劉濤濤，王 杰，郭向陽(yáng)

腦科學(xué)研究中的質(zhì)子磁共振波譜方法

劉濤濤1,2，王 杰2*，郭向陽(yáng)1#

1. 北京大學(xué)第三醫(yī)院 麻醉科，北京 100191；2. 中國(guó)科學(xué)院生物磁共振分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，波譜與原子分子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢磁共振中心（中國(guó)科學(xué)院，武漢物理與數(shù)學(xué)研究所），湖北 武漢 430071

核磁共振（NMR）波譜作為一種操作簡(jiǎn)單、高效且重復(fù)性良好的技術(shù)手段，在腦科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，尤其是離體核磁共振氫譜（1H NMR）和活體核磁共振氫譜（1H MRS）．1H NMR和1H MRS在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、樣品預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理等方面各有優(yōu)劣、各擅勝場(chǎng)．本綜述主要從適用范圍、樣品預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理分析等方面，對(duì)二者在方法學(xué)層面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和討論，以期為腦科學(xué)領(lǐng)域的研究者進(jìn)行大腦代謝相關(guān)研究時(shí)提供一定的參考和幫助．

核磁共振波譜；活體譜；腦科學(xué)；代謝

引 言

自20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，已有5次諾貝爾獎(jiǎng)被授予在核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家們．NMR是自旋量子數(shù)不為0（≠0）的原子核在特定磁場(chǎng)中自旋能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，在特定頻率的脈沖（射頻）作用下發(fā)生能級(jí)躍遷的現(xiàn)象．

NMR波譜利用NMR現(xiàn)象從原子水平上探測(cè)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，因具備操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)快速、高通量、重復(fù)性好等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域迅速得到廣泛應(yīng)用，包括基礎(chǔ)科學(xué)研究、臨床疾病診斷和預(yù)后．根據(jù)所測(cè)原子核的不同，可將NMR波譜分為基于1H、13C、14N、15N、19F、31P、23Na核的NMR波譜等．基于不同原子核的NMR波譜具有不同的優(yōu)勢(shì)；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，也具有不同的應(yīng)用范圍．例如研究大腦區(qū)域性葡萄糖代謝速率可采用基于13C核的NMR波譜技術(shù)[1]，結(jié)合同位素標(biāo)記技術(shù)和特殊的去耦技術(shù)，可靶向檢測(cè)大腦內(nèi)特定物質(zhì)的代謝．例如將13C標(biāo)記的葡萄糖或醋酸鈉等通過(guò)外周血管注入大鼠體內(nèi)，通過(guò)POCE（proton observed carbon edit）技術(shù)[2]或13C NMR[3]技術(shù)可實(shí)時(shí)檢測(cè)大鼠腦內(nèi)（活體或離體）谷氨酸（glutamate，Glu）、-氨基丁酸（gamma-amino butyric acid，GABA）和谷氨酰胺（glutamine，Gln）等物質(zhì)的代謝水平和代謝速率，繼而獲得特定時(shí)刻腦內(nèi)特定神經(jīng)元及膠質(zhì)細(xì)胞的活動(dòng)狀態(tài)．基于14N核和15N核的NMR波譜的聯(lián)合在蛋白質(zhì)代謝研究中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)．基于31P核的NMR波譜技術(shù)在研究大腦能量代謝領(lǐng)域運(yùn)用廣泛[4]．而基于23Na核和39K核的NMR波譜技術(shù)可用于研究鈉離子和鉀離子的動(dòng)態(tài)變化[5]．而作為生命體含量最為豐富的氫原子，基于1H核的NMR波譜在代謝組學(xué)、代謝動(dòng)力學(xué)等研究領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛[3-6]．盡管NMR波譜靈敏度較低，但若結(jié)合動(dòng)態(tài)核激化（dynamic nuclear polarization，DNP）等技術(shù)，其靈敏度可顯著提高：一般而言，基于1H核的NMR實(shí)驗(yàn)的靈敏度可提高數(shù)倍，基于13C核的NMR實(shí)驗(yàn)的靈敏度提高可至數(shù)百倍[7]．

