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脑成像
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生物医学研究的至关重要的领域之一是预防或最优化治疗阿尔茨海默病（Alzhermer’s disease），这是老年痴呆的主要原因，至今为止旨在预防该病的各种努力都已落空。2010年，世界范围内有3500万阿尔茨海默病患者，其中550完在美国。除非凑巧运气找到阻断病程进展的方法，上述数字在2050年将会上升到3倍。
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阿尔茨海默病的确诊需要相关的临床症状，包括丧失记忆、日常活动能力下降，以及正规的脑组织活检中发现两种致病蛋白：淀粉样蛋白前体，颞叶中的神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles）与Tau蛋白的病理性沉积。诊断起来很不容易，原因在于痴呆症往往发病于老年人，其中至少20％与阿尔茨海默病无关。
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2010年，在这个领域中25年来第一次出现巨变，部分原因在于成像和生物标记技术的发展。美国国家卫生研究院老年研究所（National Institute of Aging，美国国家卫生研究院NIH的分支机构）与阿尔茨海默病协会第一次达成一致，阿尔茨海默病分三个阶段：临床前期，淀粉样蛋白蓄积，但无临床症状或临床表现，持续十年甚至二十年；轻度认知障碍期（分早期和晚期），持续一到四年，特点是记忆缺失或晚期的决断能力差；最后是痴呆进展期，缺乏进行日常的活动能力。在临床前期和轻度认知障碍期，淀粉样蛋白蓄积在脑形成新的记忆的区域，引发损伤（负责脑细胞间联系的）突触。接下来，在确诊前的一到五年，Tau蛋白在颞叶的脑细胞中形成，大量的磷酸集基团与这个致病蛋白结合，构成缠结造成新的损害。最后，包括海马（主要的记忆区域，也是淀粉蛋白显著蓄积的部位）和大脑皮层（高级认知功能的重要区域）萎缩，标志着脑细胞的实质性死亡。
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承认上述阿尔茨海默病的致病途径的部分原因归功于脑成像检查的应用，主要是两种不同的方法：磁共振检查和正电子发射计算机断层扫描（PET）。针对阿尔茨海默病有两个磁共振扫描方法：结构性（体积测量）或功能性磁共振扫描。结构性磁共振扫描是定量分析脑萎缩。功能性磁共振扫描帮助了解不同动作要求下的相关脑区域的活动情况。PET核素成像，借助放射性核素标记的葡萄糖显现脑的活动。糖的低摄取提示脑活动不活跃或脑细胞死亡。
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2010年“新新”成像发现是一个培育了数年的理念，使用匹兹堡化合物B（PIB）进行正电子发射计算机断层扫描（PET）（图6.2），PIB是一种带放射性的氟化合成物。有说服力的证据表明。PIB可以追踪存在的淀粉样蛋白前体。这是第一次在医学领域有能力显现这种致病蛋白蓄积的脑的具体区域。2010年美国食品及药物管理局（FDA）组织专家组依据152例患者资料，推荐这项（使用的药物名称为Amyvid）核医学检查用于确诊，但该药商业销售尚待认证。[10]
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图6.2 不同成像方法显示的阿尔茨海默病的特征性表现。首行是（匹茨堡化合物B ）正电子发射计算机断层扫描，成像显示脑的相关损害区域。同样，磁共振定量分析和氟代脱氧葡萄糖正电子发射计算机断层扫描的成像显示的脑的受损区域。脑“默认网络”是脑部与心智游移（mind wandering）或幻想（daydream），以及与个人自我意识相关的区域，阿尔茨默病患者上述区域损害尤其明显。
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一个可供替代的了解病程的方法是腰穿后采集脑脊液测量Tau蛋白和淀粉样蛋白。Tau蛋白与淀粉样蛋白比值明显大，强烈提示进展至阿尔茨海默病的风险。图6.3中的曲线图，节选自医学研究所2010年的报告《神经成像创新揭示阿尔茨海默病的未来前景》，报告中讲可观察查到的多种影响因素综合在一起。在临床起病的无临床症状期，匹兹堡化合物B（PIB）的PET成像显示淀粉样蛋白沉积在脑内，同时脑脊液（CSF）中存在淀粉样蛋白的可识别标记，称作脑脊液Aβ42标志物，具有易于聚集和损坏的特点。在早期（eMCI）到晚期轻度认知障碍（lMCI）期间，上述标志物不仅显现和进展，而且在脑脊液中可以检测到Tau蛋白，磁共振成像中异常海马区信号异常，PET扫描显示脑的部分区域葡萄糖代谢异常。随着轻微认知障碍进展，认知损害会加速，个人日常活动的能力会日益退化并完全显现。
