閉上眼睛，試想我們擁有了一種神奇的力量：無(wú)須觸碰，就能透視大腦內(nèi)部隱秘的神經(jīng)活動(dòng)，目睹蛋白質(zhì)如何巧妙折疊成精確的三維形態(tài)，甚至觀察到細(xì)胞內(nèi)分子間的“親密”互動(dòng)。這不是科幻小說(shuō)的情節(jié)，而是核磁共振（NMR）技術(shù)帶給我們的現(xiàn)實(shí)奇跡。

核磁共振，一個(gè)在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用的技術(shù)，正以其獨(dú)特的方式，讓我們得以深入物質(zhì)的微觀世界，探索生命的奧秘。它不僅是一項(xiàng)技術(shù)的勝利，更是人類智慧的體現(xiàn)，讓我們能夠以一種非侵入性的方式，觀察和理解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)以及生命的復(fù)雜性。

那么，核磁共振技術(shù)為何如此強(qiáng)大？它的前沿應(yīng)用都取得了哪些令人驚嘆的成就？未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)又將如何發(fā)展，為我們帶來(lái)哪些新的驚喜？讓我們帶著這些好奇和期待，一起深入探索核磁共振的世界。在這里，我們一起揭開(kāi)核磁共振神秘的面紗，一睹其在現(xiàn)代科學(xué)中的輝煌成就，并展望它在未來(lái)科學(xué)探索中的無(wú)限可能。

撰文 | 陳云（上海交通大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院博士研究生）、孔學(xué)謙（上海交通大學(xué)長(zhǎng)聘教授，浙江大學(xué)兼聘教授）

核磁共振的原理

核磁的產(chǎn)生

從名字上看，核磁共振由兩部分組成：“核磁”與“共振”。為了更好地理解其含義，我們先來(lái)看看核磁是如何產(chǎn)生的。

大家都知道，原子由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子組成，而核磁的“核”指的就是原子核。原子核內(nèi)部包含著帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子，這些粒子都在不停地快速旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于整個(gè)原子核在不停地快速旋轉(zhuǎn)，而這種旋轉(zhuǎn)被稱為自旋，你可以將它想象成是一個(gè)不停旋轉(zhuǎn)的陀螺。

運(yùn)動(dòng)的物體具有動(dòng)量，而旋轉(zhuǎn)的物體也有一種特定的動(dòng)量，叫作角動(dòng)量。由于原子核帶有正電，根據(jù)安培定律，這種旋轉(zhuǎn)的帶電粒子會(huì)產(chǎn)生磁矩，而這就是核磁中“磁”的含義。

因此，我們可以把原子核看作一個(gè)微小的“磁針”，這正是核磁共振現(xiàn)象的基礎(chǔ)。

原子核自旋磁矩示意圖

宏觀磁化矢量的產(chǎn)生

如果只有一堆“小磁針”而沒(méi)有外加的磁場(chǎng)，那么每個(gè)“小磁針”在方向上是完全無(wú)序且隨機(jī)的，所以日常生活中絕大部分的物質(zhì)在宏觀上都不具有磁性。但如果我們此時(shí)在外部施加一個(gè)磁場(chǎng)，那么物質(zhì)內(nèi)部的這些“小磁針”就會(huì)紛紛沿著外加磁場(chǎng)的方向重新排列。

然而，原子核的行為與普通“小磁針”略有不同。由于原子核自身的特性，它們?cè)诖艌?chǎng)中的排列會(huì)呈現(xiàn)出兩種狀態(tài)：一部分原子核的排列方向會(huì)與外加磁場(chǎng)的方向一致；另一部分則與外加磁場(chǎng)的方向相反。因?yàn)榕c外加磁場(chǎng)方向一致的原子核處于較低的能量狀態(tài)，因此它們的數(shù)量通常更多。這兩種狀態(tài)的原子核在數(shù)量上存在細(xì)微差異，最終帶來(lái)了宏觀上的磁性，也就是所謂的“宏觀磁矩”。