根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和使用儀器的不同，NMR波譜技術(shù)又可分為活體譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）和離體譜兩大類(lèi)．其中，活體譜的采集對(duì)象為存在生命體征的人體或動(dòng)物，而離體譜為人體或動(dòng)物組織的提取物、體液等樣品的譜圖．

在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的基于1H核的NMR波譜按習(xí)慣也可以分為活體磁共振氫譜（proton magnetic resonance spectroscopy，1H MRS）和離體核磁共振氫譜（proton nuclear magnetic resonance，1H NMR）．本文將對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行概述，并討論它們應(yīng)用于腦科學(xué)領(lǐng)域時(shí)的差異．

1 采樣設(shè)備和參數(shù)的不同

就采集譜圖使用的設(shè)備而言，1H MRS多采用磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）掃描儀完成，而1H NMR則多采用NMR譜儀，兩種儀器對(duì)于場(chǎng)強(qiáng)分別習(xí)慣以特斯拉（）和兆赫茲（MHz）描述．

1H NMR和1H MRS技術(shù)雖都屬于NMR波譜，但二者的采樣對(duì)象卻有顯著區(qū)別．1H NMR一般采集的是整個(gè)樣品的譜圖；而1H MRS既可以采集組織整體的譜圖，更可以采集空間定域譜，即空間中部分組織的譜圖．這是因?yàn)?H MRS方法通過(guò)在主磁場(chǎng)（0）或射頻場(chǎng)（1）方向疊加一個(gè)梯度場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)空間定位．其中可實(shí)現(xiàn)成功定位的技術(shù)包括深度分辨表面波譜技術(shù)（depth-resolved surface spectroscopy，DRESS）、活體內(nèi)圖像選擇波譜技術(shù)（image-selectedspectroscopy，ISIS）、激勵(lì)回波采樣模式（stimulated echo acquisition mode，STEAM）和點(diǎn)分辨自旋回波波譜定位技術(shù)（point-resolved echo spin spectroscopy，PRESS）等等．其中，PRESS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于1H MRS，它包含90?-180?-180?脈沖，每個(gè)射頻脈沖都是層選脈沖，且梯度場(chǎng)作用在3個(gè)互相垂直方向，可以得到定位區(qū)域內(nèi)完整的信號(hào)．因此，1H MRS技術(shù)的待測(cè)樣品多為活體組織．在實(shí)際檢測(cè)中，為更好地觀測(cè)到組織內(nèi)或樣品中的待測(cè)物質(zhì)，兩種技術(shù)都需要對(duì)樣品或組織中水信號(hào)進(jìn)行壓制．1H MRS多采用成熟的預(yù)飽和壓水技術(shù)，而1H NMR可采用的壓水技術(shù)則較多，例如預(yù)飽和壓水、WATERGATE及ES（excitation sculpting）技術(shù)等等．

與1H MRS相比，1H NMR技術(shù)可獲得多種多維譜圖信息，從而對(duì)待測(cè)樣品中的未知組分進(jìn)行代謝物歸屬，如：氫-氫相關(guān)譜（1H-1H correlation spectroscopy，COSY）、-分解譜（-resolved spectroscopy，-Res）、氫-氫全相關(guān)譜（1H-1H total correlation spectroscopy，TOCSY）、氫-碳異核單量子相關(guān)譜（1H-13C heteronuclear single quantum correlation，HSQC）和氫-碳異核多鍵相關(guān)譜（1H-13C heteronuclear multiple bond correlation，HMBC）等．

