你知道磁共振成像的來(lái)歷嗎:一場(chǎng)無(wú)心插柳的杰作
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現(xiàn)在不少醫(yī)院都配備有磁共振成像儀,就是那種形狀像個(gè)大圓筒的白色儀器,人往上一躺,送到圓筒中,過(guò)幾分鐘就能得到身體相應(yīng)部位的三維結(jié)構(gòu)圖。過(guò)去人們耳熟能詳?shù)慕o身體“照相”的技術(shù)是X光片或者CT,這兩者都借助X光的成像原理,具有放射性。而磁共振只是給人體加上磁場(chǎng),無(wú)傷害性地就看見(jiàn)了人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。 要說(shuō)起來(lái),這確實(shí)是門(mén)挺“神”的技術(shù)。X射線能穿透物體,所以能照見(jiàn)“內(nèi)部的東西”,這不難理解,倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之后馬上給妻子的手拍了張“骨感”相片。而磁共振所涉及到的科學(xué)原理在上世紀(jì)初成為研究熱點(diǎn)的時(shí)候,人們根本想都沒(méi)往醫(yī)學(xué)成像上想,它們是純粹的量子力學(xué)研究,目的是推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。誰(shuí)也沒(méi)料到,這些知識(shí)在世紀(jì)末為醫(yī)學(xué)和心理學(xué)帶來(lái)了一項(xiàng)劃時(shí)代的技術(shù)。 量子力學(xué)研究的是微觀粒子中的物理學(xué),用不專(zhuān)業(yè)的詞兒來(lái)說(shuō),就是研究中子啊、質(zhì)子啊、電子啊這些小到快沒(méi)有了的玩意兒是怎么運(yùn)動(dòng)和相互作用的。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn),這些微觀粒子都具有一種叫做“自旋”的性質(zhì),就好像它們永遠(yuǎn)在繞著自身旋轉(zhuǎn),像地球自轉(zhuǎn)一樣。其中質(zhì)子是帶正電荷的,而帶電物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)在遇到別的磁場(chǎng)時(shí)就會(huì)發(fā)生力的作用,作用力會(huì)導(dǎo)致自旋所圍繞的那根軸也開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。 這個(gè)過(guò)程可以和我們玩陀螺時(shí)遇到的現(xiàn)象進(jìn)行類(lèi)比:當(dāng)鞭子把陀螺抽起來(lái)的時(shí)候,陀螺是筆直旋轉(zhuǎn)的,中間那根軸固定在豎直方向上。這時(shí)如果輕輕推一下那根軸,陀螺不會(huì)馬上倒下,而是繼續(xù)旋轉(zhuǎn),并且中間那根軸也跟著轉(zhuǎn)起來(lái)。自旋的質(zhì)子遇到磁場(chǎng),就像陀螺被推了一下,不同之處在于陀螺最終會(huì)倒下,而只要質(zhì)子周?chē)拇艌?chǎng)保持不變,質(zhì)子的“軸”就會(huì)圍繞著磁場(chǎng)的方向一直旋轉(zhuǎn)下去。這個(gè)現(xiàn)象在量子物理中有個(gè)專(zhuān)門(mén)的名詞,叫做“拉莫爾進(jìn)動(dòng)”。 上世紀(jì)三十年代末,物理學(xué)家們想研究質(zhì)子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)都有些什么規(guī)律。他們把一些質(zhì)子放進(jìn)一個(gè)均勻的磁場(chǎng)當(dāng)中,不出所料觀察到了進(jìn)動(dòng)的產(chǎn)生。然后他們又對(duì)著容器發(fā)射電磁波,結(jié)果電磁波的能量被吸收了;過(guò)了一會(huì)兒,這個(gè)能量又從容器中被釋放了出來(lái)。他們最后證明電磁波的能量是被進(jìn)動(dòng)著的質(zhì)子給吸收了。根據(jù)量子物理的理論,質(zhì)子吸收能量之后會(huì)發(fā)生躍遷,也就是從一種進(jìn)動(dòng)狀態(tài)變成另一種進(jìn)動(dòng)狀態(tài)。但是高能的狀態(tài)不穩(wěn)定,質(zhì)子過(guò)了一段時(shí)間又會(huì)把能量釋放出來(lái),變回原來(lái)的狀態(tài),因此就出現(xiàn)了上述觀測(cè)到的現(xiàn)象。 