【非關科學】繪製人體地圖：核磁共振造影

這期超級辛苦＠＠

要謝謝幫了很多忙的老師同學。很抱歉一直煩你們：）

還有比我還辛苦的編輯們跟插畫家，

插畫家也太厲害了吧！圖畫的比美國的雜誌漂亮太多了，

因為版權的關係我不能放圖片，可以去書店翻翻囉：）

繪製人體地圖

我不能動彈，頭部被固定在像橄欖球帽的線圈中。實驗者的識別證和皮帶，像是在無重力狀態下一樣飄浮起來。接著，我被送入窄小的隧道中，前後隱隱透著光源。空氣很冷，有股淡淡的塑膠味。四周快速震動，發出震耳的「嗡嗡嗡嗡」、「嗶嗶嗶嗶」聲。數秒內，我的腦被「削」成一百多片的薄片，我的一生在我眼前閃過……。

好吧！最後一句是我胡扯的。這不是什麼恐怖的太空艙實驗，而是台大醫學院光電醫學研究中心MRI實驗室裡的實驗。這台MRI是台大醫學院和台大醫院共有，平日供台大醫院做病患診斷，晚上和假日還要讓MRI實驗室的同學做研究，連颱風來襲的週末也要工作，堪稱最忙碌的機器。

MRI就是核磁共振造影，又稱磁振造影(magnetic resonance imaging)。簡單說來，就是拍攝身體內部的影像。少了這個乳白色大圓桶，醫術再精湛的醫師，恐怕都要學著把脈了。MRI原本叫做NMRI，N代表著「核」(nuclear)，指的是氫原子核。但因為人們只要聽到「核」這個字，就會連想到和輻射有關的核廢料、核子彈而神經緊張，因此就改稱MRI。

事實上MRI的運作跟輻射無關，它的原理是運用強大的磁場，把身體暫時磁化而產生影像，比傳統的X光斷層掃瞄安全很多。當然，也有例外。比方說病患身體內有金屬植入物，像是心律調節器，或是曾經中彈體內殘留有金屬碎片，那MRI這個超級大磁鐵，就可能移動你體內的金屬而造成傷害。

MRI也可能因為磁力太強產生意外。例如MRI實驗室和台大醫院共有的這台MRI，就曾把掃瞄室門口的小型馬達吸飛進去，差點砸到人。在美國也有病患因為呼吸困難，醫護人員拿了氧氣鋼瓶，卻不幸被MRI吸進去砸傷病患的意外。

●超級磁鐵的成像原理

為什麼磁鐵可以提供我們身體的影像呢？

人體中有血液，血液中含水，水中含有氫。氫原子核中有小小的磁矩，可以回應MRI這個大磁鐵。想像身體是個教室，平常下課的時候，學生(氫原子核的磁矩)又是抄作業又是打球的，亂七八糟完全不成規矩。但是當電流通過MRI的線圈，產生磁場，磁場給的脈衝(想成一種「能量」就好)，就像一個美女教授走上講台，可以讓不成規矩的同學停下手邊的動作，通通往教授方向看去。但是當教授一走(脈衝暫停)，學生又會恢復無政府狀態。

磁場給了氫原子核能量，讓它們有規則的排列。但是當脈衝關閉時，這些氫原子核就會把能量釋放出來，這些能量會變成訊號，電腦會將這些氫原子核產生的訊號轉成影像，告訴你體內氫原子核的分布。因為身體組織的氫含量不同，不同組織也會產生強度不一的訊號，告訴你哪裡是骨骼、肌肉、脂肪、腫瘤等等。

如果受試者有機會看到腦被切片的影像，會疑惑「怎麼有那麼多影像？有的大、有的小。到底哪個是我的腦？」其實，每張影像都是同一個腦部的切片，只是切的部位不同。

MRI的原理就跟切柳丁一樣。你可以從冰箱裡拿出一顆柳丁，光從外觀看不出是否有蟲蛀。所以，拿出刀子，以每三公釐的寬度切下一片，這樣可以保證所有大於三公釐的蟲蛀，都逃不過你的法眼。但是小於三公釐的，還是可以隱藏在切片中。