2 檢測(cè)靈敏度不同

大鼠腦組織1H MRS和1H NMR的譜圖主要包含如下代謝物的信息：乳酸（lactate，Lac）、-乙酰天門(mén)冬氨酸（-acetyl aspartate，NAA）、膽堿（choline，Cho）、谷氨酸和谷氨酰胺復(fù)合物（Glu+ Gln，Glx）、GABA、肌酸（creatine，Cr）、肌醇（myo-inositol，Ins），丙氨酸（alanine，Ala）、Glu、Gln、天門(mén)冬氨酸（aspartate，Asp）、?；撬幔╰aurine，Tau）、甘氨酸（glycine，Gly）、丙酮（acetone，Ace）、脂質(zhì)和葡萄糖等代謝物信息[8,9]．基于1H NMR的部分代謝組分在青年大鼠（1-2月齡）大腦皮層中的濃度[10]見(jiàn)表1所示．

表1 基于1H NMR的青年大鼠大腦皮層小分子代謝物濃度范圍[10]

在檢測(cè)這些組分時(shí)，這兩種技術(shù)的檢測(cè)靈敏度和譜圖信噪比具有一定差異．1H MRS技術(shù)通過(guò)特定的序列可以對(duì)某個(gè)感興趣區(qū)域（region of interest，ROI）的代謝物信息進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲，實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的空間定位．但受限于檢測(cè)方法，1H MRS無(wú)法對(duì)不規(guī)則狀腦區(qū)，例如整個(gè)海馬腦區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)定位掃描．而且1H MRS譜圖易受到生物大分子、脂質(zhì)和水分子的影響，因此譜峰分辨率較低，一般用于檢測(cè)組織內(nèi)濃度較高的物質(zhì)，如Cr和NAA等等．而1H NMR技術(shù)可以對(duì)整個(gè)組織進(jìn)行代謝組分分析[11,12]；也可以將組織進(jìn)行勻漿，進(jìn)行代謝物全組分提取和富集，進(jìn)而進(jìn)行準(zhǔn)確的定性和定量分析[6,13]．經(jīng)過(guò)大分子沉淀和多次離心后，樣品均勻度好、譜峰分辨率較高、可檢測(cè)到的代謝物種類(lèi)較多，同時(shí)對(duì)待測(cè)物質(zhì)的濃度要求相對(duì)較低，一般達(dá)到微摩爾（μmol）級(jí)即可被檢測(cè)出．因此，在相同磁場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)條件下，1H NMR的磁場(chǎng)均勻性、檢測(cè)靈敏度和信噪比遠(yuǎn)高于1H MRS（圖1）．

圖1 小鼠大腦皮層的1H MRS（7.0 T）與1H NMR（600 MHz）譜圖示例．(a)上方為1H MRS譜圖，下方為1H NMR譜圖；(b)~(d)分別是(a)圖中1H NMR譜圖的放大譜圖. Lac，乳酸；Ins，肌醇；Cr，肌酸；Glx，谷氨酸和谷氨酰胺復(fù)合物；Gly，甘氨酸；Tau，?；撬?；Cho，膽堿；GABA，g-氨基丁酸；Asp，天門(mén)冬氨酸；NAA，N-乙酰天門(mén)冬氨酸；Glu，谷氨酸；Gln，谷氨酰胺；Ace，丙酮；Ala，丙氨酸；Val，纈氨酸；Iso，異亮氨酸；Leu，亮氨酸

