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现在不少医院都配备有磁共振成像仪,就是那种形状像个大圆筒的白色仪器,人往上一躺,送到圆筒中,过几分钟就能得到身体相应部位的三维结构图。过去人们耳熟能详的给身体“照相”的技术是X光片或者CT,这两者都借助X光的成像原理,具有放射性。而磁共振只是给人体加上磁场,无伤害性地就看见了人体内部的结构。

要说起来,这确实是门挺“神”的技术。X射线能穿透物体,所以能照见“内部的东西”,这不难理解,伦琴发现X射线之后马上给妻子的手拍了张“骨感”相片。而磁共振所涉及到的科学原理在上世纪初成为研究热点的时候,人们根本想都没往医学成像上想,它们是纯粹的量子力学研究,目的是推动物理学的发展。谁也没料到,这些知识在世纪末为医学和心理学带来了一项划时代的技术。

量子力学研究的是微观粒子中的物理学,用不专业的词儿来说,就是研究中子啊、质子啊、电子啊这些小到快没有了的玩意儿是怎么运动和相互作用的。物理学家发现,这些微观粒子都具有一种叫做“自旋”的性质,就好像它们永远在绕着自身旋转,像地球自转一样。其中质子是带正电荷的,而带电物体转动时会产生磁场。这个自旋产生的磁场在遇到别的磁场时就会发生力的作用,作用力会导致自旋所围绕的那根轴也开始转动起来。

这个过程可以和我们玩陀螺时遇到的现象进行类比:当鞭子把陀螺抽起来的时候,陀螺是笔直旋转的,中间那根轴固定在竖直方向上。这时如果轻轻推一下那根轴,陀螺不会马上倒下,而是继续旋转,并且中间那根轴也跟着转起来。自旋的质子遇到磁场,就像陀螺被推了一下,不同之处在于陀螺最终会倒下,而只要质子周围的磁场保持不变,质子的“轴”就会围绕着磁场的方向一直旋转下去。这个现象在量子物理中有个专门的名词,叫做“拉莫尔进动”。

上世纪三十年代末,物理学家们想研究质子的拉莫尔进动都有些什么规律。他们把一些质子放进一个均匀的磁场当中,不出所料观察到了进动的产生。然后他们又对着容器发射电磁波,结果电磁波的能量被吸收了;过了一会儿,这个能量又从容器中被释放了出来。他们最后证明电磁波的能量是被进动着的质子给吸收了。根据量子物理的理论,质子吸收能量之后会发生跃迁,也就是从一种进动状态变成另一种进动状态。但是高能的状态不稳定,质子过了一段时间又会把能量释放出来,变回原来的状态,因此就出现了上述观测到的现象。

怎么样,到此为止,全是纯粹的物理学,你看出一点儿可以用来给人体照相的端倪来了吗?似乎还没有。可缺少的只是关键的一句话:氢原子核就是一个质子,水分子中有两个氢原子,而人体中不均匀地分布着很多很多水分子。这句话说明,人体中有大量质子以不均匀的密度分布着。那么,把人推入一个大磁场,人体中的氢原子核们——也就是质子们——就集体发生拉莫尔进动。这时向各个部位发射电磁波,由于质子的密度不同,它们吸收然后放出能量的时间间隔也就不同。如果我们把发射电磁波的目标部位看作一个个像素点,用上述时间间隔的长短来作为像素的深浅程度,就得到了一幅“质子密度图”。正如黑白照片靠像素的深浅显现出风景,“质子密度图”就靠质子密度的高低显现出人体内的结构。

也许你得花点时间仔细琢磨琢磨这其中的逻辑,量子力学就是以这么“诡异”的方式为我们贡献了当代医学影像的前沿技术。

但诡异的故事还没完呢。磁共振成像照出的只是人体结构,你也许还听说过一个词叫“功能性磁共振成像”,后者可以读出人脑的活动。说得玄乎点,它能帮助我们窥探意识的奥秘。它在磁共振成像的基础上向前又迈了一步,但这一步所借助的知识,其风马牛不相及的程度比之量子力学有增无减。

