分子神经影像学在脑科的应用

　　分子功能影像学的主要应用方向之一是脑功能研究，本文重点介绍了分子功能影像学的定义、方法以及技术难点，介绍了分子功能影像学在脑功能领域的应用价值，神经功能分子影像学将在脑科学领域发挥重要的作用。

　　随着科技的进步和医学影像学的发展，相对于经典影像学（Classical Imaging）的功能影像学（Functional Imaging）及分子影像学（Molecular Imaging）的概念已经逐渐进入当今医学影像学领域，许多专家学者对此进行了探究，并从概念和相应的技术理论上进行了阐述，认为分子影像学在临床医学及分子生物学领域有着极其巨大的应用和开发前景[1]。

　　经典影像显示的是分子改变的终效应，而分子影像学探查疾病过程中的分子异常[2]。分子影像学的进步是多学科综合进步和发展的结果，这些技术是分子成像的理论基础和重要工具，如人类基因组计划而衍生出基因测定分析技术、分子克隆技术、显微装配技术、蛋白芯片技术和计算机技术等。分子影像医学的根本目的在于分子水平或基因水平的治疗，分子医学影像将对现代和未来医学模式产生革命性的影响，影像学界应以积极的姿态迎接分子影像学时代的到来[3]。

　　神经功能分子显像是人类脑计划的重要组成部分，这是因为脑是较难以认识和较为复杂的器官，人类脑计划是继人类基因组计划之后又一国际性科研大计划，其核心内容是神经信息学。神经信息学是利用现代化信息工具，使神经科学家和信息学家能够将脑的结构和功能研究结果联系起来，建立神经信息学数据库和有关神经系统所有数据系统，将不同层次有关脑的研究数据进行检索、比较、分析、整合、建模和仿真，绘制出脑功能、结构和神经网络图谱，从基因到行为各个水平加深人类对大脑的理解，达到“认识脑、保护脑和创造脑”的目标[4]。神经功能分子影像学是在活体状态下了解脑的重要工具。

　　一、功能影像学与分子影像学的定义及特点

　　对功能影像学与分子影像学的定义界限不清，将功能影像学与分子影像学完全融为一体，是否将两者区分开来尚无定论，笔者认为广义上可以笼统称为功能分子影像学（Functional-Molecular Imaging），而狭义上应予以区分。功能影像学在人体器官的解剖形态基础上，更多地反映着相应组织器官的生物学特点，如功能、血流、代谢等。这种影像更接近人体的生命本质，更易准确诊断疾病。可以分为整体水平功能、器官水平功能、组织水平功能和细胞水平功能[5]。功能影像学发展较为迅速，目前的医学影像设备均具有功能影像显像的能力，某些设备也具备了分子成像的能力。

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　　1999年Weissleder将分子影像学可广义定义为在活体内进行细胞和分子水平的生物过程的描述和测量，与经典影像诊学不同，分子影像学是着眼于探测构成疾病基础的分子异常，而不是对由这些分子改变所构成的较终结果进行成像[6]。其突出特点是用影像的手段非侵人性地对活体内的参与生理和病理过程的分子进行定性或定量可视化观察。将目前取得的现代分子生物学研究成果与传统的医学影像技术有机的结合，可望在活体内、在细胞与分子水平对病变的分子改变进行观察和分析，可望在病变的早期或超早期得出诊断。

　　功能分子影像学具有无创伤、实时、活体、特异、精细(分子水平)显像等独特性质[7]。分子影像学发展势头迅猛，国外已经成立了基于分子水平成像的功能分子影像中心，国内众多人事也正在积极推进我国功能分子影像事业的发展。分子影像学是功能影像学的更高级阶段，较后扩展到基因影像学。

　　二、基因影像学与纳米分子影像学：
　　
　　基因显像是借助特定的影像手段对活组织的正常或异常细胞的靶基因进行显影。基因影像学可分为两种，直接基因显像和间接基因显像，直接基因显像即放射性标记的反义寡聚核苷酸(RASON)显像。间接显像也称报告基因显像指将一外源性基因（报告基因）导入细胞内，该报告基因表达特定的产物，如酶、受体蛋白及转运蛋白等，然后利用放射性标记的该基因表达产物的底物或配体进行显像分析。

　　报告基因又可分为以酶为基础的显像和以受体为介导的基础显像。与基因成像相关的技术和专业知识至今尚未得到开发。但人类基因基因组计划对影像诊断学的影响将非常广泛而深入，包括实验研究和临床应用。疾病早期出现的异常分子的确认，检测特异的分子标记物以评价疗效，药物影像学筛检以及基因表达的影像观察是当前重要的应用前景。

