1.3 BOLD血流动力学响应

图1.5为BOLD-fMRI信号和大脑功能活动时生物学参数之间的关系示意。BOLD-fMRI的基本思想是，大脑的神经活动会引起磁共振信号强度的改变，因此可以通过测量这些变化，反过来推测大脑活动时人的心理和认知情况。例如，脑认知研究中广泛应用的BOLD对比度增强的基本原理是：在被试受到某种刺激或完成某种认知任务时，受到刺激的神经元簇的活动会加强，引起局部脑血流（rCBF）显著增加，但氧消耗量的增加小于脑血流的增加，这样，血液中脱氧血红蛋白的浓度就会降低。由于脱氧血红蛋白是顺磁性的，所以就导致了横向弛豫时间T2增加，从而在T2加权的功能像上出现BOLD信号。fMRI采集的是四维空间的数据，不仅要考虑起主要调节作用的生化物质的作用，还要考虑时间关系。它能够提供大脑内某一个特定位置上的神经元簇在特定时间段内的活动所引起的局部大脑生理参数变化的信息。

血流动力学响应主要是指神经元被激活后引起的磁共振信号的变化，其源于单位体素内脱氧血红蛋白浓度的降低。血流动力学响应随不同的神经活动而有稍微的差异，但可以肯定的是，神经元放电速率的增加会使血流动力学响应的强度增加，神经活动时间的增加会使血流动力学的线宽增加。fMRI实验主要有两种常用的实验设计，即事件相关实验设计和组块式实验设计，我们将会在1.4节做详细介绍。图1.6是事件相关实验设计和组块式实验设计的血流动力学响应曲线。皮层的神经响应可在刺激开始后几十毫秒的量级发生。但是血流动力学响应来源于脑血流、脑血体积和脑氧代谢率等因素的变化，所以响应时间约为2秒。因此神经活动开始后的2秒会出现脱氧血红蛋白的短暂增加，之后由于运输到激活区域的氧大于摄取的氧，体素内的脱氧血红蛋白降低，BOLD信号在神经激活2秒后开始增加，并在5～6秒达到最大值，这个最大值称为血流动力学响应的极值（peak）。在BOLD信号增加之前，神经激活开始后会立刻出现一个短暂的低信号，称为早期负响应（initial dip）。当刺激继续进行时，极值会继续保持。刺激结束后，BOLD信号会降到低于基线水平一段时间，称为下冲现象（undershoot）。

关于“早期负响应”和“下冲现象”的解释现在仍没有达成统一定论，目前认为其原因主要是血管响应和能量代谢。在刺激刚开始的时候，脑氧代谢率的消耗开始增加，使得脱氧血红蛋白浓度上升，所以在刺激开始后的1秒，会出现BOLD负信号。大约2秒之后，脑血流开始显著增加，远大于脑氧代谢率的增加，所以脱氧血红蛋白浓度降低，出现BOLD正信号。刺激结束后，脑血流和脑氧代谢率恢复到基线水平，但是脑血体积降到基线水平的时间要延迟约30秒，而脑血体积会引起一定程度的脱氧血红蛋白含量增加，所以会出现刺激后的BOLD负信号。不过，关于“下冲现象”还有另一种解释，即认为刺激结束后，虽然脑血流已恢复到基线水平，脑氧代谢率仍处于增加状态，这是导致脱氧血红蛋白浓度降低的原因（Menon et al., 1995;Malonek and Grinvald, 1996; Lu et al., 2004）。