3 適用的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及樣品前處理的不同

在腦科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，1H MRS技術(shù)的檢測(cè)對(duì)象主要包括嚙齒類(lèi)動(dòng)物（大鼠和小鼠）、樹(shù)鼩、犬、貓及猴，其檢測(cè)前最主要的準(zhǔn)備工作是對(duì)待測(cè)動(dòng)物進(jìn)行麻醉和固定．待檢動(dòng)物被麻醉后，利用特定的裝置將其固定與動(dòng)物床，通過(guò)MRI掃描儀對(duì)大腦的不同層面（水平面、冠狀面和矢狀面）進(jìn)行結(jié)構(gòu)成像，以便調(diào)整動(dòng)物的位置，使待測(cè)腦區(qū)處于最有利于接收線圈獲取信號(hào)的位置．動(dòng)物固定完成后，即可進(jìn)行1H MRS數(shù)據(jù)采集．就適用的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)而言，因1H MRS技術(shù)在檢測(cè)前后勿須處死動(dòng)物，因此其可對(duì)同一只動(dòng)物進(jìn)行不同時(shí)間和空間的縱向比較．例如研究小鼠不同腦區(qū)的代謝物水平變化與年齡的關(guān)系[14]；比較同一動(dòng)物接受特定干預(yù)前后的不同腦區(qū)代謝物變化；揭示與不同疾病或藥物代謝相關(guān)的機(jī)制[15,16]等．另一方面，因?yàn)槭腔铙w檢測(cè)，在檢測(cè)過(guò)程中機(jī)體內(nèi)的代謝仍在進(jìn)行，因此1H MRS技術(shù)檢測(cè)的是被測(cè)個(gè)體在一定時(shí)間窗口內(nèi)代謝物的平均水平．此外，被測(cè)動(dòng)物在進(jìn)行1H MRS檢測(cè)時(shí)，需預(yù)先麻醉或通過(guò)特定裝置強(qiáng)制固定在動(dòng)物床上，此過(guò)程不僅需要一定的時(shí)間準(zhǔn)備，并且很可能需要使用麻醉藥物，因此不太適用于針對(duì)麻醉藥物或急性實(shí)驗(yàn)的研究，例如與麻醉密切相關(guān)的術(shù)后認(rèn)知功能障礙動(dòng)物模型的相關(guān)研究．

1H NMR技術(shù)應(yīng)用于腦科學(xué)研究時(shí)，一般是針對(duì)于腦組織樣品進(jìn)行研究，包括組織、體液、排泄物等．腦科學(xué)研究中，組織樣品主要包括腦組織和脊髓．因?yàn)闄z測(cè)的是離體組織樣品，其與1H MRS最大的區(qū)別是，1H NMR不能對(duì)同只動(dòng)物進(jìn)行不同時(shí)間點(diǎn)的縱向比較．生理狀態(tài)下，大腦處于富氧環(huán)境，動(dòng)物一旦死亡，富含氧的血液循環(huán)即停止，組織有氧代謝為主的狀態(tài)很快轉(zhuǎn)為無(wú)氧代謝為主，即乳酸濃度瞬間升高[17]，從而影響到下游代謝產(chǎn)物GABA或者其他的代謝產(chǎn)物．因此，該技術(shù)最重要的檢測(cè)前準(zhǔn)備是組織固定．通過(guò)組織固定將機(jī)體代謝瞬時(shí)終止，方可準(zhǔn)確地反應(yīng)動(dòng)物實(shí)時(shí)的代謝情況．組織固定預(yù)處理主要有三種方法，快速斷頭后冷凍、冷凍固定后斷頭[17]和微波固定后斷頭[18]．快速斷頭后冷凍方法的優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，缺點(diǎn)是腦部的代謝和生化反應(yīng)一直在進(jìn)行，直至樣品冷凍后．而伴隨著腦部研究的精細(xì)化，當(dāng)前的研究往往需要將腦組織進(jìn)行更為精細(xì)的分區(qū)（甚至到核團(tuán)水平），這意味著分離組織可能需要消耗更多的時(shí)間，因此該處理方法正逐漸被淘汰．冷凍固定后斷頭取材可顯著減少代謝物在動(dòng)物機(jī)體死亡后的變化（postmortem change）[17]．但使用液氮速凍后，腦或脊髓組織的質(zhì)地異常堅(jiān)硬，很難對(duì)組織進(jìn)行精細(xì)分區(qū)，該法當(dāng)前主要應(yīng)用于皮層區(qū)域的研究．另外，該方法并不能對(duì)蛋白進(jìn)行徹底的變性，因此在操作過(guò)程中必須在低溫條件下進(jìn)行，持續(xù)利用液氮或干冰降溫．微波熱固定組織技術(shù)是利用微波將腦組織迅速加熱，導(dǎo)致腦內(nèi)生化反應(yīng)所必需的酶發(fā)生不可逆的失活變性，將代謝反應(yīng)瞬時(shí)停止，以減少代謝物的死亡后變化[18]．微波作用于腦組織表面時(shí)，能夠同時(shí)穿透到腦的深部，達(dá)到短時(shí)間內(nèi)使組織深部和表面同時(shí)被固定的效果[18]．研究表明，經(jīng)微波固定的組織內(nèi)代謝組分在12 h內(nèi)變化不明顯[19]，這為腦組織的精細(xì)分離提供了充裕的時(shí)間．該方法一般先將動(dòng)物麻醉，然后將動(dòng)物置入特殊的微波加熱裝置；待微波固定完成后，將動(dòng)物取出，快速冷凍降溫、斷頭，然后對(duì)腦組織進(jìn)行精細(xì)分區(qū)．微波技術(shù)自1971年問(wèn)世以來(lái)，受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用．目前嚙齒類(lèi)動(dòng)物的微波固定裝置愈發(fā)先進(jìn)，功率可穩(wěn)定達(dá)到數(shù)千瓦、微波時(shí)間可縮短至1 s左右[18-22]．但該設(shè)備價(jià)格昂貴，并非所有實(shí)驗(yàn)室均可承受．近年來(lái)，有研究者發(fā)現(xiàn)利用家用微波爐同樣可以對(duì)組織進(jìn)行微波固定，但由于功率原因和加熱面積不夠集中，因此加熱時(shí)間略長(zhǎng)于專(zhuān)用微波裝置[6]．相較于冷凍固定法，微波固定法能夠很好的保護(hù)腦組織原始解剖結(jié)構(gòu)，這對(duì)于腦組織分區(qū)至關(guān)重要[23]．基于以上優(yōu)勢(shì)，微波熱固定方法已成為離體1H NMR檢測(cè)時(shí)，組織樣品預(yù)處理最常用的固定方法．