而我們測(cè)量到的核磁共振信號(hào)，就是宏觀磁化矢量與外加磁場(chǎng)之間相互作用的體現(xiàn)。為了能檢測(cè)到更強(qiáng)的核磁共振信號(hào)，我們往往需要一個(gè)非常強(qiáng)的外加磁場(chǎng)，通常是地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的十幾萬(wàn)倍。那么如何產(chǎn)生這樣一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)呢？你可能會(huì)想到使用一個(gè)巨大的磁鐵，這是一種很自然的想法。

但是普通磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我們需要的強(qiáng)度，因此我們得采用一些非常規(guī)的手段，即使用電磁鐵，利用電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)的原理，通過(guò)超大電流來(lái)生成足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)。由于電流強(qiáng)度非常大，如果此時(shí)線圈存在電阻，就會(huì)產(chǎn)生大量的熱，不僅會(huì)造成能量損失，還會(huì)帶來(lái)安全隱患，因此我們還需要借助超導(dǎo)技術(shù)，將線圈的電阻降為零，以便維持高強(qiáng)度的電流。

自旋能級(jí)分布和宏觀磁矩的示意圖（n1代表能量低的原子核數(shù)量，n2代表能量高的原子核數(shù)量，M代表宏觀磁矩的強(qiáng)度）

射頻脈沖及信號(hào)采集

我們已經(jīng)了解宏觀磁化矢量是如何產(chǎn)生的，并知道了核磁檢測(cè)的信號(hào)正是宏觀磁化矢量與外加磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果，那么接下來(lái)要探討的就是宏觀磁化矢量如何與外加磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，其中也包括了核磁共振中“共振”的含義。

核磁共振信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程有兩個(gè)關(guān)鍵步驟。

首先，核磁共振儀器中的線圈會(huì)施加一個(gè)射頻脈沖，用來(lái)操控原子核的狀態(tài)。為了產(chǎn)生有效的作用，施加的射頻脈沖的頻率必須與原子核的自旋頻率相匹配，即達(dá)到所謂的“共振”。之所以稱為射頻脈沖，是因?yàn)榫€圈產(chǎn)生的脈沖的頻率在射頻波段。

其次，原子核在接收到外加的射頻脈沖后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)射頻信號(hào)并反饋給線圈，通過(guò)線圈接收到的射頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理（通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)），我們就能夠獲取研究對(duì)象的微觀信息。

射頻線圈和射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖

脈沖序列與不同的微觀信息

在核磁共振研究中，為了獲取同一研究對(duì)象不同方面的微觀信息，如同一原子核的鍵的連接情況或不同原子核的分布情況等，我們一般通過(guò)組合不同的射頻脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)，由不同的射頻脈沖形成的組合稱為脈沖序列。

為了更好地理解這個(gè)過(guò)程，我們可以將核磁共振譜儀比作一架鋼琴，而實(shí)驗(yàn)的操作者就像是鋼琴演奏家，脈沖序列則似不同歌曲的曲譜。

施加一個(gè)與原子核頻率匹配的射頻脈沖，就像是準(zhǔn)確按下鋼琴的琴鍵；原子核在接收射頻脈沖后反饋的信號(hào)，就像是琴鍵被按下后發(fā)出的聲音；我們對(duì)這些反饋信號(hào)的分析處理，就如同大腦處理聽(tīng)到的曲調(diào)，辨識(shí)出是哪一個(gè)音符。

通過(guò)不同的脈沖序列，我們可以得到研究對(duì)象的各種微觀信息，就像不同音符的組合可以演奏出一首又一首美妙的歌曲。因此，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)脈沖序列，科學(xué)家就可以“演奏”出物質(zhì)內(nèi)部的隱秘“樂(lè)章”，從而揭示微觀世界的奧秘。

樂(lè)譜和脈沖序列的比較圖（黑色和白色方框代表脈沖，t1、t2為脈沖序列中的信號(hào)采樣時(shí)段，波浪線代表時(shí)域信號(hào)）

核磁共振的前沿應(yīng)用

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析

蛋白質(zhì)在生命活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，其多樣的功能主要依賴組成蛋白質(zhì)的氨基酸種類和數(shù)量，以及蛋白質(zhì)自身的三維結(jié)構(gòu)。因此，解析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)一直是生物化學(xué)研究的一個(gè)重要方向，核磁共振技術(shù)在此方面發(fā)揮著重要的作用，解析過(guò)程大致可以分為以下幾個(gè)步驟。