怎么樣,到此為止,全是純粹的物理學(xué),你看出一點(diǎn)兒可以用來(lái)給人體照相的端倪來(lái)了嗎?似乎還沒(méi)有。可缺少的只是關(guān)鍵的一句話:氫原子核就是一個(gè)質(zhì)子,水分子中有兩個(gè)氫原子,而人體中不均勻地分布著很多很多水分子。這句話說(shuō)明,人體中有大量質(zhì)子以不均勻的密度分布著。那么,把人推入一個(gè)大磁場(chǎng),人體中的氫原子核們——也就是質(zhì)子們——就集體發(fā)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)。這時(shí)向各個(gè)部位發(fā)射電磁波,由于質(zhì)子的密度不同,它們吸收然后放出能量的時(shí)間間隔也就不同。如果我們把發(fā)射電磁波的目標(biāo)部位看作一個(gè)個(gè)像素點(diǎn),用上述時(shí)間間隔的長(zhǎng)短來(lái)作為像素的深淺程度,就得到了一幅“質(zhì)子密度圖”。正如黑白照片靠像素的深淺顯現(xiàn)出風(fēng)景,“質(zhì)子密度圖”就靠質(zhì)子密度的高低顯現(xiàn)出人體內(nèi)的結(jié)構(gòu)。 也許你得花點(diǎn)時(shí)間仔細(xì)琢磨琢磨這其中的邏輯,量子力學(xué)就是以這么“詭異”的方式為我們貢獻(xiàn)了當(dāng)代醫(yī)學(xué)影像的前沿技術(shù)。 但詭異的故事還沒(méi)完呢。磁共振成像照出的只是人體結(jié)構(gòu),你也許還聽(tīng)說(shuō)過(guò)一個(gè)詞叫“功能性磁共振成像”,后者可以讀出人腦的活動(dòng)。說(shuō)得玄乎點(diǎn),它能幫助我們窺探意識(shí)的奧秘。它在磁共振成像的基礎(chǔ)上向前又邁了一步,但這一步所借助的知識(shí),其風(fēng)馬牛不相及的程度比之量子力學(xué)有增無(wú)減。 這次無(wú)心插柳的是研究血液循環(huán)的生理學(xué)家。在上世紀(jì)五十年代之前,有個(gè)問(wèn)題人們一直沒(méi)有搞明白:人吸進(jìn)鼻子的氧氣去了哪里?氧氣并不是在肺里兜一圈就都呼出來(lái),沒(méi)出來(lái)的那部分從肺泡進(jìn)入了血管里。血管是人體里密密麻麻的枝杈,新鮮養(yǎng)分順著這些枝杈被送到各個(gè)組織,氧氣就是養(yǎng)分之一。可氧氣是怎么送過(guò)去的呢?血管可不是個(gè)空管子,里面填滿了紅紅的液體?!把鯕馊芙庠谘豪铩?,有人說(shuō)。唔,不對(duì)。只有很少很少的氧氣能溶在血液里,大部分是靠紅血球送過(guò)去的。紅血球是什么?就是讓血液呈現(xiàn)紅色的那個(gè)東西。把一滴血放到顯微鏡下,你會(huì)看見(jiàn)無(wú)數(shù)小圓餅,它們?cè)跓艄庀挛⑽⑼该?,邊緣有一圈淡淡的紅光?!跋駜擅姘嫉臒灐?,教科書(shū)上說(shuō)。那這燒餅為什么能抓住氧氣?關(guān)鍵的地方來(lái)了:因?yàn)闊灷锩娴摹梆W兒”,就是泛出紅光的那些東西。 “餡兒”的學(xué)名叫血紅蛋白,是一種結(jié)構(gòu)很復(fù)雜的大分子,人們直到上世紀(jì)中期才弄明白它的結(jié)構(gòu)。如果要粗略地描述一下它長(zhǎng)什么樣兒,可以先想象很多氫原子和碳原子串在一起組成一條長(zhǎng)鏈,然后把長(zhǎng)鏈緊緊地纏起來(lái)變成線團(tuán),四個(gè)這樣的線團(tuán)粘在一起就成了血紅蛋白的大模樣。最后在每個(gè)線團(tuán)的中央放上一顆二價(jià)鐵離子,就可以吸引氧氣過(guò)來(lái)結(jié)合了。氧氣“落入”線團(tuán)之后,二價(jià)鐵離子會(huì)被氧化成三價(jià),三價(jià)鐵離子看上去是紅色的。這就是為啥動(dòng)脈血是鮮紅色而靜脈血是暗紅色的,因?yàn)閯?dòng)脈血攜帶的氧氣多。 好了,至此我們才略為完整地回答了最初的問(wèn)題:人吸進(jìn)鼻子的氧氣去了哪里?氧氣進(jìn)到肺里,穿過(guò)肺泡里的血管壁進(jìn)到血液里,再穿過(guò)紅血球表面進(jìn)到血紅蛋白上有鐵離子的位置固定下來(lái)。紅血球隨著血液流向各個(gè)身體器官,氧氣在各個(gè)毛細(xì)血管的末梢處脫離血紅蛋白,重新被釋放出來(lái),最終進(jìn)到各個(gè)器官里。 好了,到目前為止,全是純粹的生理學(xué)和分子生物學(xué),這和大腦的活動(dòng)有啥關(guān)系呢?