这次无心插柳的是研究血液循环的生理学家。在上世纪五十年代之前,有个问题人们一直没有搞明白:人吸进鼻子的氧气去了哪里?氧气并不是在肺里兜一圈就都呼出来,没出来的那部分从肺泡进入了血管里。血管是人体里密密麻麻的枝杈,新鲜养分顺着这些枝杈被送到各个组织,氧气就是养分之一。可氧气是怎么送过去的呢?血管可不是个空管子,里面填满了红红的液体。“氧气溶解在血液里”,有人说。唔,不对。只有很少很少的氧气能溶在血液里,大部分是靠红血球送过去的。红血球是什么?就是让血液呈现红色的那个东西。把一滴血放到显微镜下,你会看见无数小圆饼,它们在灯光下微微透明,边缘有一圈淡淡的红光。“像两面凹的烧饼”,教科书上说。那这烧饼为什么能抓住氧气?关键的地方来了:因为烧饼里面的“馅儿”,就是泛出红光的那些东西。

“馅儿”的学名叫血红蛋白,是一种结构很复杂的大分子,人们直到上世纪中期才弄明白它的结构。如果要粗略地描述一下它长什么样儿,可以先想象很多氢原子和碳原子串在一起组成一条长链,然后把长链紧紧地缠起来变成线团,四个这样的线团粘在一起就成了血红蛋白的大模样。最后在每个线团的中央放上一颗二价铁离子,就可以吸引氧气过来结合了。氧气“落入”线团之后,二价铁离子会被氧化成三价,三价铁离子看上去是红色的。这就是为啥动脉血是鲜红色而静脉血是暗红色的,因为动脉血携带的氧气多。

好了,至此我们才略为完整地回答了最初的问题:人吸进鼻子的氧气去了哪里?氧气进到肺里,穿过肺泡里的血管壁进到血液里,再穿过红血球表面进到血红蛋白上有铁离子的位置固定下来。红血球随着血液流向各个身体器官,氧气在各个毛细血管的末梢处脱离血红蛋白,重新被释放出来,最终进到各个器官里。

好了,到目前为止,全是纯粹的生理学和分子生物学,这和大脑的活动有啥关系呢?请君耐心再读下去,现代交叉学科的迷人魅力就在此处了。

现在我们知道了血红蛋白中有铁离子,而铁元素恰好是一种可以被磁化的物质。就像被磁铁磁化的小钉子可以吸引普通钉子,当人被推进磁场,血液中的铁离子也被磁化,在铁离子周围就形成了一个局部的新磁场。前边我们说,人体中的质子会在磁场中进动,现在我们把血液的影响考虑进去。当血液流过人体器官的时候,血液中的铁离子产生的局部磁场和外界磁场叠加起来,对它附近的质子产生影响。这不会破坏显现人体结构的“质子密度图”,因为毛细血管密布全身,铁离子的分布是相对均匀的,对质子的影响也相对均匀(所以在磁共振成像的原理中不考虑血流也不妨碍理解)。

既然铁离子的存在对显现人体结构没有影响,那把它考虑进来干嘛?答案是测量血液中含氧量的变化。前边说过,结合了氧气的铁离子是三价,未结合的是二价。价位不同的铁离子被磁化后产生的局部磁场不同,对附近质子的影响也不同。那么含氧量的变化就可以从质子受影响的程度上间接探测出来。

含氧量变化对窥测大脑活动特别有用,因为脑细胞活跃的时候大量耗氧,要靠血液来补给。当大脑的某个部位活跃起来,该处的血液中含氧量先是下降,紧接着就有大量的“新血”补充进来,导致总含氧量反而上升。那么通过比对含氧量的变化,我们就能找到大脑活跃的部位在哪里。

磁共振和功能性磁共振分别为医学和心理学做出了卓越的贡献。有了无伤害观察人体结构的方法,医生们可以通过磁共振图谱来定位肿瘤和身体的器质性病变;有了无伤害观察大脑活动的方法,心理学家们终于能把哲学高度的认知理论和脚踏实地的神经科学结合起来,迈上为意识寻找生理机制的新征程。

这两个最好不过的例子告诉我们,没有无用的知识,只有还没派上用场的知识。人们往往没有耐心去了解那些看起来很“无聊”的知识——既然用不上,何必为那些细枝末节浪费时间。可他们忽略了知识之间的相互联系:一种知识并不是为了回答某个单一的问题而存在的。知识是关于世间万物的信息,获得一种知识相当于多了一个看世界的角度,从这个角度看过去,一些原有的认识会发生改变,从而又激发出新的问题和灵感。当我们循环往复地提问和学习,当我们知道得足够多,原来点点滴滴的“废知识”就会互相联系起来显现出意义,显现出我们眼睛看不见的但却更接近本质的世界。