4 數(shù)據(jù)處理方法的不同

1H MRS定量分析代謝物濃度時(shí)，主要是分析所檢測(cè)區(qū)域內(nèi)代謝物的總和．1H MRS的檢測(cè)區(qū)域多為規(guī)則的正方體或長(zhǎng)方體．與1H NMR相比，它更加受制于生物組織的復(fù)雜性、生物體大分子的干擾、觀測(cè)區(qū)域磁場(chǎng)的不均勻性、實(shí)驗(yàn)儀器的限制，以及代謝組分之間質(zhì)子信號(hào)的相互干擾以及自旋耦合等一系列因素的影響，其直接定量或者相對(duì)定量均相對(duì)更加繁瑣．在定量分析前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更加嚴(yán)格的頻率、相位和基線校正，以及去噪處理等預(yù)處理．基于代謝物譜峰的高度或峰面積與其實(shí)際濃度呈正比這一關(guān)系，可采用峰高或峰面積對(duì)其進(jìn)行定量分析．也可將譜圖中某一濃度相對(duì)恒定的物質(zhì)（如Cr[12]或者Ins[24]）作為內(nèi)標(biāo)，計(jì)算其它代謝組分的相對(duì)含量．此外，1H MRS還可借助外標(biāo)準(zhǔn)液結(jié)合STEAM和PRESS序列來(lái)進(jìn)行定量[25]．基于1H MRS技術(shù)的不斷發(fā)展，一系列活體波譜的擬合算法和數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)運(yùn)而生，使1H MRS的定量分析更加方便，如LC Model、JMRIU、TARQUIN等[13,26,27]．