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图6.3：不同生物标志物在阿尔茨海默病从无临床症状期（Pre-Symptomatic）到早期轻微认知障碍期（eMCI）和晚期轻微认知障碍期（lMCI）、成像上的显像表现、脑脊液（CSF）、日常活动（ADL）以及认知表现（Cog）在不同阶段与疾病进展时期相关的模式图。
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目前上述早期发现和预测阿尔茨海默病的循迹能力尚处于学术研究阶段，且均有助于推动有效药物和疫苗的研发，一般个人可能更愿意接受腰椎穿刺和各种成像检查。已经有不少研究尝试用血液中的标志物预测评估风险。回溯到2007年，赛特里斯（Satoris）公司报告过有意思的发现，使用十八种蛋白试验可以达到接近90％的准确度预测从轻微认知障碍发展到阿尔茨海默病的病程可能性。国立老年研究所报告血液中已知的载脂蛋白-Ε（ApoE）蛋白的水平与脑内淀粉样蛋白前体的数量相关。加利福尼亚大学旧金山分校的一组研究显示血浆中的淀粉样蛋白水平与后续的认知障碍有关联。近期另一项研究利用血液揭示观察自身抗体的存在变化。阿尔茨海默病神经成像创新（ADNI）联盟和制药企业在这个领域中在持续不断地努力。正如山杰平普里卡（Sanjay Pimplikar）在《纽约时报》专栏中写道的：“脑部扫描和腰椎穿刺对患者没什么好处。”
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迄今为止，对这个病尚无有效的治疗方法，至少20种以上的药物曾风光一时但也因疗效不佳而销声匿迹。唯一还在销售的是所谓类胆碱药物多奈哌齐、（忆思能）、加兰他敏，但其药效有限。阿尔茨海默病的根本致病原因的相关机理尚处于自圆其说：是否和致病的淀粉样蛋白或Tau蛋白的产生、蓄积、或清除有关？或与突触或线粒体的损伤或自身完好有关？部分的困扰在于成像或生物标志物检查中阿尔茨海默病的结果是同样的，但具体患者可能只是某个特定的基因或生物途径发生了变化导致的结果。真所谓“条条大道通罗马”，对某个患者来说只是淀粉样蛋白引起，对另一个患者Tau蛋白的沉积才是致病的缘由。
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上百种药物目的在于预防阿尔茨海默病尚处于研发中，这是制药企业的高度优先考虑的事。事实上，除了癌症治疗，医学领域中找不到其他的热衷于开发新药。相关的计划看来考虑周全、目的明确，试图在疾病的各个层面发挥作用：阻止淀粉样蛋白的产生、避免淀粉样蛋白聚集、加快淀粉样蛋白的清除、增强对淀粉样蛋白的抵抗、抑制Tau蛋白、改善突触的功能、避免线粒体功能障碍。在模仿本病的老鼠模型中大多数的药物试验有效，但那么多类似的药物被验证疗效失败引发了老鼠模型真的复合情况吗？虽然如此，新发现的成像和生物标志物的判断风险的能力、在病程早期介入病程进展，以及医学上常常引用的“自然病程”，最终会带来有效的预防方法。
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脑图谱和思维控制
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功能性磁共振（fMRI）具有分析思维活动的特殊能力。这项技术的特色在于。在进行功能性磁共振检查时，可以进行多种刺激，包括和患者对答、出示画面或成像、监控执行动作。近期加州理工大学的研究中，将玛丽莲·梦露、乔什·布洛林、迈克尔·杰克逊和维纳斯·威廉姆斯的照片用于研究多重竞争性刺激的处理能力。受试者患有难治性癫痫，他们已被植入颅内电极，同时在手术时进行磁共振扫描，寻找需要切除的致痫灶。研究中发现，患者的神通是将注意力集中在单张照片上以控制对颞叶的刺激。尽管尚未被用于作为法庭庭审证据，功能性磁共振可用于测谎。
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功能性磁共振也已被应用于确定与政治活动、内省、勇气、产生并深深依恋某个特定的人物的浪漫的感觉、儿童或文盲学习过程中的变化影响、安慰疗法的明显效果，以及一系列行为相关的大脑图谱。医学上，功能性磁共振并应用于探究自闭症、精神分裂症、抑郁以及多动症的特点。依据MRI的脑图谱是图像介导的神经外科微创导航手术的基础。此外，日本利用近红外光谱成像技术（NIRS）作为功能性磁共振的替代方法，利用血红蛋白比其他组织成分吸收更多光能的特性，追踪血流测定。在日本NIRS还被用于诊断躁郁症和精神分裂症，以及其他心理障碍。