首先，測(cè)量蛋白質(zhì)的一維核磁共振波譜，以初步判斷其中大致包含的氨基酸種類。然而，由于蛋白質(zhì)通常由成百上千個(gè)氨基酸組成，且每種氨基酸的結(jié)構(gòu)非常相似，因此一維譜圖往往非常復(fù)雜，信號(hào)峰形重疊嚴(yán)重。在這種情況下，單靠一維譜圖難以確定氨基酸的具體排列順序，更無(wú)法得知蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。

因此，為了解決一維譜圖信號(hào)重疊的問(wèn)題，接下來(lái)會(huì)測(cè)量二維核磁共振波譜。通過(guò)增加一個(gè)維度，我們可以區(qū)分出原本在一維中重疊的信號(hào)。例如，在第一維檢測(cè)氫的信號(hào)，第二維檢測(cè)碳或氮的信號(hào)，通過(guò)分析這兩維信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)性，我們就能獲得原子之間的鍵連信息，從而有效區(qū)分重疊的信號(hào)。

因此，通過(guò)一系列核磁共振實(shí)驗(yàn)，我們可以獲得蛋白質(zhì)中原子與原子之間的空間距離、化學(xué)鍵角等信息；然后將這些信息作為約束條件，并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，從而解析出整個(gè)蛋白質(zhì)的三維構(gòu)型和基團(tuán)鏈段的詳細(xì)排列，最終揭示蛋白質(zhì)的完整三維結(jié)構(gòu)。

除了核磁共振以外，還有別的方法可以解析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，如電子顯微鏡、冷凍電鏡、X射線衍射等，這些技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，但核磁共振的優(yōu)勢(shì)在于它能夠解析溶液中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，這意味著核磁共振能提供更接近蛋白質(zhì)在真實(shí)生理?xiàng)l件下的三維結(jié)構(gòu)，而其他方法解析的都是固態(tài)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，核磁共振是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)不可或缺的重要工具。

量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)研究

量子點(diǎn)是一種由無(wú)機(jī)內(nèi)核和內(nèi)核表面的有機(jī)配體組成的納米顆粒。在量子點(diǎn)的研究中，量子點(diǎn)表面有機(jī)配體的結(jié)構(gòu)以及配體間的相互作用等一直都是非常重要的課題，表面有機(jī)配體的結(jié)構(gòu)對(duì)量子點(diǎn)的整體穩(wěn)定性、發(fā)光性能等都有著重要影響。然而，常規(guī)的檢測(cè)手段（如電子顯微鏡），往往只能觀察到量子點(diǎn)的無(wú)機(jī)內(nèi)核，卻難以捕捉到表面的有機(jī)配體，因此無(wú)法很好地解決研究問(wèn)題。

量子點(diǎn)示意圖（包括無(wú)機(jī)內(nèi)核和有機(jī)配體）

量子點(diǎn)表面配體配位模式和配體的運(yùn)動(dòng)模式

核磁共振在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)不同量子點(diǎn)顆粒進(jìn)行測(cè)量，再結(jié)合量子力學(xué)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)不同量子點(diǎn)表面的有機(jī)配體結(jié)構(gòu)存在顯著差異。

例如，在一種表面上，兩個(gè)氧原子與一個(gè)金屬原子相連，形成螯合結(jié)構(gòu)；而在另一種表面上，兩個(gè)氧原子各自與一個(gè)金屬原子相連，形成橋式結(jié)構(gòu)。這些不同的配位方式意味著有機(jī)配體與無(wú)機(jī)內(nèi)核之間作用強(qiáng)度不同，從而直接影響量子點(diǎn)的穩(wěn)定性。

通過(guò)核磁共振提供的這些關(guān)鍵信息，科學(xué)家可以更深入地理解量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，這不僅有助于提升量子點(diǎn)的穩(wěn)定性，還能為開(kāi)發(fā)新型量子點(diǎn)材料提供重要的理論基礎(chǔ)。

