1.1 BOLD现象

人体血液中含有两种血红蛋白分子，一种是与氧结合的含氧血红蛋白（OxyHb），一种是不与氧结合的脱氧血红蛋白（DeoxyHb）。1936年，美国化学家、诺贝尔奖获得者莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）等人对血红蛋白的分子结构进行了系统的研究，通过分离富含含氧血红蛋白的动脉血和既有含氧血红蛋白又有脱氧血红蛋白的静脉血实验（Pauling and Coryell, 1936）发现，含氧血红蛋白分子的磁特性（磁化率为正值）与脱氧血红蛋白的磁特性（磁化率为负值）不同。含氧血红蛋白血红素上由于没有不成对的电子，磁矩为零，表现为抗磁性。与此相反，脱氧血红蛋白血红素上有4个未配对电子，占据高的自旋态，有较强的磁矩，表现为顺磁性。

1982年，英国牛津大学的索伯恩（Thulborn）等人通过实验发现，由于顺磁性物质在磁场中会引起自旋散相，导致横向弛豫时间（T2）衰减，所以对T2敏感的磁共振信号会在含氧的血液中显示高信号，而在脱氧的血液中显示低信号（Thulborn et al., 1982）。他们发现横向弛豫时间的衰减与含氧血红蛋白的比例有关（见图1.1），横向弛豫率（1/T2）随氧含量的升高显著降低，而纵向弛豫率（1/T1）几乎不变。因此血液中氧含量的变化，会产生不同程度的磁共振信号变化。这一信号变化的大小与磁场强度的平方呈正比。在低场情况下（小于0.5T），横向弛豫时间在含氧血和脱氧血两种情况下的差别很小，但是在高场情况下（大于1.5T），这一差别就非常显著。可见，高场条件对于血氧的T2加权成像是非常必要的。这一结果提供了一个用磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）来测量血氧变化的理论基础。

1989年，美国贝尔实验室的小川诚二（Seiji Ogawa）等人首先在7T动物MRI扫描仪上使用大鼠来研究血氧水平的变化对磁共振图像的影响（Ogawa et al., 1990; Ogawa and Lee, 1990）。实验发现，当大鼠呼吸的是100%的纯氧或者一氧化碳气体时，从T2加权梯度回波MRI图像上，可以轻微显示出大脑结构上的差异，不过几乎看不到血管。但是，当这些大鼠呼吸的是正常空气时（21%的氧含量），其大脑结构的差异却变得很明显，并且在垂直于脑皮层的表面可以看到很多细小的黑线出现在静脉血管附近。当呼吸气体的氧含量降到0%时（完全缺氧情况下），这些黑线变得更加突出。这些现象表明，随着血氧水平的变化，MRI的信号也发生改变，其根本原因在于，与氧或者一氧化碳结合的血红蛋白是抗磁性的，而脱氧血红蛋白是顺磁性的，当将抗磁性物质置于外加磁场中时，其对周围磁场的影响很小，而将顺磁性物质置于外加磁场中时，会产生顺磁磁化，将磁化后形成的附加磁场叠加到原磁场上，可导致原磁场发生畸变，使T2减小，进而使MRI信号降低。小川诚二等人将这一现象命名为血氧水平依赖（BOLD）对比度。