一文了解研究人脑的脑科学技术手段

brain Hands On

Posted by 陈锐CR on April 3, 2021 | 阅读

研究人脑的脑科学技术手段

本文首发在个人博客上(7988888.xyz),此文章中所有链接均通过博客进行访问。

这个清明节没有回家,没什么事情可做,写作、看书、玩游戏,生活总是这么平淡无奇,看着朋友圈的这里堵了,那里堵了,你们的烦恼和快乐,我依然体会不到,也许,行在路上才会有这样的体会吧,前几天,飞哥来广州转机,一起吃鱼,谈到这个话题—飞机机票的随心飞、快乐飞,周末打个“飞的”就可以到另一个城市过周末了,周一还能正常上班。也许是每个人思考 的角度不一样吧,我是很不愿意这样做的,从我个人角度想,虽然旅途的时光很快乐,但是紧张的行程绝对是加倍的身心疲惫,在我目前的工作上,出差占据了我工作的大部分时间,调侃着说,不是在出差的路上,就是在回到住处的路上,在上学的时候,多么羡慕这样的工作,可以“边工作边旅游”,然而事实是,紧密的行程根本没有了游玩的乐趣。

当然,除了生活这些事情,必不可少的就是充实自己了,当静下心来时,我会总结我所学习到的知识和读过的书籍,这个清明节,我利用了闲暇时间正在读汪曾祺的散文集《山河故人》,乐趣其中,同时,我也利用了些时间汇总了在科研的道路上常使用研究人脑的几种脑科学技术方法,但这也不是全部,在文章中我会提到其它技术。在这里,我需要强调一下,这里列明的仅仅是研究人的大脑的技术手段,在脑科学领域,还有很多非常优秀的技术手段在动物的大脑上进行着研究。在我之前写的文章中,所有的技术手段均是针对人的大脑的,动物的研究,我可能也是一个小白,也需要汲取大家的知识能量。

研究人脑的脑科学技术手段

包裹在头骨中的人脑是我们器官中受保护最强的器官。研究人的大脑,必不可少的是认识大脑结构,在此前我也多次分享过大脑的解剖图解,在这里我 再一次分享它,希望它能带给你更清晰的认识。访问链接:https://7988888.xyz/ziyuan/ 在我的个人博客的学习资料的其它列表的第一个《大脑局部解剖图谱》即可获取。

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解剖学方法最大的局限性是只能观察到死亡的大脑而不能得知大脑的运作状态,这就需要现代科学技术实现在被观测者保持清醒状态下的脑活动检测。

目前比较常见的研究手段有计算机断层扫描(CT)正电子发射断层扫描PET)、磁共振成像MRI)功能性核磁共振(fMRI)脑磁图(MEG)功能性近红外光谱技术(fNIRS)脑电图(EEG)等。

在这里我还需要说明一下,以上讨论的是非入侵性式的神经成像的技术方法,侵入式的技术方法也是探测大脑的方法之一,也有很多,比如:皮层脑电图(Electrocorticography,ECOG )、局部场电位阵列(Local Field Potential ,LFP)等,还有用于治疗或是神经调控的技术,比如:脑深部电刺激术(Deep Brain Stimulation, DBS)、经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)、经颅电刺激(transcranial electrical stimulator , tES)等

接下来,我将简要的介绍一下脑科学技术方法:

磁共振成像MRI)
功能性核磁共振(fMRI)
功能性近红外光谱技术(fNIRS)
脑电图(EEG)

这四种技术的简介,可以参考我之前写过的文章《EEG vs MRI vs fMRI vs fNIRS》

计算机断层扫描(Computerized Tomography,CT)

计算机断层扫描(CT)是旧x射线技术的升级版本,强大的 x 射线发射器围绕你旋转,产生各种角度和深度的图片。通过复杂的计算,这些图像被构建成一个三维图像。由于大脑中的白质和灰质拥有不同的密度,所以使用 CT扫描来区分它们是可能的。在扫描中,白质比灰质显得更暗,因为它的密度相对较小,它是有用的病理过程,如肿瘤病变和缠结影响灰质和白质的密度。当然,使用 x 射线也有一些缺点,比如增加患癌症的风险。

如果你还想了解的更详细的成像原理,我推荐参考知乎上《水木看山》专栏的解答,https://zhuanlan.zhihu.com/p/90571757 还有一个对CT和MRI非常有用的公众号《懋式百科全书》,我也是它的学习者,非常受益。可以参考《CT总结》

image-20210403202117560——来自百度图片,仅供参考

正电子发射计算机断层扫描Positron Emission Tomography, PET):

