fMRI如同大腦的透視鏡，非侵入地窺探著清醒且活躍的人類大腦。這項技術讓我們對大腦的運作及其與各種行為模式的關系有了更深刻的洞察。雖然fMRI已是人類認知神經(jīng)科學的一項重要進展，它與神經(jīng)科學其他分支的聯(lián)系卻相對薄弱，而這些分支也在各自的領域里各自為政。

從整合的視角出發(fā)，fMRI被視為橋梁，聯(lián)接系統(tǒng)神經(jīng)科學、認知神經(jīng)科學、計算神經(jīng)科學以及臨床神經(jīng)科學。近日，Emily S. Finn, Russell A. Poldrack & James M. Shine三人點評fMRI的利弊，舉例說明其在各神經(jīng)科學子領域的精彩應用。

他們的成果發(fā)表在最新一期的Nature雜志上，名為 “Functional neuroimaging as a catalyst for integrated neuroscience”

隨著對大腦科學興趣的膨脹，我們見證了神經(jīng)系統(tǒng)指揮復雜行為的諸多發(fā)現(xiàn)。然而，神經(jīng)科學眾多分支的孤島現(xiàn)象阻礙了進步。fMRI以其能在全腦層面探查認知與情感，跨越物種界限，被看作聯(lián)結各子領域的橋梁（圖1）。雖然fMRI以間接方式測量神經(jīng)活動，但結合其他技術的優(yōu)勢，有潛力推動神經(jīng)科學的綜合發(fā)展。

圖1. fMRI作為溶解現(xiàn)有神經(jīng)科學網(wǎng)絡中模塊化邊界的綜合催化劑

fMRI的優(yōu)勢和劣勢

fMRI能實時描繪大腦活動圖景，追蹤血流動力學的微妙變化。這一技術利用BOLD信號，捕捉因神經(jīng)元活動增強而提升的血氧供應。這種無創(chuàng)、無輻射的方式讓我們安全地窺見大腦在處理感知、記憶、決策時的功能狀態(tài)，應用不限于認知科學，也是動物研究的寶貴工具。然而，fMRI也有局限，比如BOLD信號是間接探測神經(jīng)元活動的，且響應較慢，解析小結構和不同細胞過程較難。另外，動物研究中的麻醉問題，可能會使跨物種比較復雜（圖2）。

fMRI提供了全腦高分辨率的圖像，是跨學科橋梁的理想選擇。隨著技術的精進，fMRI的局限性正在逐步克服，其在神經(jīng)科學領域的綜合應用前景令人期待。

圖2.與fMRI相關的益處和挑戰(zhàn)

系統(tǒng)神經(jīng)科學中的fMRI

神經(jīng)科學正面臨一個難題：如何將微觀神經(jīng)元的精細活動與宏觀全腦模式橋接起來。一邊是單個神經(jīng)元的精確動作，一邊是整個大腦的宏觀運作，我們尚缺乏鏈接這兩個尺度的方法。盡管全腦fMRI揭示了強大的宏觀網(wǎng)絡，但如何將這些宏觀現(xiàn)象與細胞級事件相對應，仍是未解之謎。新技術的出現(xiàn)，如非侵入式動物腦掃描，為跨物種比較提供了新視角，也許能為這一挑戰(zhàn)提供解決的線索。

認知神經(jīng)科學中的fMRI

借助高場fMRI，我們能洞察大腦微回路與行為表征之間的深層聯(lián)系。層特異性測量揭示了大腦如何篩選信息，這些發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認知理論，還與動物實驗相呼應，拓寬了研究視野。fMRI的進步讓我們在無形中觸摸記憶的編織，解碼價值的估算，甚至是注意力的轉移，這些深刻見解正在重塑我們對認知機制的理解，并在系統(tǒng)、計算及臨床神經(jīng)科學的交匯點上開辟新天地。

計算神經(jīng)科學中的fMRI

神經(jīng)成像讓我們窺見了大腦工作的神秘面紗，但解讀其中的復雜數(shù)據(jù)模式成了新的挑戰(zhàn)。過往，科學家熱衷于“大腦映射”，將大腦區(qū)域與特定的心理功能聯(lián)系起來，雖然這極大豐富了我們對大腦功能的認識，卻未能揭示多腦區(qū)如何協(xié)同產(chǎn)生高級認知功能。如今，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的應用為我們提供了新的研究路徑。這些網(wǎng)絡能模擬大腦解決問題的方式，引領我們從另一個角度理解大腦功能。研究者正在探索這些網(wǎng)絡結構是否能映射到大腦功能，如同構性的發(fā)現(xiàn)使我們對語言處理的理解更進一步。

人腦與人工網(wǎng)絡之間的對比不僅能深化我們對認知產(chǎn)生的理解，還能指導我們構建更精細的模型，開啟解讀認知機制的新篇章。

臨床神經(jīng)科學中的fMRI

fMRI技術曾被寄望于臨床領域的革命性工具，但其在精神神經(jīng)疾病的診療潛能并未完全實現(xiàn)。當前，它在保護手術中關鍵腦區(qū)及輔助精確腦刺激中展現(xiàn)了價值，但這些應用相對局限。挑戰(zhàn)在于，有效的生物標志物在個體水平上的應用受到數(shù)據(jù)不足和變異性的制約。

不過，這并不妨礙fMRI在揭示行為和神經(jīng)機制方面的貢獻，特別是在理解個體差異和疾病演變中。它對大腦多樣性的洞察為認知行為治療提供了新思路，而對幻覺等癥狀的深入理解更加強了臨床與基礎科學之間的聯(lián)系。通過藥理學干預和計算模型，fMRI研究不僅推動了臨床實踐的進步，也為基礎科學的認知、系統(tǒng)和計算領域帶來了新視角。

fMRI未來的路線圖

圖3.通往更綜合的神經(jīng)科學的潛在路徑

本文強調(diào)了fMRI在神經(jīng)科學中的重要作用，盡管它存在一些局限性。fMRI可以作為連接不同學科和領域的橋梁，促進多學科交流，并有望推動跨物種和跨領域的認知研究。通過更好地理解大腦活動與神經(jīng)元記錄的關系，以及多模態(tài)成像的集成，預計將提升我們對大腦功能和行為的理解（圖3）。本文還提及了數(shù)據(jù)共享和科研成果可復制性等實踐，有助于促進整個領域的科學進步。

原文鏈接：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37938706/

參考文獻

Finn ES, Poldrack RA, Shine JM. Functional neuroimaging as a catalyst for integrated neuroscience. Nature. 2023 Nov;623(7986):263-273. doi: 10.1038/s41586-023-06670-9. Epub 2023 Nov 8. PMID: 37938706.

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）






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