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摘要：近30年来，医学影像学技术飞速发展，特别是功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）等新技术的涌现，将神经机制的活体研究进一步深入化，也为运动控制研究提供了一条新的途径。fMRI以其高分辨成像技术适时反应脑神经活动时的功能变化，藉以了解在生命状态下大脑不同区域的主要功能和疾病时的功能改变。运动的中枢控制机制不仅在神经科学基础研究中，在神经病学临床实践中也有重要的意义。文章对功能磁共振的原理以及其在运动控制研究中的应用进行综述。
关键词：功能磁共振成像技术（fMRI）；运动控制；研究进展
中图分类号：R445.2文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）09－0001－02
近30年来，医学影像学技术飞速发展，特别是功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）等新技术的涌现，将神经机制的活体研究进一步深入化，也为运动控制研究提供了一条新的途径。fMRI以其高分辨成像技术适时反应脑神经活动时的功能变化，藉以了解在生命状态下大脑不同区域的主要功能和疾病时的功能改变。这是目前人们所掌握的唯一无侵入、无创伤、可精确定位人脑高级功能的研究手段［1］。运动的中枢控制机制不仅在神经科学基础研究中，而且在神经病学临床实践中也有重要的意义。它可以揭示特定的运动功能区；可以针对性地评估运动皮质损伤程度且能准确定位病灶，有利于手术治疗和后期恢复性训练的开展；可以了解如何提高运动能力及中枢神经系统损伤与功能关系，研发新的治疗手段［2］。本文对功能磁共振的原理以及其在运动控制研究中的应用进行综述。
1fMRI的基本原理
fMRI是磁共振成像最新应用和发展的一项技术，它的主要方法是基于血氧水平依赖（blood oxygen level dependent，BOLD）效应。生物体血液中的氧与血红蛋白结合（氧合血红蛋白）的形式存在。氧合血红蛋白释放氧后形成的脱氧血红蛋白具有顺磁性，可在血管及周边组织中产生局部不均匀磁场。受该局部磁场不均匀性的影响，血管及周边组织中不同水分子的磁共振信号间会发生散相（dephasing），造成所观测到的宏观磁共振信号强度的降低，且脱氧血红蛋白含量越高，信号强度降低的幅度就越大；相反，如果组织中脱氧血红蛋白的含量降低，组织的磁共振信号强度就会上升，这就是BOLD效应的由来。通过测量脑功能活动时脑内血流含氧量变化，观测相应部位神经元活动的变化，故又称为血氧水平依赖功能磁共振成像。BOLD技术由Ogawa等首先提出并验证，实验证实，当人脑在接受感觉刺激或进行活动时，脑部特定区域被激活。通过fMRI的应用，我们已经能够对外界不同的声、光等刺激大脑的功能活动进行实时动态的观察［3～4］。
2运动控制研究的应用进展
2.1功能磁共振与其他技术相结合的应用
随着对运动控制问题阐述水平的迅速提高，所应用的神经成像技术、方法及各种工具的复杂程度也在不断提高。一方面是神经成像技术本身的不断发展，另一方面则是大脑直接刺激与神经成像技术同步记录方法的发展。这些技术的发展为功能磁共振技术的广泛运用提供了前提。目前已经出现了经颅磁刺激－功能磁共振成像同步技术（TMS－fMRI），用来研究大脑回路的功能性和大脑的连通性，证明脑区活动变化的因果性。经颅磁刺激（TMS）的理论基础是短时程的皮层可塑性和长时程的脑内重组，它通过产生感应性电流来激活皮层，从而改变大脑内的生理过程，会影响到头皮脑电图或功能磁共振检测的血液动力学的变化［5］。通过改变TMS的参数可以观测不同的生理和心理效应，能对认知功能和行为表现产生促进或抑制作用。TMS目前被应用于大脑疾病的电磁治疗中和对感觉－运动效应、各种心理学问题的研究中。