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医学中我见到的最神奇的事之一就是对严重帕金森病的患者进行深部脑电刺激（DBS）手术。九十年代末，我给克里夫兰医学中心负责神经调节研究项目的神经外科专家阿里·里扎伊（Ali Rezai）医生转去了个患者。该患者有严重的震颤和不自主运动，无法行走和几乎无法进行日常活动。在广泛地临床检查评估和脑成像检查后，并在手术时将电极放置在脑组织上获取脑电生理图谱。医生将神经刺激器的电极插入脑的苍白球中，将刺激器的起搏装置埋在颈部，和电极导线连接后，控制电刺激的产生和停歇。手术以后，该患者不但奇迹般地减少了他原来已经无法耐受且已毫无效果的药物治疗的药量，还恢复了以前爱好的一系列活动，包括打高尔夫球。不是所有的脑神经刺激器都有如此神奇的效果，手术也有多种潜在的并发症风险，但令人印象深刻的是，眼看着关闭起搏装置后完全无法行动的患者，在打开神经刺激起搏器后，症状基本消失活动自如。看到这一切，就会相信医学技术装置植入控制人脑大有前途大有可为。
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深部电刺激术目前也用于其他疾病的治疗，包括严重的特发性震颤、抽动秽语综合征（妥瑞氏综合征，Tourette’s Syndrome）、和严重的强迫症，同时也开展了对一系列神经和神经心理疾病，包括躁郁症、创伤后应急障碍、癫痫、抑郁、自闭症、和精神分裂症的探索性治疗。在这些研究努力过程中，手术前的脑功能性磁共振检查和手术中如果可能的话，利用颅内电极确定病灶部位，都有利于神经刺激器的顺利起效。
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里扎伊医生还告诉我另一个特别难忘的病例。患者患有严重的抑郁症，呈紧张性抑郁，无情感表露，几乎不能活动。患者处于这样的状态有好几年，尽管也用过多种药物治疗，和电休克治疗。他在简单镇静下实施手术。典型的深部电刺激术只需要简单镇静，因为脑部没有痛觉感受器。电极安置在脑表面用来监测脑电活动图谱。里扎伊医生刺激脑的某个区域，患者笑了，这是许多年来的第一次。进一步的脑电图谱显示这就是放置神经刺激器电极的理想位点。手术一切顺利，手术结束后，患者的活动表现和行为举止完全改观，会和医务人员以及他的妻子交流。该患者周五出院。然而，刚过周末，里扎伊医生接到患者妻子的紧急求助电话，她要求医生关闭神经刺激器。患者十五年来曾一直毫无欲望夫妻同房，手术后同房欲求变得持续。好在里扎伊医生能够调节电刺激的活跃程度，随着时间过去，这个意想不到的问题解决了。
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2007年，发生了一件也许算是最离奇的思维控制的故事，里扎伊医生和他来自康奈尔大学的同事使用脑电图谱和深部电刺激治疗一个38岁的患者。该患者受过严重的颅脑外伤，6年多来处于微意识状态，完全无法交流或应答。功能性磁共振显示他的语言功能区大片保留着，因此在磁共振检查后接着进行深部电刺激术，目的在于希望恢复其意识。真的在手术后48个小时内，患者能被唤醒，把头从一边转向另一边，持续睁眼。一周后，能够叫出东西的名字、自己吃饭，交流也日益增多。
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除了使用脑电刺激器刺激思维，现在也有很多人致力于通过利用不同的方法，如纵横字谜游戏或数独游戏、如CogniFit、Posit Science和Happy Neuron等交互式计算机游戏、任天堂的Brain Age或Sega Brain Assist和brain gyms等视频游戏，开展“脑智力训练”或“脑锻炼体操”进行认知刺激。这个理论，多是由拥有脑健康训练产品专利的厂商提出的，相关的脑训练是否能提高脑的可塑性——形成新的神经突触？迄今为止，上述理论尚未令人信服和被证实。近期的一个在剑桥开展的研究，有1100多人参与6周的在线认知刺激培训项目，尚未发现有能改善一般认知功能的迹象。
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癌症成像
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除了可利用成像检查筛选和早期发现癌症，例如前面提到的，用螺旋CT进行检查肺癌肿块，或在钼靶筛查的基础上使用MRI为更准确地发现乳腺癌提供支持，癌症诊治中成像最主要应用于对肿瘤的定性和（通过评估转移的范围进行）分期，以及对治疗效果的追踪。提倡至少每6个月一次成像检查观察肿瘤缩小情况，虽然并非所有患者都会有肿瘤缩小，但可帮助评估长期的临床疗效。