 

注:感谢 Sheldon.Li 同学在本文写作过程中给予的专业知识上的帮助。

(已发表于《时间线》2013年1月刊)

拓展阅读

量子熊猫-《读脑——神经科学的新进展》

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40 Responses to “磁共振成像:一场无心插柳的杰作”

  1. cebra说道:

    沙发否?

  2. cnnjuzh3说道:

    what an amazing world

  3. wzy说道:

    几乎所有划时代的的发现和发明 都是在无心插柳的时候发现的

  4. 懒蚂蚁说道:

    在Agilent做核磁的人飘过...

    • cyler123说道:

      安捷伦。。。。他们的气相色谱我倒是熟悉,居然还做CT

  5. hrl说道:

    物理学家的发现也可以用于医学,这还是很正常的 。

  6. 100说道:

    知识是关于世间万物的信息,获得一种知识相当于多了一个看世界的角度

  7. cyler123说道:

    最讨厌被人问:“你的研究有什么用啊?”

    • Pasternak说道:

      给问你的人一块钱,告诉他:“现在就有用了”。

    • Pasternak说道:

      这多好,我做的工作从来没有人问“这有什么用”,因为用处太过明显。当然,也从来没有人说“哇,这个好前沿”。

      • cyler123说道:

        那是我本科时的境遇。“你做什么的?”、“无机材料”、“什么?”、“就是玻璃水泥什么的”、“哦”

  8. 田小森说道:

    好想点赞,可是发现木有这个功能。

  9. Pasternak说道:

    奇怪,怎么没有人来吐槽“电磁波辐射”,是不是小白都看不懂,所以不敢说话?

    • cyler123说道:

      记得是X射线辐射来着
      之前有人放话“国内的CT都是使用最大剂量进行造影的”,然后被人吐槽了

      • Pasternak说道:

        我是指核磁共振的电磁波辐射。听起来多吓人啊,电磁波让身体里的每个氢原子都共振了起来,还发生了进动。更有甚者,还会磁化红细胞里的铁。放到天涯上,这些都会变成电磁辐射的铁证啊。

        • cyler123说道:

          然后,这会成为“脑控”的证据吗?

        • 荷蛋说道:

          有道理啊 全身的原子都动了起来(都不是细胞啊 分子啊这种大东西了) 应该要有人出来吐槽一下

          • 给我一支烟说道:

            不正是因为到了质子这么微观的层面,所以才不会影响到宏观的物体本身吗. 

          • ta1234说道:

            对啊 电磁辐射对人的影响都是指分子 蛋白质是分子 dna是分子 他们的结构改变了人就危险了 癌变也容易发生了 而你身上原子怎么乱动何必恐慌 而且似乎和被磁化铁针一般会恢复的只不过磁针好像是电子的运动 如果说有影响也是再放的辐射二次影响

  10. 李小营说道:

    “馅儿”的学名叫血红蛋白,是一种结构很复杂的大分子,人们直到上世纪中期才弄明白它的结构。如果要粗略地描述一下它长什么样儿,可以先想象很多氢原子和碳原子串在一起组成一条长链,然后把长链紧紧地缠起来变成线团,四个这样的线团粘在一起就成了血红蛋白的大模样。最后在每个线团的中央放上一颗二价铁离子,就可以吸引氧气过来结合了。氧气“落入”线团之后,二价铁离子会被氧化成三价,三价铁离子看上去是红色的。这就是为啥动脉血是鲜红色而静脉血是暗红色的,因为动脉血携带的氧气多。
    这段话有错误。
    血红蛋白里面铁是三价的,不是二价,加氧之后的产物结构尚未明确,一种可能的结构是四价的高铁,Fe(V)=O (咦,高铁这个词怪怪的。。。不是和谐号啦)。另外,显红色是因为三价铁离子的说法也不妥,是整个血红蛋白的颜色而不是离子本身。
    附上维基百科:http://en.wikipedia.org/wiki/Ferrihaemoglobin

  11. loler说道:

    fmri是个好东西,就是贵贵贵,现在各大学心理系都拼命想买,没个功能磁共振,都不好意思说自己是搞心理学的。

  12. ZnO说道:

    别人问我做的研究有啥用,一句"纯科学"就给打回去了……目前也在跟强磁场打交道啊,虽然不是NMR,但看了此文也算有些共鸣了~

  13. sheldon说道:

    三个陀螺的图太有意思啦

  14. 爱死实验室说道:

    最烦别人问专业,根本没法解释。。。生物工程,酿酒?制药?

