功能磁共振成像（fMRI）是上世纪90年代开始发展起来的，广泛地用于认知科学，甚至心理学的研究，发现了很多脑区对应的心理和认知功能，极大地促进了对人脑各部分功能的理解。科学家就像捡到宝一样，基本上凡是个心理学实验，加上个功能磁共振，就可以出一篇文章。可以说是文章出到胃疼，有超过19000篇文章，从2001年开始，平均每天三篇！到了2007年，平均每天8篇[1]！！
fMRI使用率这么高，影响这么大，却是有问题的！它并不是直接对神经活动成像，而是检测血液的信号，来间接推测的！这种推测建立在神经血管偶联（Neuro-vascular coupling）机制[23]上，脑里面是缺乏储能单元的，所以能量供给需要及时调整。神经元如果几秒钟没有得到能量供应，就会失去兴奋功能，几分钟之内没有能量供应，就呜呼哀哉了。所以脑里面发展了复杂的血液供给调控机制，哪里需要能量，就立即增加血液供给，也就是神经元活动了，血液供给也会增加，形成神经血管偶联。尽管有神经血管偶联机制，但其中涉及的过程极其复杂，其不靠谱主要表现在：
１. 血液动力学（Hemodynamics）的组成复杂。fMRI的信号来源主要是血液动力学变化，受血容量和血液流速，以及血液成分，主要是脱氧血红蛋白含量的影响。这个信号的影响因素多，而且成分复杂，造成信号难以解析。
２. 血流调控机制。神经血管偶联要求血流能够被及时调控，实际上是通过血管的收缩和舒张实现的，主要是在动脉部分，从大动脉到小动脉都有，近几年来，使用电镜甚至发现了毛细血管上都有调控的开关！各个层次的开关调控，造成各个层次的血液成分是不同的。在典型的BOLD fMRI成像中，对脱氧血红蛋白特别敏感，就容易受大静脉的干扰。
３. 神经活动的类型。神经元内部的电势如果没有达到阈值以上，是不会爆发动作电位的，但这种电势涨落仍然要消耗能量。而有研究表明，大部分能量消耗是在局部电势上，而不是动作电位。而动作电位才被认为和行为直接相关，有直接的效应。
４. 动作电位的类型。即使爆发了动作电位，也是有不同类型的。神经元分为抑制性和兴奋性两种，只有兴奋性神经元才认为有正面作用，引发行为等活动。而抑制性神经元的动作电位是降低神经回路的兴奋性的，对行为有抑制作用。已经有研究表明，某些刺激会引起很多抑制性神经元活动，能量消耗增加，血流量也增加[1]。
所以说，功能磁共振成像的信号受这么多因素干扰，是非常“间接”的一种测量方法。而实际上的情况有比上面描述的更为复杂，确实有发现在神经元兴奋的时候，血流反而减少了[4]！所以说，fMRI不靠谱是有道理的！
说了这么多，是在砸很多人的饭碗了！还是要说点好话，功能磁共振成像具有无损的优点，可以用到人身上，而且相对于传统的EEG等，具有高分辨率和三维成像的优点，是目前研究脑功能最合适的方法了。用更准确的话说，是最不坏的方法了。
未来将要发展的所谓的fMRI2.0，将直接测量神经元的活动[7]，不用从血液动力学信号里推测了，这样的话，就能直接提高信号的可靠性了，期待fMRI变得越来越靠谱！
下面是我自己画的图，解释成像原理。
参考资料：
【1】Logothetis, Nikos K. “What We Can Do and What We Cannot Do with fMRI.” Nature 453, no. 7197 (June 12, 2008): 869–878.
【2】Attwell, D., A.M. Buchan, S. Charpak, M. Lauritzen, B.A. MacVicar, and E.A. Newman. “Glial and Neuronal Control of Brain Blood Flow.” Nature 468, no. 7321 (2010): 232–243.
【3】Iadecola, Costantino, and Maiken Nedergaard. “Glial Regulation of the Cerebral Microvasculature.”Nature Neuroscience 10, no. 11 (2007): 1369–1376.
【4】Kleinfeld, D., P. Blinder, P.J. Drew, J.D. Driscoll, A. Muller, P.S. Tsai, and A.Y. Shih. “A Guide to Delineate the Logic of Neurovascular Signaling in the Brain.” Frontiers in Neuroenergetics 3 (2011).
【5】“fMRI: a Tree with Fuzzy Roots.” Nature Methods 9, no. 6 (2012): 517–517.
【6】Heeger, David J., and David Ress. “What Does fMRI Tell Us About Neuronal Activity?” Nature Reviews Neuroscience 3, no. 2 (February 1, 2002): 142–151.
【7】Smith, Kerri. “Brain Imaging: fMRI 2.0.” Nature 484, no. 7392 (April 4, 2012): 24–26.
作者简介
吴景鹏，华中科技大学武汉光电国家实验室
研究方向：生命科学 -> 神经科学、认知科学与心理学 -> 神经生物学
生命科学 -> 遗传学与生物信息学 -> 生物信息学
信息科学 -> 计算机科学 -> 计算机软件