1H NMR技術(shù)進(jìn)行定量研究時(shí)，除可將某一濃度相對(duì)恒定的物質(zhì)作為內(nèi)標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算出其它代謝組分的相對(duì)含量外[28,29]，還可實(shí)現(xiàn)待測(cè)組分的絕對(duì)定量．如將已知濃度的外標(biāo)準(zhǔn)品和待測(cè)樣品同時(shí)加入NMR樣品管進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合二者的峰面積、組織重量以及目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)等信息獲得代謝物的絕對(duì)含量．常用的外標(biāo)準(zhǔn)品包括位于H8.46的甲酸鈉（sodium formate）和H0.00的三甲基硅基丙酸鹽（sodium-3-trimethylsilylpropionae，TSP）．選取外標(biāo)準(zhǔn)品時(shí)，一般需滿足以下要求：首先外標(biāo)準(zhǔn)品必須可溶于待測(cè)溶液；其次是高度化學(xué)惰性（即外標(biāo)準(zhǔn)品不與待測(cè)樣品的代謝物發(fā)生反應(yīng)）；外標(biāo)準(zhǔn)品應(yīng)當(dāng)只有一個(gè)簡(jiǎn)單或易于識(shí)別的吸收峰（即在譜圖中不與其它代謝物存在譜峰重疊）；此外，理想的外標(biāo)準(zhǔn)品還應(yīng)當(dāng)具有沸點(diǎn)低、易回收的性質(zhì)．例如TSP一般不用于血液1H NMR波譜分析，因其能與血液中大分子蛋白發(fā)生反應(yīng)[30]，尤其是白蛋白[31]．因此，多選用甲酸鈉作為內(nèi)標(biāo)定量分析血液中代謝組分．1H NMR雖可定量計(jì)算NMR樣管中所測(cè)物質(zhì)的絕對(duì)濃度，但由于在樣品提取時(shí)，難以使目標(biāo)物質(zhì)的提取率達(dá)到100%，因此，在進(jìn)行1H NMR分析時(shí)，需增加樣本數(shù)量，以消除動(dòng)物個(gè)體和提取率的差異．

在離體1H NMR數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，數(shù)據(jù)歸一化（normalization）是必不可少的一環(huán)．歸一化的主要目的是消除樣品間不均一性（濃度或含量的不同），常用的歸一化方法有不歸一化[32]、質(zhì)量歸一化[6]、面積歸一化[32]和熵歸一化[33]．其中不歸一化是指直接將代謝物的譜峰面積積分并作為變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，該方法可用與成分相對(duì)穩(wěn)定的樣品，如血漿樣品．質(zhì)量歸一化是將代謝物的譜峰面積積分后除以樣品的質(zhì)量再進(jìn)行定量分析，該歸一化多用于可以精確稱重的組織樣品，如腦和脊髓等組織樣品[6,20]．面積歸一化是將樣本中的所有譜峰看做一個(gè)整體，先求出所有譜峰的總面積，然后將每一個(gè)峰的面積除以總面積．面積歸一化得到的數(shù)據(jù)反映的是代謝物的比例，當(dāng)外界因素對(duì)樣品中所有物質(zhì)的影響是同等程度，該歸一化可有效消除稀釋或提取效率等因素的影響；相反，當(dāng)外界因素對(duì)樣品中某變量影響巨大時(shí)（如糖尿病患者和對(duì)照組的血液或尿液中葡萄糖信號(hào)對(duì)整個(gè)樣品總面積的影響），該法則不能如實(shí)還原出真實(shí)的變化[34]．熵歸一化一般是在面積歸一化的基礎(chǔ)上，根據(jù)一組樣品（多為對(duì)照組）的譜峰分布情況，找出一個(gè)合適的譜作為參考譜，進(jìn)而得出熵值分布圖，并以此來(lái)還原樣品的真實(shí)濃度．