　　目前希望基因显像在以下两个领域有所突破：

　　(1)基因转运的成像；

　　(2)基因外基因标记物的成像。

　　基因成像的目的在于基因治疗[8,9]。较近有学者提出了纳米分子影像学的概念，纳米科学与分子影像学的结合形成纳米分子影像学（Nanomolecular imaging）。将纳米分子影像学定义为纳米转运体介导下，对活体体内生物过程应用分子影像学技术进行细胞和分子水平上的定性和定量研究的一门科学。

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　　纳米科技应用于分子影像学的目的就是为了增强分子探针识别特异性靶分子的能力，提高分子显像效果。纳米分子显像主要包括两大系统：纳米转运体－标记分子探针复合物（标记纳米分子探针）与靶分子作用系统和标记分子探针与纳米转运体介导靶分子表达作用系统[10]。

　　基因显像及纳米分子影像学在神经系统领域的应用尚属空白，基因成像和纳米分子影像学是分子影像学更高级阶段和重要组成部分。

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　　三．功能分子成像的技术：

　　1．功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRl)： 依成像原理，fMRI可分为三类：第一类，灌注基础上(Perfusion based)的fMRI，以示踪剂在脑内的时间过程来计算脑血流量。第二类，血流基础上(flow—based)的fMRl，可探查大血管里的血流变化。第三类，磁敏感对照基础上(susceptibility contrast—based)的fMRI，如血氧水平依赖性(blood oxygena—tionleveldependent，BOLD)方法。BOLD是较常用的fMRI技术。其基本成像原理是脱氧血红蛋白是一种顺磁性物质，当大脑活动时脱氧血红蛋白减少，使局部脑组织T2时间延长，信号强度增加，从而获得激活脑区的数据及影像。

　　fMRI除具有非侵人性、无放射性同位素参与以及可任意重复检查等优点外，其显著的优势在于具有很高的空间和时间分辨力，能将解剖和功能图像融为一体，磁共振分子影像学的优势在于它的高分辨率（已达到μm级），同时可获得解剖及生理信息。传统的MR是以物理、生理特性作为成像对比的依据。

　　分子水平的MR成像是建立在上述传统成像技术基础上，以特殊分子作为成像依据，其根本宗旨是将非特异性物理成像转为特异性分子成像，因而其评价疾病的指标更完善，更具特异性。MR分子影像学可在活体完整的微循环下研究病理机制，在基因治疗后表型改变前，评价基因治疗的早期效能，并可提供三维信息，较传统的组织学检查更立体、快速。

　　概括起来，MR在分子影像学的应用主要包括基因表达与基因治疗成像、分子水平定量评价肿瘤血管生成、显微成像、活体细胞及分子水平评价功能性改变等方面[11,12]。

　　MR分子影像学也有其弱点：

　　（1）敏感性较低（μg分子水平），与核医学成像技术的纳克(ng)分子水平相比，低几个数量级。
　　（2）fMR是间接显示大脑的活动，不是反映大脑活动本身。
　　（3）血氧浓度的变化可使激活区定位产生误差。
　　（4）fMR信号难以定量，信号分析上存在不足，成像时间长，难以用于非功能区皮层区的研究[13,14]。

　　2．磁共振波谱成像：外加磁场对电子的作用会引起原子核位置的微小变化，即所谓的“化学位移”，后者使原来具有固定空间的共振原子核所产生的频率发生少许变化，以波谱形式表现出来，即磁共振波谱(magnetic resonance spectrum，MRS)。将MRI提供的空间信息及由MRS提供的化学信息进行复合即得到磁共振波谱成像(MRS imaging，MRSI)。MRS为研究组织代谢和功能的无创性方法，常用的原子核有：31P MRS主要用于能量代谢的研究，1H MRS能检测脂肪、氨基酸、酮体和乳酸等代谢物质。

　　MRS在脑功能研究方面主要应用在以下几个方面：

　　（1）脑内氧化反应的定量分析及神经元死亡的判断。　　
　　（2）对神经元破坏范围的描述和评估。
　　（3）细胞膜的改变。
　　（4）脑病的特征性代谢改变。MRS主要缺点是对磁场的均匀度要求严格，操作费时，空间定位难度大，数据的处理及谱线的分析需进一步探讨[15]。