正电子发射计算机断层扫描成像技术是一种功能成像技术,用于医学上观察各种目的的代谢过程,检测肿瘤是最大的一种。它包括向受试者或患者注射附着在生物活性分子(通常是葡萄糖的类似物)上的短寿命放射性物质。大脑组织对活性分子的吸收可以通过测量来自正电子发射的放射性来观察,提供了一个差异代谢活动的测量。它通常与 ct 扫描同时使用,以获得与示踪成像相结合的三维图像。它特别有用于肿瘤检测,因为肿瘤代谢葡萄糖非常不同。同样可以参考《水木看山》的专栏:https://zhuanlan.zhihu.com/p/99246764

脑磁图(Magnetoencephalography ,MEG)

脑磁图测量神经元中产生的电偶极子电荷流动产生的微小磁场。虽然单个神经元的磁场非常小,但是成千上万个神经元的集体磁场可以用非常敏感的磁强计 squid 探测到。脑磁图可以在毫秒级时间尺度上测量神经元活动的变化(相比于fMRI来说,时间分辨率可以说是“秒杀”级别),还可以分辨大脑表面以下的活动(相比于EEG来说,空间分辨率更高) ,使它可以成为实时成像大脑功能的最强大的技术。但是,问题在于为了获得足够低的阻抗,以便它能够捕捉到磁场中的这些微小变化,这些 SQUID 传感器必须冷却到 -276度,这使得它的维护成本很高,在国内高校中,只有几所高校有,像北京大学等。

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——来自 百度图片,仅供参考

除了以上非侵入式的用于研究大脑的技术外,还有侵入式的技术和用于刺激治疗的手段。

皮层脑电图(Electrocorticography,ECOG )

皮层脑电图(ECOG)与EEG类似,但是是直接在大脑皮层进行的,以获得更精细的信号分辨率。头骨必须被打开,硬脑膜必须被打开以放置电极。这种技术手段只有在专业的神经外科手术时才会用到,可以参考之前的文章《皮层脑电图(ECoG)

局部场电位阵列(Local Field Potential ,LFP)

局部场电位(local field potential,LFP)信号代表在记录电极周围少量神经组织中胞外低频电生理信号的总和,概括地反映记录电极附近局部空间内神经元集群突触活动所造成的电场变化。类似的,还有Spikes尖峰电位,推荐查阅这一篇文献:Buzsáki, G. Large-scale recording of neuronal ensembles. Nat Neurosci 7, 446–451 (2004). https://doi.org/10.1038/nn123310.1038/nn1233

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诱发刺激和治疗的技术手段

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)

TMS是Transcranial Magnetic Stimulation 的缩写,即经颅磁刺激技术,该技术是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统(主要是大脑),改变皮层神经细胞的膜电位,使之产生感应电流,影响脑内代谢和神经电活动,从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术。

可以参考视频《TMS简介》《Magstim-TMS的使用》

经颅电刺激(transcranial electrical stimulator , tES)

经颅电刺激是一种非侵入性神经刺激技术,它通过特殊的电极将特定的低强度电流作用于特定脑区,达到调节大脑皮层神经活动的目的。tDCS不是通过阈上刺激引起神经元放电,而是通过调节神经网络的活性而发挥作用。它改变的是影响神经元去极化和超极化的膜静息电位,从而改变神经元的兴奋性。经颅电刺激现在包括三种不同的刺激方式:tDCS恒定直流电刺激、tACS交流电刺激以及tRNS随机电流刺激

  • tDCS – 经颅直流电刺激 transcranial direct current stimulation
  • tACS – 经颅交流电刺激 transcranial alternating current stimulation
  • tRNS –经颅随机噪声刺激 transcranial random noise stimulation
脑深部电刺激术(Deep Brain Stimulation, DBS)

DBS是一种神经外科手术,涉及将电极植入大脑内的特定位置,并从植入的电池电源中提供恒定或间断的电流。它用于临床比较多,作为一种外科手术工具,DBS可以直接测量病理性脑活动,并可以提供可调节的刺激,以治疗与电路功能异常相关的神经和精神疾病。

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——来自网络截图《INC国际神经科学》公众号,仅供参考

最后,除了这些技术外,其实还要算上眼动仪、SPECT以及在动物上使用的 很多技术手段,光遗传学、膜片钳等。

再次分享这个技术方法的图片吧。

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时间和空间分辨率的经典区分图片

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本文作者:陈锐

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