功能磁振造影
功能磁振造影（參見英文：fMRI）係磁力共振造影嘅一種，能夠一路俾受試者做某啲嘢、一路監察住佢個腦入面嘅帶氧血分佈。喺神經科學上，呢種方法成日會用嚟研究邊個腦區同邊啲認知活動有關，仲可以用嚟發現大規模腦網絡。
功能磁振造影一大特色，就係可以非侵入性噉提供高解像度嘅腦功能數據：呢種造影可以睇到細至毫米尺度嘅差異，唔似得例如腦電圖噉只能提供腦區尺度嘅資訊；同時功能磁振造影又冇入侵性，唔使開刀將量度用嘅架生植入受試者嘅腦內。
由於功能磁振造影咁好用，佢已經成為神經科學同心理學研究嘅重要工具。研究人員可以用呢種技術嚟探討語言、記憶、情緒、決策等複雜心理歷程，背後有咩腦部變化規律。此外醫療上亦會用呢種技術嚟輔助臨床診斷。
運作原理
[編輯]功能磁振造影做嘅，係探測 BOLD 訊號[註 1]，呢種訊號反映腦唔同部份嘅含氧血量：早喺十九世紀九十年代嗰陣，學界已經知道腦入便嘅血流同血液含氧量變化同神經活動有密切關係[1]；當神經元活化嘅時候，該腦區左近嘅血流會增加，含氧血大概喺兩秒後會取代缺氧血，呢股變化會喺四至六秒之間達到高峰，跟住再跌返落原本水平，通常仲會稍微跌低過原先嘅水平[2]。功能磁振造影靠嘅，就係含氧血同缺氧血有唔同特質，對某啲物理變化嘅反應唔同。
功能磁振造影數據，會量度到腦唔同區域嘅 BOLD 訊號。呢度牽涉到空間解像度方面嘅考量，即係講緊造影方法區分相鄰位置嗰時有幾精細：喺實際應用上，研究者會將個腦分做若干粒體素－英文：voxel ：體素係一粒粒細嘅三維長方體，其尺寸受制於切片厚度、切片面積同埋掃描過程加嘅格線；體素愈細，空間解像度就算係愈高[註 2]。以二零二零年代嘅技術睇，體素大至 4 至 5 毫米咁長，而高解像度嘅功能磁振造影體素可以再細啲，去到以毫米下嘅單位計算[3]。
出嘅數據
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功能磁振造影出嘅數據，通常係一大拃時間序列：呢啲研究得出嘅數據集裡便，每位受試者都有若干粒體素，而每位受試者嘅每粒體素都會掕住一條時間序列，顯示該體素嘅 BOLD 訊號點樣隨時間變化；呢啲時間序列嘅取樣率（每次量度之間嘅間距）謂之重複時間[註 3]，喺大部份嘅功能磁振造影研究當中，重複時間會係兩至三秒咁長。一場功能磁振造影研究會有若干個 run，每個 run 都會得到一大列數據，記錄每位受試者每粒體素喺嗰個 run 期間嘅變化[4]。
用表格嚟表示嘅話，可以想像噉嘅樣，當中啲 SGx 係指唔同嘅時間點：
| 受試者 | 邊粒 voxel | SG1 嘅 BOLD | SG2 嘅 BOLD | SG3 嘅 BOLD | 後略好多行... |
|---|---|---|---|---|---|
| 001 | xxx | xxx | xxx | xxx | ... |
| 001 | xxx | xxx | xxx | xxx | ... |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... |
| 002 | xxx | xxx | xxx | xxx | ... |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... |
| 003 | xxx | xxx | xxx | xxx | ... |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... |
呢個表格省略咗幾百萬列咁長嘅數據。
功能磁振造影出嘅原始數據會係超高維度嘅矩陣，假如掃晒成個腦，每位受試者閒閒哋有幾十萬粒體素，而每粒體素又會有幾百個時間點咁多嘅 BOLD 訊號值。就算只得十幾位受試者，數據量都已經極大，難以用普通嘅關係數據庫嚟表達[註 4]。於是，學界就出咗唔少專化軟件同函式庫，負責將功能磁振造影數據圖像化噉騷出嚟，例如 MATLAB 就有呢方面嘅套件[5]。
功能聯結
[編輯]喺實際應用上，研究者分析功能磁振造影數據嗰陣，好多時都係想分析功能聯結嘅情況。功能聯結呢個諗頭，用於研究腦區之間嘅同步活動，可以定義為：
