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磁共振成像：一場無心插柳的杰作
更新時間：2015-09-15 點擊次數(shù)：2883次
現(xiàn)在不少醫(yī)院都配備有磁共振成像儀，就是那種形狀像個大圓筒的白色儀器，人往上一躺，送到圓筒中，過幾分鐘就能得到身體相應部位的三維結(jié)構(gòu)圖。過去人們耳熟能詳?shù)慕o身體“照相”的技術是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，無傷害性地就看見了人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。
要說起來，這確實是門挺“神”的技術。X射線能穿透物體，所以能照見“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原理在上世紀初成為研究熱點的時候，人們根本想都沒往醫(yī)學成像上想，它們是純粹的量子力學研究，目的是推動物理學的發(fā)展。誰也沒料到，這些知識在世紀末為醫(yī)學和心理學帶來了一項劃時代的技術。
量子力學研究的是微觀粒子中的物理學，用不專業(yè)的詞兒來說，就是研究中子啊、質(zhì)子啊、電子啊這些小到快沒有了的玩意兒是怎么運動和相互作用的。物理學家發(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)動時會產(chǎn)生磁場。這個自旋產(chǎn)生的磁場在遇到別的磁場時就會發(fā)生力的作用，作用力會導致自旋所圍繞的那根軸也開始轉(zhuǎn)動起來。
這個過程可以和我們玩陀螺時遇到的現(xiàn)象進行類比：當鞭子把陀螺抽起來的時候，陀螺是筆直旋轉(zhuǎn)的，中間那根軸固定在豎直方向上。這時如果輕輕推一下那根軸，陀螺不會馬上倒下，而是繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并且中間那根軸也跟著轉(zhuǎn)起來。自旋的質(zhì)子遇到磁場，就像陀螺被推了一下，不同之處在于陀螺zui終會倒下，而只要質(zhì)子周圍的磁場保持不變，質(zhì)子的“軸”就會圍繞著磁場的方向一直旋轉(zhuǎn)下去。這個現(xiàn)象在量子物理中有個專門的名詞，叫做“拉莫爾進動”。
上世紀三十年代末，物理學家們想研究質(zhì)子的拉莫爾進動都有些什么規(guī)律。他們把一些質(zhì)子放進一個均勻的磁場當中，不出所料觀察到了進動的產(chǎn)生。然后他們又對著容器發(fā)射電磁波，結(jié)果電磁波的能量被吸收了；過了一會兒，這個能量又從容器中被釋放了出來。他們zui后證明電磁波的能量是被進動著的質(zhì)子給吸收了。根據(jù)量子物理的理論，質(zhì)子吸收能量之后會發(fā)生躍遷，也就是從一種進動狀態(tài)變成另一種進動狀態(tài)。但是高能的狀態(tài)不穩(wěn)定，質(zhì)子過了一段時間又會把能量釋放出來，變回原來的狀態(tài)，因此就出現(xiàn)了上述觀測到的現(xiàn)象。
怎么樣，到此為止，全是純粹的物理學，你看出一點兒可以用來給人體照相的端倪來了嗎？似乎還沒有。可缺少的只是關鍵的一句話：氫原子核就是一個質(zhì)子，水分子中有兩個氫原子，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，把人推入一個大磁場，人體中的氫原子核們——也就是質(zhì)子們——就集體發(fā)生拉莫爾進動。這時向各個部位發(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間間隔也就不同。如果我們把發(fā)射電磁波的目標部位看作一個個像素點，用上述時間間隔的長短來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)。
也許你得花點時間仔細琢磨琢磨這其中的邏輯，量子力學就是以這么“詭異”的方式為我們貢獻了當代醫(yī)學影像的前沿技術。
但詭異的故事還沒完呢。磁共振成像照出的只是人體結(jié)構(gòu)，你也許還聽說過一個詞叫“功能性磁共振成像”，后者可以讀出人腦的活動。說得玄乎點，它能幫助我們窺探意識的奧秘。它在磁共振成像的基礎上向前又邁了一步，但這一步所借助的知識，其風馬牛不相及的程度比之量子力學有增無減。