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　　3．正电子发射计算机断层显像(Positron emission computed tomography，PET)    PET是利用发射正电子的放射性核素进行器官断层显像的设备。它以11C、13N、15O、18F及其许多标记化合物进行脑和心肌血流灌注、氧耗量、葡萄糖、蛋白质和脂肪代谢显像，还能进行神经受体显像。

　　因此，PET是在分子水平上显示活体器官代谢、受体和功能活动的影像技术。PET除可获得图像外，还可借助一定的生理数学模型，求出局部脑葡萄糖代谢率来了解脑的功能。核医学分子影像学，主要是利用微PET（正电子发射断层扫描仪）进行的分子成像技术，它在目前的分子影像学研究中占据着极其重要的地位。很早开始的分子影像学研究就是用PET完成的，如今用微PET进行的单纯胞疹病毒胸苷激酶的分子影像学技术已应用于临床试验中。

　　PET按照放射性分布的十分量进行连续性扫描，根据动力学原理和图像数据，可对活体组织中的生理生化过程作出定量分析，如血流量、能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体密度及其与配体结合的选择性和动力学等。在药理学研究中则可以测试药物对上述生理生化过程的影响。用正电子发射体直接标记药物，观察其在活体中的分布和代谢，或测量生理性刺激及病理学过程中药物分布与代谢的变化，从而对药物剂量、作用部位、可能发生的毒副作用等做出前瞻性判断。还可以判断其代谢反应的类型及产物，观察药物与其他药物的相互作用、药物与营养物质的相互作用、药物与受体的作用、药物与酶的相互作用等[16]。

　　PET分子显像的主要优点为：

　　(1)PET可以动态地获得较快(秒级)的动力学资料，能够对生理和药理过程进行快速显像；
　　(2)PET具有很高的灵敏度，能够测定感兴趣组织中p－摩尔甚至f-摩尔数量级的配体浓度；
　　(3)PET可以十分定量，尽管经常使用半定量方法，但也可以使用十分定量方法测定活体体内生理和药理参数；
　　(4)PET采用示踪量的PET药物(显像剂)，不会产生药理毒副作用”[17]。 但PET也存在着不足，特异性示踪剂不能显示靶分子以外的组织，空间分辨率低，定量分析计算复杂。

　　4．单光子发射计算机断层显像(single Photon emission computed tomography SPECT). SPECT为利用发射Y射线的放射性核素进行器官断层显像的设备。脑功能SPECT显像主要包括局部脑血流(regional cerebral blood flow，rCBF)、脑代谢显像和脑神经受体显像。近几年来，ll1In或123I生长抑制素受体显像剂的研制也取得突破，可进行脑功能和受体研究[18]。

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　　5．光成像技术：光学成像方法较多，主要有弥散光学成像、多光子成像、活体显微镜成像、近红外线荧光成像及表面共聚焦成像等。光学成像较突出的优点有：非离子低能量辐射；高敏感性；可进行连续、实时监测；无创性；价格相对较低。尽管光学成像技术种类繁多，但以近红外线荧光成像技术的研究较为多。应用近红外荧光探针在活体进行的肿瘤组织中蛋白酶表达水平的研究表明，肿瘤的恶性程度和预后与组织蛋白酶表达水平高度相关，进而实现了从分子水平来预测肿瘤侵袭性的高低的设想。

　　以绿色荧光蛋白、虫荧光素酶为标志基因的基因表达显像研究也是重要的光学成像方式，可以用于微小肿瘤病灶的发现以及新药的筛选等。但光学成像技术的穿透力有限，为数毫米到数厘米，目前仅用于小动物模型的研究[19]。

　　6．超声分子影像学是近几年超声医学在分子影像学方面的研究热点。它是利用超声微泡造影剂介导来发现疾病早期在细胞和分子水平的变化，有利于人们更早、更准确地诊断疾病。通过此种方式也可以在患病早期进行基因治疗、药物治疗等，以期在根本上治好疾病。

　　7. 脑磁图(mapetoencephalography，MEG)，是一种通过测量脑磁场信号，对脑功能区进行定位及评价其状态的新技术，具有对人体无侵袭、无损伤等特点，目前已在人脑的功能研究和临床上进行应用。MEG是研究脑磁场信号的脑功能图像技术，记录神经元突触后电位电流所形成的相关脑磁场信号。

