，通常這些方法用於量測事件發生的腦區位置。

傳統的「活化研究」重點在於確立與特定作業相關的腦部活動的分佈形式。現今，科學家通過研究不同腦區之間的交互作用，以更了解大腦功能，這是因為龐大的神經處理是在好幾個腦區整合而成的網絡中完成的。其中一個神經造影主要的研究領域為空間位置較遠的腦區如何產生功能性聯結。透過功能性聯結分析，可研究在特定的認知作業或動作作業中，又或是休息期間的自發活動中，腦區間的神經交互作用為何。功能性磁共振造影（fMRI）和正電子發射斷層造影（PET） 能夠建立起與時間相關的不同空間分佈下的腦區功能性聯結地圖，即腦區功能性網絡。有幾項神經造影研究發現，盲人在進行盲文閱讀、記憶提取、聽覺定位，以及其他聽覺功能等等非視覺相關的作業時，視覺區後側也可能會活化。[3]

量測腦部功能聯結的直接方式是研究某一腦區的刺激如何影響到其它腦區。這類研究通過結合穿顱磁刺激（TMS）與其它神經造影工具，包括正子斷層造影（PET）、功能性磁共振造影（fMRI）或腦電圖（EEG），以非侵入性的方式在人腦進行。Massimini等人使用腦電圖（EEG）記錄神經訊號從受刺激部位開始傳遞的方式。他們發現在非快速眼動睡眠中，雖然大腦對刺激的反應強烈，但腦區功能性聯結強度卻比清醒時要弱得多。因此，在深度睡眠期間，「腦區間不會相互交談」。[4]

功能性神經造影利用認知神經科學、社會神經科學、其他生物科學（如神經解剖學和神經生理學）、物理學和數學等領域的數據，以進一步開發和完善這些技術。

批判和嚴謹的詮釋

功能性神經造影研究的實驗設計與結果詮釋需非常嚴謹。處理數據時需進行統計分析（通常使用統計參數映射的分析技術），以便能夠區分大腦中不同的活化位置。當某些認知歷程難以概念化或者沒有相對應簡單定義的作業（例如信念和意識），進行數據分析時可能特別困難。

媒體經常引用一些有趣現象的功能性神經造影結果。在一個案例中，一群著名的功能性神經造影研究人員認為有必要給《紐約時報》寫一封信，以回應一篇關於神經政治學的社論對頁文章。[5]他們認為這項研究的一些結果詮釋「在科學上是沒有根據的」。[6]

黑斯廷斯中心於2014年3月發佈了一篇報告，題目為《神經影像詮釋: 技術及其限制的概述》，內容包含由頂尖神經科學家和生物倫理學家撰寫的文章。[7] 該報告簡要解釋了神經造影技術，同時也說明了對它的批評、辯護，以及它的現狀、意義和預期。

參見

參考

  1. ^ Poldrack, R. A.; Sandak, R. Introduction to This Special Issue: The Cognitive Neuroscience of Reading. Scientific Studies of Reading. 2004, 8 (3): 199. S2CID 143368316. doi:10.1207/s1532799xssr0803_1. 
  2. ^ Herb, Konstantin; Mason, Erica; Mattingly, Eli; Mandeville, Joseph; Mandeville, Emiri; Cooley, Clarissa; Wald, Lawrence. Functional MPI (fMPI) of hypercapnia in rodent brain with MPI time-series imaging. International Journal on Magnetic Particle Imaging. 2020, 6 (2/1). doi:10.18416/IJMPI.2020.2009009 （英語）. 
  3. ^ Gougoux, F. D. R.; Zatorre, R. J.; Lassonde, M.; Voss, P.; Lepore, F. A Functional Neuroimaging Study of Sound Localization: Visual Cortex Activity Predicts Performance in Early-Blind Individuals. PLOS Biology. 2005, 3 (2): e27. PMC 544927 可免費查閱. PMID 15678166. doi:10.1371/journal.pbio.0030027.  開放獲取
  4. ^ Massimini, Marcello; Ferrarelli, Fabio; Huber, Reto; Esser, Steve K.; Singh, Harpreet; Tononi, Giulio. Breakdown of cortical effective connectivity during sleep. Science (New York, N.Y.). 2005-09-30, 309 (5744) [2022-11-13]. ISSN 1095-9203. PMID 16195466. doi:10.1126/science.1117256. （原始內容存檔於2022-12-21）. 
  5. ^ Marco Iacoboni et al. (2007). "This Is Your Brain on Politics" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. In: The New York Times 11 November 2007.
  6. ^ Chris Frith et al. (2007). "Politics and the Brain" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. In: The New York Times, 14 November 2007.
  7. ^ Johnston, J., & Parens, E. (2014)."Interpreting Neuroimages: An Introduction to the Technology and Its Limits", The Hastings Center Report, Volume 44, Issue s2, March-April 2014 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.

延伸閱讀

  • Cabeza, R., & Kingstone, K. (eds.) (2006). Handbook of Functional Neuroimaging of Cognition. MIT Press.
  • Cacioppo, J.T., Tassinary, L.G., & Berntson, G. G. (2007). Handbook of Psychophysiology. Cambridge University Press.
  • Hillary, F.G., & DeLuca, J. (2007). Functional Neuroimaging in Clinical Populations.
  • Kanwisher, N., & Duncan, J. (2004). Functional Neuroimaging of Visual Cognition.
  • Silbersweig, D., & Stern, E. (2001). Functional Neuroimaging and Neuropsychology Fundamentals and Practice.
  • Thatcher, R, W. (1994). Functional Neuroimaging: Technical Foundations.

外部連結

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