这项技术对灵长类动物的研究结果提供了直接的证据，说明额叶眼动区（frontal eye fields，FEF）除了与眼动有关，也是背侧注意网络的一个关键节点［6］。Brandenburg等［7］利用同步TMS－fMRI来检验可能的大脑左、右半球间的远程效应。他们以不同强度的TMS刺激右侧顶叶皮层（parietal cortex，PC），同时给被试的右手腕施以正中神经电刺激（median nerve stimulation），其对应的大脑区域为左侧初级体感皮层（primary somatosensory cortex，SI）。
2.2功能磁共振技术在运动控制研究中的应用进展
Rao等［8］早在1993年对正常人分别采用简单运动、复杂运动、想象复杂运动的不同模式进行研究，粗结果显示简单运动的激活区主要位于对侧初级运动皮质，复杂运动主要位于对侧初级运动皮质、辅助运动区、运动前区皮质想象复杂运动主要激发辅助运动区及运动前区皮质，此结论与传统理论相符。Ullen等［9］进一步研究了在同步、非同步、复合同步运动过程中的大脑皮质激活区，同步协调活动激活右前小脑区和扣带回运动区非同步协调活动激活较广泛，可见额顶颗叶激活，包括辅助运动区、前辅助运动区、双侧顶下小叶、运动前区、颖上回复合同步运动激活区包括同步协调活动激活区，以及小脑后区，认为前辅助运动区和双侧颖上回是复合同步运动的调整节律控制区，而小脑和扣带回运动区和运动前区是手指有序进行运动的控制区。关于眼动力方面，Elie等［10］研究了额部眼动区的解剖学和功能定位，结果显示一个额部眼动区位于额上沟与中央前沟上份基底的交叉部；另一个位于其侧方，靠近中央前回的表面，二者均参与眼动过程。
3功能磁共振技术在运动控制研究中的优势与发展前景
fMRI具有高时间分辨率、高信号保真度、可以无创地多次重复实验，虽然fMRI也有它的局限性——fMRI是对大脑活动的间接测量，因而它无法完全有效地回答有关认知机制的问题。但fMRI不仅能显示脑功能区激活区的部位、大小和范围，而且可直接显示激活区所在确切解剖位置。当然对运动控制的研究是个长期的过程，很多运动控制机理是我们难以想象的。对机体的刺激方法和方式的探索、更高硬件的需求、图象的后处理、可视化都需继续完善。随着影像的硬件与软件的完善，在科研人员的不懈努力下，fMRI将在阐明人脑控制运动方面发挥巨大的作用。
参考文献：
［1］饶恒毅，陈霖.多方式认知功能成像研究进展［J］.生物化学与生物物理进展，2001（6）：806～810.
［2］于薇等.利手和非利手随意运动的全脑功能磁共振成像［J］.中华放射学杂志，2003（5）：402～405.
［3］陈爱国，席嘉辰，殷恒婵，颜军.功能磁共振成像技术及其在运动心理学研究中的应用［J］.中国运动医学杂志，2011（5）：486～490.
［4］冯占辉，晏勇.大脑功能磁共振成像基础研究进展［J］.中国临床解剖学杂志，2005（1）：106～108.
［5］李凌，程识君，雷旭，尧德中.功能磁共振和脑电神经成像技术与大脑刺激相结合的研究进展［J］.生物化学与生物物理进展，2010（11）：1188～1194.
［6］Moore, T. & Armstrong, K. M. Selective gating of visual signals by microstimulation of frontal cortex. Nature 421, 370～373（2003）.
［7］Blankenburg, F. et al. Interhemispheric effect of parietal TMS on somatosensory response confirmed directly with concurrent TMS－fMRI. The Journal of Neuroscience 28,（2008）.
［8］Garg, R., Cecchi, G. A. & Rao, A. R. Full－brain auto－regressive modeling（FARM）using fMRI. Neuroimage 58, 416～441（2011）.
［9］Ullén, F., Forssberg, H. & Ehrsson, H. H. Neural networks for the coordination of the hands in time. Journal of Neurophysiology 89, 1126～1135（2003）.