簡單講，如果幾個腦區會一齊參與某種功能，佢哋通常會喺執行呢種功能嘅時候同步噉活化。研究者可以用統計相關同相互資訊等嘅指標，計數嚟衡量唔同區嘅同步程度有幾高－例如各腦區嘅 BOLD 訊號有幾傾向同時升或者同時跌，或者表現出一方升高而另一方下降嘅規律[6]。
做圖像化嗰陣，研究者可以揀靜息態中嘅其中一粒體素或者腦區做參照種子，然後就叫電腦搵出所有同參照種子喺 BOLD 訊號上有統計相關嘅體素，將呢啲體素用有顏色嘅形態顯示出嚟[7]。
數據清理
[編輯]郁手做功能聯結或其他分析之前，研究者實要做一啲事前數據處理先，包括係檢查數據中有冇異常值以及將啲數據置中為零呀噉。富有經驗嘅研究者仲可以用目測嘅方法，快速擸擸啲數據，憑經驗判斷啲數據有冇景轟[8]。
分析功能磁振造影數據，好多時都要喺雜訊嘅問題上大費周章：呢種造影對受試者嘅頭部郁動好敏感，分分鐘受試者斬眼速度稍為快咗少少，已經會對數據造成干擾；因為噉，分析功能磁振造影數據嗰陣，時常要花好多心機嚟應對雜訊，即係諗方法搵出邊啲數據似係受到雜訊影響，同埋要點樣做修正等等。
優同缺點
[編輯]功能磁振造影有佢嘅局限，尤其係因為佢成本高，就出現咗一系列問題，例如受試者數量少，就引起樣本大細同統計功效方面嘅憂慮。但係同時佢又有唔少例如腦電圖冇嘅好處。
優點：
- 功能磁振造影嘅空間解像度高[9]。相比之下，腦電圖頂攏都只係能夠反映腦區層面嘅現象，唔似得功能磁振造影噉能夠探究體素層面嘅現象[10][11]。
- 功能磁振造影能夠探究腦深層區域，例如人腦個海馬體，嘅活動。相比之下，腦電圖只能夠探測到個腦近頭殼嘅地區嘅活動，即係大腦皮層呀噉[12]。
缺點：
- 功能磁振造影成本高昂：喺二零二零年，做腦電圖嘅架生用幾百文美金就買得到；相比之下，做功能磁振造影嘅機，造價閒閒哋幾廿萬美金，租借呢啲機嚟做研究要花費唔少資金[13]；
- 功能磁振造影用嘅架生好掗碇，好多時一部機就大嚿到霸晒成間房[14]；
- 功能磁振造影容易受受試者嘅頭部郁動影響，可能受試者個頭擰咗吓，啲數據就唔要得。噉即係話做功能磁振造影研究嗰陣，研究者往往要固定受試者，而呢點俾好多研究者詬病，話夾硬固定受試者個頭，就搞到佢哋唔舒服，呢點會令佢哋個腦出現唔自然嘅活動[15]
- 喺二零二零年代，功能磁振造影要將受試者韞喺一個狹窄嘅空間裡便，有幽閉恐懼症嘅受試者可能會頂唔順[16]。
應用價值
[編輯]功能磁振造影最常見嘅用法，係幫研究人員了解人腦唔同部份分別負責咩功能[17]。研究者可以搵受試者返實驗室，一路用功能磁振造影量度佢哋嘅腦活動，一路叫佢哋做某啲特定嘅嘢，譬如係叫佢哋講嘢、記憶或者處理視覺資訊等等。原則上，同做緊嗰樣功能有關嘅腦區，內部嘅神經元會變得活躍，繼而引起血液流動同含氧量嘅變化；功能磁振造影可以量度到呢啲變化，從而幫神經科學家繪製腦地圖，標示邊啲腦區負責做邊啲功能。透過呢啲研究，神經科學家能夠逐步建立有關腦功能嘅圖，搵出個腦嘅語言區、聽覺區同計劃未來區... 等等[註 5]。
睇埋
[編輯]引述
[編輯]- ↑ Huettel, Song & McCarthy (2009, p. 168)
- ↑ Huettel, Song & McCarthy (2009, pp. 198–200, 208–211)
- ↑ Sharoh, Daniel; van Mourik, Tim; Bains, Lauren J.; Segaert, Katrien; Weber, Kirsten; Hagoort, Peter; Norris, David G. (15 October 2019). "Laminar specific fMRI reveals directed interactions in distributed networks during language processing". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (42): 21185–21190. Bibcode:2019PNAS..11621185S. doi:10.1073/pnas.1907858116. PMC 6800353. PMID 31570628.
