2022年7月7日，受上海科技大学生物医学工程学院 (上科大生医工学院) 程冰冰教授的邀请，加拿大 Bruce Pike 教授做客上科大生医工线上学术讲座，分享了题为 “Quantitative fMRI: Measuring Brain Physiology in Health and Disease”的精彩报告。此次讲座由上科大生医工学院聚焦超声转化研究实验室主任程冰冰教授主持。
Pike 教授是加拿大 Campus Alberta Innovates Program (CAIP) 主席，卡尔加里大学放射系、临床神经科学系和霍奇基斯脑研究所终身教授。Pike 教授的主要研究领域是磁共振成像技术。他博士毕业于麦吉尔大学，后在斯坦福大学从事博士后研究。1994年 Pike 教授加入麦吉尔大学任教，是麦吉尔大学神经学和神经外科学院的 Killam 冠名杰出教授和生物医学工程学院的 James McGill 冠名杰出教授。1999-2013的14年间，Pike 教授担任蒙特利尔神经学研究所的康奈尔脑成像中心 (McConnel Brain Imaging Centre) 主任。Pike 教授发表了超400篇论文和书籍章节。同时他还是神经成像领域顶级期刊 NeuroImage 的资深编辑、国际医学磁共振学会 (International Society for Magnetic Resonance in Medicine, ISMRM) 的成员，以及多个国家和国际组织的指导委员会委员。
首先，Pike 教授简单介绍了定量磁共振成像 (Quantitative Magnetic Resonance Imaging, quantitative MRI) 的分类和应用，其中着重介绍了定量功能磁共振成像 (Quantitative functional MRI, quantitative fMRI)。
定量磁共振在临床和基础神经科学的应用
随后，Pike 教授介绍了研究定量功能磁共振成像的动机。首先，Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) fMRI 在神经科学中被广泛使用。其次，对于 BOLD 信号一般是进行定性分析，但是人们希望能对 BOLD 信号进行定量分析并且希望能分析出正响应和负响应的具体含义，根据响应的强度得出在不同条件和不同脑区的敏感度，以及得出大脑的瞬时反应。再次，定量 fMRI 可以帮助了解神经激活背后隐含的生理学机制，特别是血流-代谢耦合 (Flow metabolism coupling)。最后，可以使用定量 fMRI 的方法去研究大脑疾病，比如癫痫、中风、阿尔兹海默症等。
研究定量功能磁共振的动机
接下来，Pike 教授对磁共振成像的基本成像原理和成像序列做了介绍。尤其从神经血管耦合、氧气、血红蛋白和磁敏感性的关系以及神经活动与 BOLD 信号的关系方面对功能磁共振的原理做了详细介绍。
神经活动与 BOLD 信号的关系
Pike 教授继续对 BOLD 模型做了详细介绍。介绍了 BOLD 信号与脑血流量 (Cerebral Blood Flow, CBF) 和脑氧代谢率 (Cerebral Metabolic Rate of Oxygen, CMRO2) 的关系。Pike 教授认为，虽然 CBF 和 CMRO2 都与正常的生理活动有关，但二者也有不同：CBF 代表神经血管信号，CMRO2 代表神经能量负荷。
Calibrated fMRI 的 BOLD 模型
在 Pike 教授的研究中，他首先关注的是在健康个体中血流-代谢的关系。使用校准后的 BOLD 方法测定 CBF 和 CMRO2，并对视觉皮层和运动皮层开展了一系列的实验。他首先介绍了一篇他们最先发表的论文。参与实验的个体先观察一张颜色均匀的灰色图片。然后吸入不同浓度的二氧化碳以造成不同程度的血碳酸过多症。之后使用视觉刺激 (不同方向、不同对比度的条纹图片)，随着对比度的增加，血流响应也随之增加。调整对比度，使得血流响应与第一次实验 (Hypercapnia) 的相同。
血碳酸过多症和视觉刺激的 BOLD 响应
两次实验的 CBF 变化曲线很好地吻合了，但是BOLD 信号的响应却完全不同。基于之前的模型，Pike 教授认为，这种不同是由于 CMRO2 导致的。CBF 的升高和 CMRO2 的升高具有较强的线性关系，但 CBF 的增加幅度要比 CMRO2 的增加幅度要大。
Hypercapnia 实验中的 CBF 变化曲线