5 在腦科學(xué)研究領(lǐng)域的具體應(yīng)用的不同

目前，MRS在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)中均有廣泛的應(yīng)用，最常用的是基于1H、31P和13C核的MRS．1H MRS可用于檢測(cè)幾種重要的神經(jīng)遞質(zhì)（圖1）；而13C MRS通過(guò)檢測(cè)葡萄糖類(lèi)物質(zhì)的代謝流，可在常態(tài)或病理狀態(tài)下無(wú)損研究生命體組織機(jī)能；31P MRS可提供有關(guān)機(jī)體能量代謝物質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)pH值等重要信息．當(dāng)前，1H MRS可用于確診疾病的發(fā)病狀態(tài)以及后期治療效果的評(píng)估等領(lǐng)域，已被用于多種疾病的相關(guān)研究當(dāng)中，例如肝臟、心肌、骨骼肌、代謝性疾病、（顳葉）癲癇、腦出血、腦缺氧、腦損傷及精神性疾病等等．1H MRS技術(shù)在腦科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣泛．Morley等[35]利用1H MRS技術(shù)對(duì)酒精依賴的成年志愿者進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其大腦頂葉的GABA濃度與酒精性肝病的嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)聯(lián)系．Ford等[36]采集了健康志愿者服用高劑量的B族維生素6個(gè)月前后的1H MRS譜圖，發(fā)現(xiàn)服用B族維生素6月后，志愿者血液中的VB6含量和腦部后扣帶回的NAA、Cr和Cho呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，而血液中的VB12只與Cr呈正相關(guān)．Cheong等[37]利用1H MRS檢測(cè)了不同階段的肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥患者和匹配的健康志愿者的大腦的細(xì)胞構(gòu)筑變化，結(jié)果表明在入組后12個(gè)月的觀察期內(nèi)，上肢運(yùn)動(dòng)功能明顯惡化患者的運(yùn)動(dòng)皮層的NAA/Ins比值顯著下降，延髓功能評(píng)分下降患者腦橋的Glu+Gln含量顯著增加．最近，一項(xiàng)多中心的臨床研究發(fā)現(xiàn)，接受過(guò)低溫治療的新生兒腦病患者，在其出生后早期（4~14天）進(jìn)行丘腦1H MRS檢測(cè)，對(duì)其兩年后的神經(jīng)發(fā)育情況具有很好的預(yù)測(cè)作用，具體為丘腦NAA的濃度與患兒的神經(jīng)發(fā)育呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)聯(lián)系[38]．在臨床診斷方面，1H MRS在臨床腦瘤[39-41]、腦損傷[42]和阿爾茲海默[43]等的診療工作中，相比于傳統(tǒng)的MRI，其具有更高的靈敏度和特異性（1H MRS的78%MRI的66%），因此經(jīng)常被作為輔助診斷和疾病分級(jí)的工具[42]．一般情況下，在疾病的發(fā)展過(guò)程中，代謝物質(zhì)的改變先于組織病理形態(tài)的改變，1H MRS技術(shù)對(duì)這些代謝物質(zhì)的改變的識(shí)別性較高，故可提供組織化學(xué)特性方面的信息，進(jìn)而達(dá)到早期檢測(cè)腦瘤等惡性腦疾病的目的，同時(shí)對(duì)其后期診療效果評(píng)估亦具有重要意義．例如，1H MRS對(duì)于腦瘤的診斷和準(zhǔn)確定級(jí)具有重要的診療意義[39-41]，臨床醫(yī)生可根據(jù)不同的診斷結(jié)果和腦瘤進(jìn)程實(shí)施不同的治療方案．