這次無心插柳的是研究血液循環(huán)的生理學家。在上世紀五十年代之前，有個問題人們一直沒有搞明白：人吸進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，沒出來的那部分從肺泡進入了血管里。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組織，氧氣就是養(yǎng)分之一。可氧氣是怎么送過去的呢？血管可不是個空管子，里面填滿了紅紅的液體。“氧氣溶解在血液里”，有人說。唔，不對。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去的。紅血球是什么？就是讓血液呈現(xiàn)紅色的那個東西。把一滴血放到顯微鏡下，你會看見無數(shù)小圓餅，它們在燈光下微微透明，邊緣有一圈淡淡的紅光。“像兩面凹的燒餅”，教科書上說。那這燒餅為什么能抓住氧氣？關鍵的地方來了：因為燒餅里面的“餡兒”，就是泛出紅光的那些東西。
“餡兒”的學名叫血紅蛋白，是一種結(jié)構(gòu)很復雜的大分子，人們直到上世紀中期才弄明白它的結(jié)構(gòu)。如果要粗略地描述一下它長什么樣兒，可以先想象很多氫原子和碳原子串在一起組成一條長鏈，然后把長鏈緊緊地纏起來變成線團，四個這樣的線團粘在一起就成了血紅蛋白的大模樣。zui后在每個線團的中央放上一顆二價鐵離子，就可以吸引氧氣過來結(jié)合了。氧氣“落入”線團之后，二價鐵離子會被氧化成三價，三價鐵離子看上去是紅色的。這就是為啥動脈血是鮮紅色而靜脈血是暗紅色的，因為動脈血攜帶的氧氣多。
好了，至此我們才略為完整地回答了zui初的問題：人吸進鼻子的氧氣去了哪里？氧氣進到肺里，穿過肺泡里的血管壁進到血液里，再穿過紅血球表面進到血紅蛋白上有鐵離子的位置固定下來。紅血球隨著血液流向各個身體器官，氧氣在各個毛細血管的末梢處脫離血紅蛋白，重新被釋放出來，zui終進到各個器官里。
好了，到目前為止，全是純粹的生理學和分子生物學，這和大腦的活動有啥關系呢？請君耐心再讀下去，現(xiàn)代交叉學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，當人被推進磁場，血液中的鐵離子也被磁化，在鐵離子周圍就形成了一個局部的新磁場。前邊我們說，人體中的質(zhì)子會在磁場中進動，現(xiàn)在我們把血液的影響考慮進去。當血液流過人體器官的時候，血液中的鐵離子產(chǎn)生的局部磁場和外界磁場疊加起來，對它附近的質(zhì)子產(chǎn)生影響。這不會破壞顯現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)的“質(zhì)子密度圖”，因為毛細血管密布全身，鐵離子的分布是相對均勻的，對質(zhì)子的影響也相對均勻（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顯現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)沒有影響，那把它考慮進來干嘛？答案是測量血液中含氧量的變化。前邊說過，結(jié)合了氧氣的鐵離子是三價，未結(jié)合的是二價。價位不同的鐵離子被磁化后產(chǎn)生的局部磁場不同，對附近質(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出來。
含氧量變化對窺測大腦活動特別有用，因為腦細胞活躍的時候大量耗氧，要靠血液來補給。當大腦的某個部位活躍起來，該處的血液中含氧量先是下降，緊接著就有大量的“新血”補充進來，導致總含氧量反而上升。那么通過比對含氧量的變化，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)學和心理學做出了的貢獻。有了無傷害觀察人體結(jié)構(gòu)的方法，醫(yī)生們可以通過磁共振圖譜來定位腫瘤和身體的器質(zhì)性病變；有了無傷害觀察大腦活動的方法，心理學家們終于能把哲學高度的認知理論和腳踏實地的神經(jīng)科學結(jié)合起來，邁上為意識尋找生理機制的新征程。
這兩個不過的例子告訴我們，沒有無用的知識，只有還沒派上用場的知識。人們往往沒有耐心去了解那些看起來很“無聊”的知識——既然用不上，何必為那些細枝末節(jié)浪費時間。可他們忽略了知識之間的相互：一種知識并不是為了回答某個單一的問題而存在的。知識是關于世間萬物的信息，獲得一種知識相當于多了一個看世界的角度，從這個角度看過去，一些原有的認識會發(fā)生改變，從而又激發(fā)出新的問題和靈感。當我們循環(huán)往復地提問和學習，當我們知道得足夠多，原來點點滴滴的“廢知識”就會互相起來顯現(xiàn)出意義，顯現(xiàn)出我們眼睛看不見的但卻更接近本質(zhì)的世界。