  15. hi-jeek说道:

    长见识了,我想我应该反省下我这些年所学的知识了

  16. 小shy说道:

    是我学的生理和生化都过时了麽。。血红蛋白里的铁难道不是永远保持二价的麽。。

  17. ArztYang说道:

    “这两个最好不过的例子告诉我们,没有无用的知识,只有还没派上用场的知识。人们往往没有耐心去了解那些看起来很“无聊”的知识——既然用不上,何必为那些细枝末节浪费时间。可他们忽略了知识之间的相互联系:一种知识并不是为了回答某个单一的问题而存在的。知识是关于世间万物的信息,获得一种知识相当于多了一个看世界的角度,从这个角度看过去,一些原有的认识会发生改变,从而又激发出新的问题和灵感。当我们循环往复地提问和学习,当我们知道得足够多,原来点点滴滴的“废知识”就会互相联系起来显现出意义,显现出我们眼睛看不见的但却更接近本质的世界。”
    说得好!

  18. 犀牛说道:

    "一种知识并不是为了回答某个单一的问题而存在的。知识是关于世间万物的信息,获得一种知识相当于多了一个看世界的角度"
    这段话真是深得我心

  19. chrenli说道:

    我爸一直说学习没用,我也要坚持学习,好多老几辈的人都比较目光短浅

  20. GeekyYu说道:

    获得一种知识相当于多了一个看世界的角度。这句话说的真好!

  21. eastlife说道:

    it is a beautiful world

  22. 大可不必说道:

    “馅儿”的学名叫血红蛋白,是一种结构很复杂的大分子,人们直到上世纪中期才弄明白它的结构。如果要粗略地描述一下它长什么样儿,可以先想象很多氢原子和碳原子串在一起组成一条长链,然后把长链紧紧地缠起来变成线团,四个这样的线团粘在一起就成了血红蛋白的大模样。

    不应该至少是碳氢氧氮四种元素吗?怎么只是碳和氢了?

  23. blade说道:

    如果使用极化技术将需要造影的物质在接近0K的低温和高磁场下进行极化,可以作为一种高效的造影剂,这种造影剂可以放大磁共振成像信号1万-10万倍,可以用来研究人体内的代谢成像;目前技术上比较成熟的是利用极化的丙酮酸进行代谢研究,了解肿瘤的活性。

  24. Even说道:

    “而铁元素恰好是一种可以被磁化的物质”
    “血液中的铁离子也被磁化,在铁离子周围就形成了一个局部的新磁场”
    这些论述太不科学了……
    1、任何物质都有磁性;
    2、(铁)磁化是宏观现象,不能用来描述微观粒子;
    3、铁单质(宏观上)能被磁化是因为铁单质是铁磁体具有铁磁性,铁离子(的化合物)(宏观上)不能被磁化因为二、三价铁离子的化合物没有铁磁性;
    4、作者前面不都说了质子自旋,有自旋就必然有自旋磁矩就有磁性(也就是1的原理),铁离子本来就有磁性,测不同部位含氧量的功能性核磁共振的原理显然不会是“铁离子被磁化(这是病句……)”;
    5、核磁共振的知识普的很好,受教了;
    6、新人第一帖,向楼主表达敬意的同时也鼓励下自己 :)

  25. 15308098003说道:

    知识有时也会被用来装神弄鬼!
    期待《看门狗》游戏快点出。其中的启示会比一般说教更让玩家觉悟!特别是对电子技术类专业的人而言!!!

  26. cyler123说道:

    你还是研究一下5美分如何买到汉堡吧

  27. 醉墨说道:

    鞋教具有自我繁殖、复制和强化的能力,很难被推翻,除非其内部出现了激烈矛盾。

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