功能性磁化率定量磁振影像於鼠腦視覺光刺激之研究

Abstract

神經科學家已引入數種評估人類腦部活動的工具。其中，功能性磁振造影（fMRI）因其非侵入性和能將腦部功能對應到解剖結構等特性，成為最受研究者仰賴的工具之一。fMRI技術對大腦活化的血流動力學反應敏感，其取得之結果主要由幅度與相位資訊所組成。迄今，幅度資訊已被深入研究且成為血氧濃度相依（BOLD）fMRI的基礎，但相位資訊則相對地未被重視。本研究中，我們應用了新近發展的fMRI技術，即功能性定量磁化率影像（fQSM），基於相位資訊來評估大鼠腦部受光刺激之活化，並描述腦部的磁化率改變和血氧波動等等。 在光刺激實驗中，動物每0.2秒接受一次閃光以活化視覺路徑，其呼吸氣體包括低濃度(30%)或高濃度(100%)的氧氣，以突顯血氧波動與藉此評估靜脈血氧飽和度（SvO2）。透過fMRI，我們從相位資訊推導出fQSM結果，並與從幅度資訊推導出的BOLD結果進行比較。 從實驗結果，我們發現fQSM有多項特點：一、可行性高。fQSM可經由常用的fMRI程序來獲得。二、信號變化高。光刺激時，於兩種吸入氧氣濃度的條件下，fQSM的信號變化（從相位影像來的磁化率變化）皆是BOLD的信號變化（從幅度影像來的強度變化）的四倍。三、專一性高。從現象學上看，與 BOLD-fMRI產生之活化圖相比，fQSM 產生之活化圖其活化區域更多地局限於視覺路徑。四、非侵入性評估SvO2。透過應用fQSM，我們發現當大鼠呼吸低（高）濃度氧的氣體，在有光刺激時，校正後的SvO2約為84%（88%），而在無光刺激時，校正後的SvO2約為83%（87%）。五、我們還意外發現在峰值上，fQSM的反應比BOLD的反應慢。另外，我們發現fQSM的差異雜訊比(CNR)約是BOLD-fMRI的60%。 因此，與BOLD-fMRI相比， fQSM技術所提供之量化的磁化率資訊，其對外界刺激可展現明顯的反應，並突顯腦部區域的局部反應。此外，靜脈血的定量磁化率值還能更進一步直接轉化為SvO2，這是BOLD-fMRI無法提供的重要生理參數。此外，fQSM反應其峰值模式的代表意義，值得在不久的將來深入探討。就我們所知，本研究是第一個應用fQSM於光刺激的囓齒動物模型研究。我們的發現或可成為小動物fQSM應用的基礎框架。我們相信fQSM技術有潛力研究腦部疾病的機制並評估治療後的恢復情況，有朝一日將可能跟BODL fMRI一樣廣受重視。