請(qǐng)君耐心再讀下去,現(xiàn)代交叉學(xué)科的迷人魅力就在此處了。 現(xiàn)在我們知道了血紅蛋白中有鐵離子,而鐵元素恰好是一種可以被磁化的物質(zhì)。就像被磁鐵磁化的小釘子可以吸引普通釘子,當(dāng)人被推進(jìn)磁場(chǎng),血液中的鐵離子也被磁化,在鐵離子周?chē)托纬闪艘粋€(gè)局部的新磁場(chǎng)。前邊我們說(shuō),人體中的質(zhì)子會(huì)在磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng),現(xiàn)在我們把血液的影響考慮進(jìn)去。當(dāng)血液流過(guò)人體器官的時(shí)候,血液中的鐵離子產(chǎn)生的局部磁場(chǎng)和外界磁場(chǎng)疊加起來(lái),對(duì)它附近的質(zhì)子產(chǎn)生影響。這不會(huì)破壞顯現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)的“質(zhì)子密度圖”,因?yàn)槊?xì)血管密布全身,鐵離子的分布是相對(duì)均勻的,對(duì)質(zhì)子的影響也相對(duì)均勻(所以在磁共振成像的原理中不考慮血流也不妨礙理解)。 既然鐵離子的存在對(duì)顯現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響,那把它考慮進(jìn)來(lái)干嘛?答案是測(cè)量血液中含氧量的變化。前邊說(shuō)過(guò),結(jié)合了氧氣的鐵離子是三價(jià),未結(jié)合的是二價(jià)。價(jià)位不同的鐵離子被磁化后產(chǎn)生的局部磁場(chǎng)不同,對(duì)附近質(zhì)子的影響也不同。那么含氧量的變化就可以從質(zhì)子受影響的程度上間接探測(cè)出來(lái)。 含氧量變化對(duì)窺測(cè)大腦活動(dòng)特別有用,因?yàn)槟X細(xì)胞活躍的時(shí)候大量耗氧,要靠血液來(lái)補(bǔ)給。當(dāng)大腦的某個(gè)部位活躍起來(lái),該處的血液中含氧量先是下降,緊接著就有大量的“新血”補(bǔ)充進(jìn)來(lái),導(dǎo)致總含氧量反而上升。那么通過(guò)比對(duì)含氧量的變化,我們就能找到大腦活躍的部位在哪里。 磁共振和功能性磁共振分別為醫(yī)學(xué)和心理學(xué)做出了卓越的貢獻(xiàn)。有了無(wú)傷害觀察人體結(jié)構(gòu)的方法,醫(yī)生們可以通過(guò)磁共振圖譜來(lái)定位腫瘤和身體的器質(zhì)性病變;有了無(wú)傷害觀察大腦活動(dòng)的方法,心理學(xué)家們終于能把哲學(xué)高度的認(rèn)知理論和腳踏實(shí)地的神經(jīng)科學(xué)結(jié)合起來(lái),邁上為意識(shí)尋找生理機(jī)制的新征程。 這兩個(gè)最好不過(guò)的例子告訴我們,沒(méi)有無(wú)用的知識(shí),只有還沒(méi)派上用場(chǎng)的知識(shí)。人們往往沒(méi)有耐心去了解那些看起來(lái)很“無(wú)聊”的知識(shí)——既然用不上,何必為那些細(xì)枝末節(jié)浪費(fèi)時(shí)間??伤麄兒雎粤酥R(shí)之間的相互聯(lián)系:一種知識(shí)并不是為了回答某個(gè)單一的問(wèn)題而存在的。知識(shí)是關(guān)于世間萬(wàn)物的信息,獲得一種知識(shí)相當(dāng)于多了一個(gè)看世界的角度,從這個(gè)角度看過(guò)去,一些原有的認(rèn)識(shí)會(huì)發(fā)生改變,從而又激發(fā)出新的問(wèn)題和靈感。當(dāng)我們循環(huán)往復(fù)地提問(wèn)和學(xué)習(xí),當(dāng)我們知道得足夠多,原來(lái)點(diǎn)點(diǎn)滴滴的“廢知識(shí)”就會(huì)互相聯(lián)系起來(lái)顯現(xiàn)出意義,顯現(xiàn)出我們眼睛看不見(jiàn)的但卻更接近本質(zhì)的世界。
注:感謝 Sheldon.Li 同學(xué)在本文寫(xiě)作過(guò)程中給予的專(zhuān)業(yè)知識(shí)上的幫助。 (已發(fā)表于《時(shí)間線》2013年1月刊) 該文章在 2013/2/16 10:45:47 編輯過(guò) |
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