［10］Lobel, E. et al. Localization of human frontal eye fields: anatomical and functional findings of functional magnetic resonance imaging and intracerebral electrical stimulation. Journal of neurosurgery 95, 804～815（2001）.
（编辑：王昕敏）
关键词：功能磁共振成像技术（fMRI）；运动控制；研究进展
中图分类号：R445.2文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）09－0001－02
近30年来，医学影像学技术飞速发展，特别是功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）等新技术的涌现，将神经机制的活体研究进一步深入化，也为运动控制研究提供了一条新的途径。fMRI以其高分辨成像技术适时反应脑神经活动时的功能变化，藉以了解在生命状态下大脑不同区域的主要功能和疾病时的功能改变。这是目前人们所掌握的唯一无侵入、无创伤、可精确定位人脑高级功能的研究手段［1］。运动的中枢控制机制不仅在神经科学基础研究中，而且在神经病学临床实践中也有重要的意义。它可以揭示特定的运动功能区；可以针对性地评估运动皮质损伤程度且能准确定位病灶，有利于手术治疗和后期恢复性训练的开展；可以了解如何提高运动能力及中枢神经系统损伤与功能关系，研发新的治疗手段［2］。本文对功能磁共振的原理以及其在运动控制研究中的应用进行综述。
1fMRI的基本原理
fMRI是磁共振成像最新应用和发展的一项技术，它的主要方法是基于血氧水平依赖（blood oxygen level dependent，BOLD）效应。生物体血液中的氧与血红蛋白结合（氧合血红蛋白）的形式存在。氧合血红蛋白释放氧后形成的脱氧血红蛋白具有顺磁性，可在血管及周边组织中产生局部不均匀磁场。受该局部磁场不均匀性的影响，血管及周边组织中不同水分子的磁共振信号间会发生散相（dephasing），造成所观测到的宏观磁共振信号强度的降低，且脱氧血红蛋白含量越高，信号强度降低的幅度就越大；相反，如果组织中脱氧血红蛋白的含量降低，组织的磁共振信号强度就会上升，这就是BOLD效应的由来。通过测量脑功能活动时脑内血流含氧量变化，观测相应部位神经元活动的变化，故又称为血氧水平依赖功能磁共振成像。BOLD技术由Ogawa等首先提出并验证，实验证实，当人脑在接受感觉刺激或进行活动时，脑部特定区域被激活。通过fMRI的应用，我们已经能够对外界不同的声、光等刺激大脑的功能活动进行实时动态的观察［3～4］。
2运动控制研究的应用进展
2.1功能磁共振与其他技术相结合的应用
随着对运动控制问题阐述水平的迅速提高，所应用的神经成像技术、方法及各种工具的复杂程度也在不断提高。一方面是神经成像技术本身的不断发展，另一方面则是大脑直接刺激与神经成像技术同步记录方法的发展。这些技术的发展为功能磁共振技术的广泛运用提供了前提。目前已经出现了经颅磁刺激－功能磁共振成像同步技术（TMS－fMRI），用来研究大脑回路的功能性和大脑的连通性，证明脑区活动变化的因果性。经颅磁刺激（TMS）的理论基础是短时程的皮层可塑性和长时程的脑内重组，它通过产生感应性电流来激活皮层，从而改变大脑内的生理过程，会影响到头皮脑电图或功能磁共振检测的血液动力学的变化［5］。通过改变TMS的参数可以观测不同的生理和心理效应，能对认知功能和行为表现产生促进或抑制作用。TMS目前被应用于大脑疾病的电磁治疗中和对感觉－运动效应、各种心理学问题的研究中。
这项技术对灵长类动物的研究结果提供了直接的证据，说明额叶眼动区（frontal eye fields，FEF）除了与眼动有关，也是背侧注意网络的一个关键节点［6］。Brandenburg等［7］利用同步TMS－fMRI来检验可能的大脑左、右半球间的远程效应。他们以不同强度的TMS刺激右侧顶叶皮层（parietal cortex，PC），同时给被试的右手腕施以正中神经电刺激（median nerve stimulation），其对应的大脑区域为左侧初级体感皮层（primary somatosensory cortex，SI）。