如果使用MRI，每三公釐掃瞄一張腦部影像，整個腦子掃瞄下來，大概會有四十多張(視切片距離和頭的大小而不同)。只要有大於三公釐的異狀，一定可以看的到。如果把所有的切片拼在一起，就可以得到三維的腦部影像，呈現腦部各個方位的問題。

●fMRI，功能性磁振造影

如果進一步應用MRI，在掃瞄腦部的同時加入一些刺激，比方說給你看恐怖片、讓你回憶失戀、或是疼痛刺激，並重複掃瞄的動作，觀察刺激前後腦部影像的變化，這就叫作fMRI(功能性磁振造影，functional Magnetic Resonance Imaging)。

我第一次的fMRI經驗不是很妙。當時人在美國唸書，要知道窮留學生為了求生存什麼事都願意做，看到學校海報上徵fMRI受試者，就報名了。實驗者用3M膠帶固定我的頭和下巴，要我戴上打電動一樣的護目鏡，讓我走虛擬迷宮，邊走還邊從我的手指上施予電擊。可能是因為震動、噪音，實驗結束後頭痛了一整天。到現在我還不知道研究的目的是什麼，不過四個小時的實驗換來五十美金，果然不好賺。

fMRI的原理，是觀察受刺激前後的腦部變化。「變化」指的是帶氧血紅素(oxyhemoglobin)的消長，又稱血氧化濃度變化(BOLD,blood oxygenation level-dependent)。

腦部區域各司其職，有的掌管動作、有的掌管語言。某個部位只要受到刺激，那裡的腦細胞就會活躍起來。一活躍就需要氧，但腦部不直接吸收氧氣，而是得靠血液帶著大量的氧氣，前往正在活動的腦部區域。因此，只要能追蹤帶氧血紅素跑到哪區，就可以推測那個區域正在活動。

我們的身體屬逆磁性(diamagnetic)，帶氧血紅素跟我們身體一樣，也是逆磁性，而去氧血紅素(deoxyhemoglobin)則是順磁性(paramagnetic)。如果記不住磁性，只要記得去氧血紅素愛跟身體唱反調，所以會干擾我們身體成像的訊號，顯出比較暗的色調。而腦部正在活躍的區域，則因為帶氧血紅素可以強化訊號，而顯得比較亮。

●誠徵受試者

想要分辨異常現象，就要先有大量健康的受試者，提供足夠正常樣本做比對。台大醫學院光電生物醫學研究中心的MRI實驗室，目標是要募集到一、二千名的受試者，這工程相當浩大。

我試著幫MRI實驗室的同學尋找受試者，於是聯絡我的一個朋友，並且跟他說：「腦部有異狀可以及早發現喔！」

我是個彆腳的推銷員，對方看來不是很心動。我繼續慫恿：「做一次『等於』賺到六千到一萬元……」「六千到一萬？那我馬上到！」「呃…不是實領啦！我是說，平常自費的話要花六千到一萬，」我的聲音愈來愈小：「實領是五百。」「喔，那我應該不會去了。」對方回答。

也因為要找志願者不易，MRI實驗室的親朋好友們，幾乎都被拉來做過實驗。研究人員翁駿程說，曾經掃瞄一個學弟的腦部，發現鼻子附近有異物。學弟看翁駿程臉色凝重，做好心理準備，反過來安慰大家：「沒關係。我知道我的腦袋有問題，你們就直說吧！」後來MRI實驗室的教授，也是台大醫院的曾文毅醫師來看了片子，發現是鼻竇炎，一切只是虛驚一場。

因為裝人工關節與心臟起搏器的老年人比例頗高，要找到可以受試的老人，難度就更高了。MRI實驗室的博士生黃素君，有次終於找到一位身體裡沒有金屬物質的老太太，卻發現老太太耳背嚴重，透過對講機對她大吼都沒用。因為這個實驗與語言有關，最後只好放棄這名受試者。