相比于1H MRS的廣泛引用，1H NMR在腦科學(xué)研究領(lǐng)域則主要集中在基礎(chǔ)科學(xué)研究．如Swann等[44]利用1H NMR對(duì)生長(zhǎng)在不同飼養(yǎng)環(huán)境（無(wú)菌、清潔、SPF級(jí)）下的小鼠的額葉和海馬組織進(jìn)行代謝物檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種飼養(yǎng)環(huán)境下的小鼠在上述腦區(qū)的代謝物含量具有差異性．本文作者[6]對(duì)疼痛和瘙癢模型小鼠進(jìn)行脊髓代謝物的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)二者的脊髓代謝物表型明顯不同．Mcguire等[45]對(duì)慢性腦損傷大鼠進(jìn)行1H NMR檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)相比于對(duì)照組，腦損傷后代謝的異常主要集中與額葉和腦干區(qū)域．相比于1H MRS，1H NMR的優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)w液的代謝物進(jìn)行檢測(cè)，如油脂對(duì)尿液代謝的影響[46]、急性異煙肼中毒的血液代謝變化[47]等等．另外，由于1H MRS譜圖的分辨率較低、譜峰重疊嚴(yán)重，研究者經(jīng)常采用1H NMR技術(shù)驗(yàn)證1H MRS的研究結(jié)果[48]．

6 展望

作為一種可對(duì)組織或樣品實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)，NMR波譜自問(wèn)世后，一直作為生物體內(nèi)代謝物定性和定量檢測(cè)的重要技術(shù)之一．在疾病的發(fā)展過(guò)程中，組織內(nèi)代謝物質(zhì)的改變往往早于病理組織形態(tài)的改變．近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，NMR波譜技術(shù)作為目前唯一能夠無(wú)損檢測(cè)活體組織內(nèi)化學(xué)特性的技術(shù)已逐漸進(jìn)入臨床應(yīng)用階段．與其它技術(shù)相比，NMR波譜技術(shù)可基本實(shí)現(xiàn)腫瘤等疾病的診斷和定級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)惡性疾病的早發(fā)現(xiàn)、早治療，盡可能降低患者的病痛以及醫(yī)療成本．另外，腦認(rèn)知能力和各類(lèi)神經(jīng)精神疾病與神經(jīng)元的活動(dòng)息息相關(guān)，功能磁共振信號(hào)可以通過(guò)腦血流的改變對(duì)大腦功能進(jìn)行預(yù)測(cè)，但無(wú)法區(qū)分大腦內(nèi)興奮性或者抑制性神經(jīng)元的活性．為適應(yīng)此需求，研究人員近年來(lái)發(fā)明了功能磁共振波譜（1H fMRS）技術(shù)[49]，通過(guò)研究任務(wù)相關(guān)Glu、GABA等相關(guān)代謝組分的變化，直接測(cè)量腦內(nèi)相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)，且對(duì)血管的變化不太敏感，進(jìn)而探索大腦的調(diào)節(jié)與變化機(jī)制．隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，NMR波譜技術(shù)必然能夠在基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)和精神神經(jīng)疾病研究中發(fā)揮越來(lái)越大的作用．

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Proton Magnetic Resonance Spectroscopy in Brain Science Researches

1,2，2*，1#

1. Department of Anesthesiology, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China; 2. CAS Key Laboratory of Biomedical Magnetic Resonance Analysis, State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics, National Center for Magnetic Resonance in Wuhan (Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Sciences), Wuhan 430071, China

Nuclear magnetic resonance spectroscopy, especiallyproton magnetic resonance spectrum (1H MRS) and proton nuclear magnetic resonance (1H NMR), has been increasingly used in brain science researches. There are pros and cons in1H MRS and1H NMR with respect to experiment design, sample preparation and data processing. In this review, we summarized and discussed the recent progresses of these two techniques in the ends of application range, sample preparation, quantification and data analysis. The work will provide a reference and insights for neuroscience researchers who are interested in using magnetic resonance spectroscopy for metabolic studies of the brain.

nuclear magnetic resonance spectroscopy,spectrum, brain science, metabolism

O482.53

A

10.11938/cjmr20182702

2018-12-18;

2019-04-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8187051484, 8157050329, 81600933).

* Tel: +86-27-87197653, E-mail: jie.wang@wipm.ac.cn;

# Tel: 86-27-82267276, E-mail: guoxiangyangmzk@163.com.