不過(guò)聰明的你可能會(huì)好奇，量子點(diǎn)的表面能否同時(shí)存在多種配體呢？答案是肯定的。隨著配體種類的增加，研究的難度也隨之上升，因?yàn)檫@涉及不同配體的分布情況、配體之間的相互作用等一系列復(fù)雜的問(wèn)題。令人驚喜的是，核磁共振技術(shù)同樣可以幫助我們解決這些問(wèn)題。

首先，針對(duì)不同配體的分布問(wèn)題，我們通常會(huì)猜測(cè)兩種可能的情形：一種是配體完全隨機(jī)分布，另一種是同種配體在表面集群分布。要研究這些分布情況，核磁共振提供了一種既簡(jiǎn)單又巧妙的方法——測(cè)量配體之間的耦合強(qiáng)度。

耦合強(qiáng)度與配體間的距離密切相關(guān)：距離近的配體，耦合強(qiáng)度較大；距離遠(yuǎn)的配體，耦合強(qiáng)度較小。因此，通過(guò)測(cè)量耦合強(qiáng)度，我們可以判斷出不同配體在量子點(diǎn)表面的具體分布情況。最終的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩種長(zhǎng)短鏈的配體來(lái)說(shuō)，它們往往呈現(xiàn)出集群分布。

接下來(lái)是配體之間相互作用的問(wèn)題，核磁共振同樣提供了巧妙的檢測(cè)方法。我們通過(guò)觀察配體的運(yùn)動(dòng)來(lái)間接衡量它們之間的相互作用強(qiáng)弱。對(duì)于一個(gè)擁有十幾甚至二十幾個(gè)碳原子的碳鏈來(lái)說(shuō)，其運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)單分為三類：一部分碳鏈處于靜止?fàn)顟B(tài)，另一部分處于受限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最外圍的部分則處于相對(duì)自由的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以在較大范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過(guò)核磁共振，我們可以分析這些不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的碳鏈的比例，從而了解配體間相互作用的強(qiáng)弱。具體來(lái)說(shuō)，不同的運(yùn)動(dòng)方式會(huì)在核磁共振譜圖上表現(xiàn)為不同的峰形，因此，分析這些峰形的比例就可以解決這個(gè)問(wèn)題。

利用核磁共振對(duì)量子點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)的深入研究，其根本目的是優(yōu)化材料體系，從而合成出性能更優(yōu)異的材料。正所謂“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)主導(dǎo)功能”，建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)及功能之間的構(gòu)效關(guān)系是化學(xué)研究的底層邏輯和出發(fā)點(diǎn)。

核磁共振的未來(lái)發(fā)展

超極化技術(shù)——助力提升核磁信號(hào)強(qiáng)度

目前，核磁共振技術(shù)的一個(gè)主要瓶頸在于靈敏度較低。要理解這一問(wèn)題，我們需要從核磁共振的基本原理談起。

超極化原理示意圖。將電子自旋極化轉(zhuǎn)移給原子核，使原子核自旋成為超極化狀態(tài)，進(jìn)而增強(qiáng)核磁共振信號(hào)

前文提到，在有外加磁場(chǎng)的情況下，原子核會(huì)出現(xiàn)兩種不同的排列狀態(tài)，原子核在兩種不同排列狀態(tài)下的數(shù)量差異，稱為原子核自旋的極化。與外加磁場(chǎng)方向一致的原子核能量較低，但兩個(gè)能級(jí)之間的能量差非常小，兩種狀態(tài)原子核的數(shù)量差異極為微弱，通常在10-4量級(jí)，這也意味著核磁共振信號(hào)本身就非常弱。換言之，原子核的極化程度小，是限制核磁共振靈敏度的核心因素。

為了解決這一問(wèn)題，自然就得從增強(qiáng)原子核極化程度的角度入手。其中一種有效的方法是利用電子的極化來(lái)增強(qiáng)原子核的極化程度。我們可以將電子與原子核進(jìn)行類比：在外加磁場(chǎng)的情況下，電子也會(huì)呈現(xiàn)兩種排列狀態(tài)，從而形成電子極化。具體操作過(guò)程可以簡(jiǎn)單理解如下：

