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磁共振成像：一場(chǎng)無(wú)心插柳的杰作
更新時(shí)間：2015-09-15 點(diǎn)擊次數(shù)：3098次
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zui終會(huì)倒下，而只要質(zhì)子周圍的磁場(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)專門的名詞，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zui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?？扇鄙俚闹皇顷P(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?？裳鯕馐窃趺此瓦^(guò)去的呢？血管可不是個(gè)空管子，里面填滿了紅紅的液體。“氧氣溶解在血液里”，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。“像兩面凹的燒餅”，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?ldquo;餡兒”，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。zui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zui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)，zui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，在鐵離子周圍就形成了一個(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)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。可他們忽略了知識(shí)之間的相互：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。
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