Pike 教授接着介绍了他的另一项“Hyperoxia 实验”研究，与“Hypercapnia 实验”相反，在这个实验中，受试者被要求吸入高浓度的氧气，使得动脉中的血浆中有大量的溶解氧，血液处于“氧饱和状态”。此实验中得到了与“Hypercapnia 实验”相似的响应。实验中，对视觉皮层和感觉运动皮层进行了研究，并且比较了“Hyperoxia实验”和“Hypercapnia 实验”的结果。结果表明，在视觉皮层中，两次实验结果相差较大。这种差别很有可能与 Grubb relationship 有关。当使用较小的 α值，两次实验的结果能较好地吻合。他认为这是证明静脉血容量测量正确的强有力的独立证据。
实验中不同 α 和不同皮层的 ΔCMRO2/CMRO2, 0 与ΔCBF/CBF0的关系
随后，Pike 教授介绍了 Hyperoxia 的其他应用。包括使用 Hyperoxia 和 Hypoxia 结合动力学模型对瞬时脑血流量 (Cerebral Blood Flow, CBF)、脑血容量 (Cerebral Blood Volume, CBV) 和平均通过时间 (Mean Transit Time, MMT) 进行测量。其测量结果与诸如 PET、SPECT 等核医学手段的测量结果相符。
CBF, CBV 和 MMT 的测量结果
Pike 教授同时还提到了联合Hypercapnia 和 Hypertoxia 校正可以实现对 CMRO2 和氧摄取分数 (Oxygen Extraction Fraction, OEF) 的绝对测量。
接下来，Pike教授介绍了定量磁化率成像 (Quantitative Susceptibility Mapping, QSM)，QSM 可以实现对组织的磁敏感性进行成像。在大血管中，可以测量大血管的磁敏感性，以估计静脉氧饱和度 (Venous oxygen saturation levels) 和局部的氧摄取分数。在微血管中， 可以直接测量脑组织的磁敏感性并且推断出微血管的氧饱和度的变化。
Pike 教授的另一项研究是研究全脑血管舒张对BOLD 信号的影响。同时在运动皮层和视觉皮层做了相关的实验，并且在另一个实验中，控制不同程度的血碳酸过多症 (Hypercapnia) 以改变整体血管舒张状态。实验发现，当全脑血流量增多时，运动皮层和视觉皮层的 BOLD 信号显著下降了，但 CBF 相对没有变化。
全脑血管舒张对 BOLD 信号的影响
Pike 教授还研究了咖啡因对 CBF, OEF 和CMRO2 的影响。实验发现，在静息态时，全脑CBF 显著降低 (28±7%)，OEF 显著增加 (24±14%)；相应地，CMRO2 无变化。当结合咖啡因和视觉刺激时，BOLD 信号与 CBF 值呈负相关。
咖啡因对CBF，OEF 和 CMRO2 的影响
最后，Pike 教授介绍了定量功能磁共振在疾病中的应用。在癫痫 (Epilepsy) 方面，Pike 教授通过实验发现，在完成同一件复杂的运动任务时，癫痫病人和对照组会在对侧产生正的 BOLD 信号，而在同侧产生负的 BOLD 信号。实验中，观察发作期间痫样放电 (Interictal epileptiform discharges) 的响应发现 CBF 和 CMRO2 的关系仍然是存在的。分析中还发现，虽然数据是线性的，但是，在完成运动任务时，对照组的实验个体会在对侧产生更大的正响应。这意味着弥散性皮层高兴奋性 (Diffuse cortical hyperexcitability) 和对更低的活化代谢消耗。
癫痫病人的 BOLD 信号负响应
在脑底异常血管网病 (Moyamoya disease, MMD) 方面，Pike 教授讲到，在 Hypercapnia 条件下，正常个体的灰质的血流量会增加。而 MMD 患者会有大面积的负信号，这意味着大面积的血管盗血 (Vascular steal) 现象。
MMD 病人的 ASL 图像和 BOLD 图像
在完成视觉任务和视觉-运动联合任务时，健康个体和 MMD 患者的整个视觉皮层都能观察到响应。在完成运动任务和视觉-运动联合任务时，健康个体两边的运动皮层都能观察到正常的响应。但是 MMD 患者在完成运动任务时，运动皮层的响应却更低并且是弥散的；在完成视觉-运动联合任务时，MMD 患者的运动皮层的响应几乎消失。这是可能是由于血管盗血导致的。这意味着神经血管不耦合 (Neurovascular uncoupling)。当患者接受血管再生手术后，皮层对 Hypercapnia 和视觉-运动联合任务的响应恢复了。
正常人与 MMD 病人的感觉运动皮层的 BOLD 响应
在报告的最后，Pike 教授强调了两点结论：1) BOLD fMRI 有良好的敏感性和定位力；2) 校准后的功能磁共振成像可以对脑血流动力学和脑代谢进行测量。本次讲座最后，Pike 教授、程教授和听众进行了良好的互动交流。
Pike 教授进行研究总结
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