首先，外加磁場(chǎng)使電子產(chǎn)生極化；其次，通過(guò)微波輻射，使電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)，產(chǎn)生“共振”效應(yīng)。這個(gè)共振效應(yīng)將電子的極化轉(zhuǎn)移到與之相互作用的原子核上，就好比電子在“教”原子核如何排列，從而使更多的原子核對(duì)齊磁場(chǎng)方向，擴(kuò)大了兩種狀態(tài)下原子核數(shù)量的差異，從而大大增強(qiáng)了原子核的極化程度，這就是所謂的“超極化”。

那么，為什么要通過(guò)電子來(lái)增強(qiáng)原子核的極化程度呢？這是因?yàn)殡娮拥拇判员仍雍说拇判詮?qiáng)約1000倍，因此電子形成的極化遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于原子核的。通過(guò)這種超極化技術(shù)，核磁共振信號(hào)可以增強(qiáng)幾十甚至上百倍，從而極大地提高了檢測(cè)靈敏度。

功能性磁共振成像原理示意圖

通過(guò)超極化技術(shù)增強(qiáng)原子核的極化程度，能夠讓那些原本信號(hào)極其微弱，甚至難以檢測(cè)的同位素也成為核磁共振研究的對(duì)象。此外，信號(hào)得到增強(qiáng)還意味著可以顯著縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。例如，在常規(guī)條件下，只能在有限時(shí)間內(nèi)獲取一維譜圖的信號(hào)，而經(jīng)過(guò)超極化處理后，同樣的時(shí)間可能就足以獲取一個(gè)完整的二維譜圖。超極化技術(shù)還可以大大減少實(shí)驗(yàn)資源的消耗。在低濃度條件下，原本難以獲得信噪比良好的數(shù)據(jù)，而借助超極化技術(shù)，這一問(wèn)題也迎刃而解。

因此，超極化技術(shù)不僅拓寬了核磁共振的應(yīng)用范圍，還能有效節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間和資源，是核磁共振未來(lái)發(fā)展的重要方向之一。

鈉離子磁共振成像——捕捉人體神經(jīng)活動(dòng)

磁共振成像（MRI）作為一種非侵入、無(wú)輻射且能夠提供豐富信息的診斷工具，已經(jīng)在臨床廣泛應(yīng)用。它的成像原理的核心在于儀器內(nèi)的梯度線圈。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，為了生成一張圖像，我們需要知道每一個(gè)原子核所在的位置。梯度線圈的作用是在不同方向（通常是x、y、z三個(gè)方向）施加梯度磁場(chǎng)，使三維空間中每一處的磁場(chǎng)強(qiáng)度都不相同，從而使不同位置的原子核產(chǎn)生不同的共振頻率，這就像是給不同區(qū)域的原子核賦予了獨(dú)特的“頻率地址”。

通過(guò)后期的數(shù)據(jù)處理，我們可以定位各個(gè)區(qū)域的原子核位置，從而重建出身體內(nèi)部的二維切片圖像，甚至通過(guò)多個(gè)切片圖像生成三維結(jié)構(gòu)圖。

臨床上使用磁共振成像主要檢測(cè)的是人體內(nèi)的水分子，具體來(lái)說(shuō)是水分子中的氫原子。

人體的含水量非常高，尤其是在軟組織中。此外，氫原子核的極化程度也較大，這兩點(diǎn)使得其磁共振信號(hào)較強(qiáng)。由于不同組織的含水量和水的狀態(tài)存在差異，因此磁共振可以利用這些差異來(lái)區(qū)分不同的組織及其內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)。

既然不同的組織可以被區(qū)分開(kāi)，那么同一組織的不同狀態(tài)（如正常生理狀態(tài)和病理狀態(tài)）自然也可以通過(guò)磁共振來(lái)區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)疾病的診斷。

在磁共振成像中，一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域是功能性磁共振成像（fMRI）。這項(xiàng)技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于腦科學(xué)研究。功能性磁共振成像是一種非侵入式神經(jīng)影像技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤大腦活動(dòng)，因此在探索大腦的認(rèn)知功能和診斷腦部疾病方面發(fā)揮著重要作用。其中，最常用的方法是采集血氧水平依賴（BOLD）的信號(hào)。BOLD基于的原理如下：