　　主要临床应用方面有：

　　(1)颅脑手术前脑功能区和手术靶点定位。
　　(2)癫痫病灶定位。
　　(3)脑功能损害判定。
　　(4)神经精神疾病诊断[20]。

　　四．分子影像学技术的难点[21]：分子影像学不是显微镜下的影像学，而应是整合在解剖背景上的影像学，将分子水平的成像达到可视化的效果。

　　1．分子影像学需要多学科知识应用和支持：分子影像学融合了分子生物化学、数据处理、纳米技术、图像处理等技术。

　　2．分子探针技术的应用。

　　必须开发出具有高亲和力、合理的药代动力学的、高特异性的探针，这些探针可穿透生物代谢屏障，如血管、间叶组织、细胞的膜等结构，同时探针能够有足够的量为探测器所探测病有足够的信息量以影像的形式进行表达，所以生物学中的扩增技术有可能被引入，放大生物效应。分子探针正确定位于靶目标对于检测活体内特殊的分子是重要前提；它们可以是小分子，如受体补体或酶的底物。尽管设计有亲和力的配体看上去很难，但较近的药物技术（重组技术、成分设计、大规模测试、机器人技术、靶分子定位及通过基因组技术对其确认）的进步使其成为可能。

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　　3．敏感的、快速的、高分辨率的影像技术是关键。

　　既然是分子影像学，当然是以影像的显示为目的，利用影像显示的结果进行疾病的状态解读。由于分子探针的微量性，所以所使用的设备必须是敏感的，短半衰期的核素显像设备必须快速，高分辨率是早期发现显像的基础。在技术上另一个问题是这种分子影像必需与解剖影像相结合方才称为医学影像，这种技术不是显微镜下的影像也不是单纯的医学图表。但同时医学解剖影像应是高分辨率的解剖影像或是局部放大的近似于显微的解剖影像。

　　4．成像分子信号放大技术。

　　信号的放大技术可以包含两个方面，一是分子信号的化学和生物放大技术，二是以电子信息技术为基础的电信号或数字信号的放大技术。前者是分子成像的关键技术，后者将是未来生物电信号物理学的发展方向。

　　五．脑科学与脑神经功能分子影像学研究进展：

　　1．脑科学是研究大脑结构和功能的科学。

　　脑科学是一项综合性学科，涉及神经、精神、行为和心理科学等。当代脑科学研究的两大显著特点：一是对脑研究由宏观深入到微观，在细胞与分子水平把功能与结构研究结合起来，研究神经元、突触及神经网络的活动规律；二是对脑的研究已经突破了感觉与运动等的一般生理功能的控制，而把复杂的、高级的精神意识纳入了科学研究的轨道，探索大脑与行为、大脑与思维的关系。脑功能成像是研究脑科学的重要手段和方法[22]。

　　脑功能成像的应用使人们能够从活体和整体水平来研究脑，可以在无创伤条件下了解到人的思维、行为活动时脑的功能活动. 对于脑疾病的功能影像评价，可显示肿瘤边缘的功能区，帮助外科医师确定手术范围。功能影像技术可准确定位癫痫灶，对ALzheimer病和Parkinson病等神经退行性疾病可早期诊断，现已证明能够探测多巴胺细胞的丢失和多巴胺神经递质的活动将脑功能成像技术与细胞、分子生物学技术结合起来，利用动物尤其是非人类灵长类动物，研究脑的损伤与修复、神经退行性病变的病理机制、诊断与治疗效果的追踪等，是将来的重要发展方向[23]。

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　　2．脑功能分子成像的优势：脑功能成像技术具有自身的特色和优势，主要表现在以下方面：

　　①可准确、直观地观察到脑功能活动的部位和范围，与脑磁图(magnetoencephalography，MEG)和脑电图结合后，可更加全面地定位大脑皮质的各功能区；
　　②可在生理状态下，无创地研究人脑的形态结构和功能活动，从而改变了神经生物学的研究结果主要来自动物实验的局面；
　　③可从整体水平上研究脑的功能和形态变化，从而克服了离体组织细胞和分子生物学研究的不足；
　　④使活体分子神经生物学和神经受体研究成为可能，若结合死后组织的研究，可得到更深入的研究结果；　　　　
　　⑤可在同一个体进行多次、重复实验，从而探讨脑功能的时间或年龄变化；
　　⑥可早期、准确地定位脑功能性病灶的部位和占位性病变对脑功能的影响程度，从而为疾病的预防和临床提供更加精确地信息[24]。