- ↑ Chapter #1: Functional Connectivity Demonstration
- ↑ CONN functional connectivity toolbox
- ↑ 例子可以睇吓呢篇綜述文：Wang, H. E., Bénar, C. G., Quilichini, P. P., Friston, K. J., Jirsa, V. K., and Bernard, C. (2014). A systematic framework for functional connectivity measures. Front. Neurosci. 8:405.
- ↑ Seewoo, B.J., Joos, A.C. and Feindel, K.W., 2021. An analytical workflow for seed-based correlation and independent component analysis in interventional resting-state fMRI studies. Neuroscience research, 165, pp.26-37，佢哋講咗："In SCA, the rs-fMRI timeseries of a predefined brain region is correlated with the timeseries of all other voxels in the brain to obtain a map of the functional connectivity for each subject/imaging session."
- ↑ Chapter #6: Quality Assurance Checks，佢哋呢頁一開頭就講到："... examine the images before and after each step to determine whether everything ran without error..."
- ↑ Kondylis, Efstathios D. (2014). "Detection Of High-Frequency Oscillations By Hybrid Depth Electrodes In Standard Clinical Intracranial EEG Recordings". Frontiers in Neurology. 5: 1–10.
- ↑ Pascual-Marqui, R. D. (1999). Review of methods for solving the EEG inverse problem. International journal of bioelectromagnetism, 1(1), 75-86.
- ↑ Nunez PL, Srinivasan R (1981). Electric fields of the brain: The neurophysics of EEG.
- ↑ Klein, S.; Thorne, B. M. (3 October 2006). Biological psychology. New York, N.Y.: Worth.
- ↑ Vespa, Paul M.; Nenov, Val; Nuwer, Marc R. (1999). "Continuous EEG Monitoring in the Intensive Care Unit: Early Findings and Clinical Efficacy". Journal of Clinical Neurophysiology. 16 (1): 1–13.
- ↑ Schultz, Teal L. (2012). "Technical Tips: MRI Compatible EEG Electrodes: Advantages, Disadvantages, And Financial Feasibility In A Clinical Setting". Neurodiagnostic Journal 52.1: 69–81.
- ↑ O'Regan, S; Faul, S; Marnane, W (2010). "Automatic detection of EEG artifacts arising from head movements". 2010 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology. pp. 6353-6.
- ↑ Murphy, Kieran J.; Brunberg, James A. (1997). "Adult claustrophobia, anxiety and sedation in MRI". Magnetic Resonance Imaging. 15 (1): 51–4.
- ↑ Zhao, L., 2025. Advances in fMRI-Based Brain Function Mapping: A Deep Learning Perspective. Psychoradiology, p.kkaf007.
參考文獻：
- Huettel, S. A.; Song, A. W.; McCarthy, G. (2009), Functional Magnetic Resonance Imaging (第2版), Massachusetts: Sinauer, ISBN 978-0-87893-286-3