2.2功能磁共振技术在运动控制研究中的应用进展
Rao等［8］早在1993年对正常人分别采用简单运动、复杂运动、想象复杂运动的不同模式进行研究，粗结果显示简单运动的激活区主要位于对侧初级运动皮质，复杂运动主要位于对侧初级运动皮质、辅助运动区、运动前区皮质想象复杂运动主要激发辅助运动区及运动前区皮质，此结论与传统理论相符。Ullen等［9］进一步研究了在同步、非同步、复合同步运动过程中的大脑皮质激活区，同步协调活动激活右前小脑区和扣带回运动区非同步协调活动激活较广泛，可见额顶颗叶激活，包括辅助运动区、前辅助运动区、双侧顶下小叶、运动前区、颖上回复合同步运动激活区包括同步协调活动激活区，以及小脑后区，认为前辅助运动区和双侧颖上回是复合同步运动的调整节律控制区，而小脑和扣带回运动区和运动前区是手指有序进行运动的控制区。关于眼动力方面，Elie等［10］研究了额部眼动区的解剖学和功能定位，结果显示一个额部眼动区位于额上沟与中央前沟上份基底的交叉部；另一个位于其侧方，靠近中央前回的表面，二者均参与眼动过程。
3功能磁共振技术在运动控制研究中的优势与发展前景
fMRI具有高时间分辨率、高信号保真度、可以无创地多次重复实验，虽然fMRI也有它的局限性——fMRI是对大脑活动的间接测量，因而它无法完全有效地回答有关认知机制的问题。但fMRI不仅能显示脑功能区激活区的部位、大小和范围，而且可直接显示激活区所在确切解剖位置。当然对运动控制的研究是个长期的过程，很多运动控制机理是我们难以想象的。对机体的刺激方法和方式的探索、更高硬件的需求、图象的后处理、可视化都需继续完善。随着影像的硬件与软件的完善，在科研人员的不懈努力下，fMRI将在阐明人脑控制运动方面发挥巨大的作用。
参考文献：
［1］饶恒毅，陈霖.多方式认知功能成像研究进展［J］.生物化学与生物物理进展，2001（6）：806～810.
［2］于薇等.利手和非利手随意运动的全脑功能磁共振成像［J］.中华放射学杂志，2003（5）：402～405.
［3］陈爱国，席嘉辰，殷恒婵，颜军.功能磁共振成像技术及其在运动心理学研究中的应用［J］.中国运动医学杂志，2011（5）：486～490.
［4］冯占辉，晏勇.大脑功能磁共振成像基础研究进展［J］.中国临床解剖学杂志，2005（1）：106～108.
［5］李凌，程识君，雷旭，尧德中.功能磁共振和脑电神经成像技术与大脑刺激相结合的研究进展［J］.生物化学与生物物理进展，2010（11）：1188～1194.
［6］Moore, T. & Armstrong, K. M. Selective gating of visual signals by microstimulation of frontal cortex. Nature 421, 370～373（2003）.
［7］Blankenburg, F. et al. Interhemispheric effect of parietal TMS on somatosensory response confirmed directly with concurrent TMS－fMRI. The Journal of Neuroscience 28,（2008）.
［8］Garg, R., Cecchi, G. A. & Rao, A. R. Full－brain auto－regressive modeling（FARM）using fMRI. Neuroimage 58, 416～441（2011）.
［9］Ullén, F., Forssberg, H. & Ehrsson, H. H. Neural networks for the coordination of the hands in time. Journal of Neurophysiology 89, 1126～1135（2003）.
［10］Lobel, E. et al. Localization of human frontal eye fields: anatomical and functional findings of functional magnetic resonance imaging and intracerebral electrical stimulation. Journal of neurosurgery 95, 804～815（2001）.
（编辑：王昕敏）