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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：2890次
現在不少醫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構圖。過去人們耳熟能詳的給身體“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部的結構。
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“內部的東西”，這不難理解，倫琴發現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展。誰也沒料到，這些知識在世紀末為醫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，用不專業的詞兒來說，就是研究中子啊、質子啊、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。物理學家發現，這些微觀粒子都具有一種叫做“自旋”的性質，就好像它們永遠在繞著自身旋轉，像地球自轉一樣。其中質子是帶正電荷的，而帶電物體轉動時會產生磁場。這個自旋產生的磁場在遇到別的磁場時就會發生力的作用，作用力會導致自旋所圍繞的那根軸也開始轉動起來。
這個過程可以和我們玩陀螺時遇到的現象進行類比：當鞭子把陀螺抽起來的時候，陀螺是筆直旋轉的，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，而是繼續旋轉，并且中間那根軸也跟著轉起來。自旋的質子遇到磁場，就像陀螺被推了一下，不同之處在于陀螺zui終會倒下，而只要質子周圍的磁場保持不變，質子的“軸”就會圍繞著磁場的方向一直旋轉下去。這個現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子的拉莫爾進動都有些什么規律。他們把一些質子放進一個均勻的磁場當中，不出所料觀察到了進動的產生。然后他們又對著容器發射電磁波，結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子給吸收了。根據量子物理的理論，質子吸收能量之后會發生躍遷，也就是從一種進動狀態變成另一種進動狀態。但是高能的狀態不穩定，質子過了一段時間又會把能量釋放出來，變回原來的狀態，因此就出現了上述觀測到的現象。
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——也就是質子們——就集體發生拉莫爾進動。這時向各個部位發射電磁波，由于質子的密度不同，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“質子密度圖”。正如黑白照片靠像素的深淺顯現出風景，“質子密度圖”就靠質子密度的高低顯現出人體內的結構。
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構，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，新鮮養分順著這些枝杈被送到各個組織，氧氣就是養分之一。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？就是讓血液呈現紅色的那個東西。把一滴血放到顯微鏡下，你會看見無數小圓餅，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，是一種結構很復雜的大分子，人們直到上世紀中期才弄明白它的結構。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，現代交叉學科的迷人魅力就在此處了。
現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。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，人體中的質子會在磁場中進動，現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，血液中的鐵離子產生的局部磁場和外界磁場疊加起來，對它附近的質子產生影響。這不會破壞顯現人體結構的“質子密度圖”，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人體結構沒有影響，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，結合了氧氣的鐵離子是三價，未結合的是二價。價位不同的鐵離子被磁化后產生的局部磁場不同，對附近質子的影響也不同。那么含氧量的變化就可以從質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學和心理學做出了的貢獻。有了無傷害觀察人體結構的方法，醫生們可以通過磁共振圖譜來定位腫瘤和身體的器質性病變；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科學結合起來，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生改變，從而又激發出新的問題和靈感。當我們循環往復地提問和學習，當我們知道得足夠多，原來點點滴滴的“廢知識”就會互相起來顯現出意義，顯現出我們眼睛看不見的但卻更接近本質的世界。