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　　3.  功能分子影像学在脑科学领域的作用：具体可有以下几个方面的应用：

　　①在活体生理状态下无创地研究脑的形态结构和脑功能的状况，改变目前主要研究集中在实验室的局面；
　　②从整体水平研究脑功能的状况，改变目前离体研究和孤立研究的局面；
　　③从分子水平探知神经功能，改变目前从大体形态进行判断的局面。

　　4.  脑功能分子成像与脑可塑性研究展[25]：发展起来的神经科学康复医学研究者在长期的临床实践中，发现在脑损伤后，功能是有条件恢复的。

　　1930年，神经康复学家提出脑的可塑性理论，认为脑可以通过学习和训练完成因病损而丧失的功能，但大脑必须具有重新获得功能的形态学基础，1938年Kenman进一步提出脑功能重组理论，认为在脑损伤后，大脑在结构与功能上可以通过重组来承担已经失去的功能。实验证明，经过训练和改变外界环境，通过邻近代偿、失神经过敏、轴突侧支长芽、潜伏通路和突触的启用、行为代偿等可使功能得到恢复，这些都是功能重组的结果。

　　脑的可塑性是指大脑有适应能力，即在结构和功能上有修改自身以适应改变了的现实的能力。经过大量实验和临床研究，大脑可塑性理论已为大多数学者所承认，成为神经康复学的重要理论基础之一。验证大脑可塑性理论的研究方法主要为两种，一是通过动物实验，利用生理学、病理学和分子生物学等手段，在形态学基础上来研究大脑可塑性；二是利用功能神经影像学技术(functional neuroimaging)在功能水平上的研究。

　　功能神经影像学是研究人脑可塑性的有效工具。功能神经影像学技术主要反映神经系统各种“功能”状态。功能神经影像学可以对于大脑内葡萄糖和氧的摄取、脑血流、神经介质的定位、电生理活动和神经细胞与突触的适应进行深入研究，用来发现脑损伤与是否可以康复的关系。在中枢或周围神经损伤后，利用这些技术可以显示出神经系统重组与新的传导路径，能够揭示神经系统的康复和代偿机制。

　　在正常状态下和局部损伤后，使用功能神经影像学技术来检查大脑的运动和认知活动，特别是在与可以提供明确解剖标志的MRI结合时，能够提供大脑内功能图像变化的精确位置分布。目前已经证明，所得到图像可以说明神经细胞新组合的适应性，揭示康复训练成功的机制和失败的原因。

　　功能神经影像学技术可以用于检查神经细胞代谢状态和局部脑血流，这些检查结果在临床上是重要的判断指标，有可能预测损伤和残疾结局。在进行认知活动和运动活动时，通过比较脑外伤患者与正常人的大脑激活结果，治疗师可以选择正确的干预措施，不再实施对患者已经没有效果的治疗手段；同时，这种方法有可能降低为了研究一种新疗法的治疗效果所需要患者的数量。

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　　功能神经影像学还有可能监测植入人脑的替代神经元、产生神经传导的递质、所提供营养因子的效果。例如，在帕金森病患者中，这些技术可以检测接受产生多巴胺细胞移植的活动。在正常人和那些患有局部损伤的患者来执行任务时，由大脑代谢程度来表示认知、感觉和运动功能在大脑内功能重组的程度，使得康复医生可以从脑可塑性方面更好地了解有益于康复的治疗途径，评估物理治疗和药物治疗的效果。近年来，随着一些研究机构引进功能神经影像检查设备．有一些学者开始这方面的工作，但由于技术条件和科研水平的限制，我国目前利用功能神经影像学技术研究大脑可塑性方面大大地落后于国际。

　　今天分子影像学研究的成果，在未来5～10年会对生命科学的各个领域产生直接影响，有助于从分子水平对疾病机制及其特征更好的理解和早期监测，同时还可实现对治疗反应的认识和评估。对肿瘤，能用更特异的参数来提高其诊断的准确性和可靠性，而且在肿瘤患者出现临床症状前即可从分子水平上确定有无癌症。分子影像和基因治疗等新的手段结合，可在分子水平对疗效进行监控和评判，并对体内药物的运输和新药的使用做出更好的筛选。未来十年是脑科学突飞猛进的时期，脑科学借助于先进的分子成像设备将得到迅猛的发展，使人们能更加精确地了解脑，进而创造和保护脑。

作者简介：李天然(1970-)，男，医学硕士，现任南京军区福州总医院医学影像科PET-CT中心主治医师。

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