神經(jīng)元活動(dòng)會(huì)消耗大量的葡萄糖和氧氣，但神經(jīng)元本身無(wú)法儲(chǔ)存這些物質(zhì)，所以需要血液持續(xù)供應(yīng)。因此，活躍的神經(jīng)元區(qū)域會(huì)吸引更多的血液流經(jīng)。雖然神經(jīng)元活動(dòng)會(huì)增加耗氧量，但血流量的增加通常超過(guò)了氧氣的消耗量，在活躍的神經(jīng)元區(qū)域的含氧血紅蛋白的濃度增加，脫氧血紅蛋白的濃度降低。此外，含氧血紅蛋白是弱抗磁性物質(zhì)，而脫氧血紅蛋白是順磁性物質(zhì)，后者會(huì)影響局部磁場(chǎng)，加速橫向磁化矢量的衰減，從而降低磁共振信號(hào)。因此，在神經(jīng)元活動(dòng)的區(qū)域，由于脫氧血紅蛋白的濃度較低，磁共振信號(hào)反而更強(qiáng)。通過(guò)測(cè)量這些信號(hào)的變化，我們可以間接判斷大腦中哪個(gè)區(qū)域正在活躍。

我們可以看到，這么重要的一項(xiàng)技術(shù)背后的原理其實(shí)說(shuō)不上復(fù)雜。而這并不是個(gè)例，科學(xué)史上很多重大發(fā)現(xiàn)或進(jìn)展背后的原理都不是晦澀難懂、“生人勿近”的，但它難在知識(shí)的遷移和融會(huì)貫通。如果能把一個(gè)大家都知道的知識(shí)運(yùn)用在誰(shuí)都沒(méi)想到的方面并大放異彩，這就是創(chuàng)新，這就是重大突破。

當(dāng)然，BOLD也有自身的局限性。由于大腦反應(yīng)非常迅速，通常在毫秒量級(jí)，而血氧濃度的變化卻在秒量級(jí)，因此BOLD測(cè)得的信號(hào)與實(shí)際大腦活動(dòng)之間存在時(shí)間差和滯后性。如何實(shí)現(xiàn)在一個(gè)更快的時(shí)間尺度內(nèi)捕捉大腦的活動(dòng)成為許多不同研究領(lǐng)域的追求目標(biāo)。

有些研究者采用插入電極的方法來(lái)直接測(cè)量大腦信號(hào)，這種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦信號(hào)的快速捕捉，但具有侵入性，并且只能檢測(cè)局部信號(hào)。磁共振成像是一種非侵入全景式檢測(cè)方式，因此如何提高磁共振的時(shí)間分辨率成為未來(lái)發(fā)展的另一重要方向。而鈉離子磁共振（23Na MRI）是有望實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)。

人體內(nèi)含有一定量的鈉離子，如我們每日攝入的食鹽（氯化鈉）中的鈉。此外，鈉離子同樣具有磁共振信號(hào)。而最重要的一點(diǎn)是，鈉離子與神經(jīng)活動(dòng)的關(guān)系非常密切，神經(jīng)信號(hào)的傳遞依賴鈉離子和鉀離子的跨膜運(yùn)輸，所以在時(shí)間分辨率上，鈉離子磁共振是優(yōu)于基于水分子或含氧量的間接檢測(cè)方法的。因此，如果我們能夠?qū)崟r(shí)探測(cè)鈉離子的快速變化情況，就有可能捕捉到神經(jīng)活動(dòng)的即時(shí)情況。

當(dāng)前，已經(jīng)有研究實(shí)現(xiàn)了通過(guò)鈉離子磁共振監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)外鈉離子濃度及其跨膜交換的變化情況。因此，利用鈉離子磁共振成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)神經(jīng)活動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)大腦活動(dòng)的毫秒級(jí)監(jiān)測(cè)，在未來(lái)是有可能實(shí)現(xiàn)的。

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“世界科學(xué)”，文章根據(jù)筆者在上海市科學(xué)技術(shù)普及志愿者協(xié)會(huì)主辦的“海上科普講壇”上的報(bào)告撰寫(xiě)而成。