MRI掃瞄完正常人的腦部，一次大概只要數秒鐘至數分鐘，但MRI實驗室的實驗設計，卻多在一小時左右。在又小又冷的空間裡蓋著毯子，有時候難免睡著。有同學說，有個老先生就在實驗途中睡著了，同學用對講機確認：「你還好嗎？」老先生長長地「嗯」了一聲，不知道是應答還是打呼？

過動兒的實驗更是麻煩，要小朋友坐定十分鐘都很難，何況是半小時以上。有的小朋友會不停地吵著要上廁所；有的明明一直亂動，實驗者透過對講機制止，小朋友卻大聲回嘴：「我才沒有動！」有個陪同小朋友來做實驗的媽媽，恐嚇小朋友說：「你想跟愛因斯坦一樣聰明就不要動。動了就會變笨蛋。」當然，這完全是沒有科學根據的。

●腦血屏障與超音波

麻醉後的大白鼠，比小孩子配合很多，可以乖乖任你擺弄一個下午也不會抗議。台大醫學院MRI實驗室的翁駿程，和另一名超音波實驗室的張君賢同學，就選擇醫院休診的週末，進行一整天的實驗。

「啪搭、啪搭」的拖鞋聲在沒人的走廊上響起，張君賢穿著白色實驗衣、短褲和藍白拖，捧著一個大箱子來到台大醫院的MRI室。箱子裡有兩隻血液被染成藍色的大白鼠，和一小台超音波，準備進行「利用超音波打開血腦屏障」實驗。

和身體其他部位的血管不同，大腦的血管和腦之間的門禁非常森嚴，有著叫「血腦屏障」(Blood Brain Barrier)的警衛，不僅拒絕所有大分子物質進入，連百分之九十八的小分子物質，都進不了腦部血管。

但是，這個過度盡忠職守的警衛，也把所有要治療腦部的藥物排拒在外。治療中樞神經系統疾病，像是阿茲海默症或帕金森氏症的藥物，都因為血腦屏障的原因無法發揮藥效。

如果想要讓藥物作用更直接，傳統的方法是直接在腦部插入導管，或用藥物干擾血腦屏障的作用。但這些方法多少都會傷害腦部。

有沒有什麼方法，可以不傷害腦部，又能暫時打開血腦屏障呢？有的，答案就是使用了五十年，遠在天邊、近在眼前、普遍到不行的超音波。

超音波本來是用來診斷，但在這個實驗裡，它卻是作為醫療用途。超音波可以在血管間製造微小的氣泡，並與實驗者注入的顯影劑交互作用，讓血腦屏障暫時打開五、六個小時。「暫時」兩個字很重要，如果血腦屏障無法關閉，或是造成損傷，可能就會造成腦出血。在還沒確定超音波打開血腦屏障對腦部是否會有損傷前，大白鼠必須身先士卒。

在這個實驗中，MRI雖是配角，卻能提供即時影像，監測超音波在打開血腦屏障時，腦部是否有出血。除了用MRI觀察，在初步實驗階段，還必須親眼確認才行。因此，做完實驗的老鼠馬上會被犧牲做腦部切片，用肉眼再判定一次出血狀況。

這就是MRI與其他醫療器材結合使用的例子。從一九四六年起，美國史丹佛大學物理系的布洛赫(Felix Bloch)和在麻省理工學院物理系的珀塞爾(Edward Mills Purcell)兩位科學家，湊巧同時研究核磁共振現象至今，MRI發展了約六十多年。相對於其他科學研究，它仍是相當年輕的領域，卻已經造就了六位諾貝爾獎得主。如今，MRI的發展應用日益蓬勃。對軟組織結構高度敏感的它，不僅補強了傳統斷層掃描的不足，在腦部研究上也有非常大的貢獻。透過實驗設計，或與其他醫療器材結合，它甚至還能做出更多的組合變化，將應用層面繼續擴展。

下次，不管是基於志願，還是因醫療需求而有機會一試MRI的話，記得一定要放輕鬆，好讓這個精密的大圓桶，偵測你體內未知的神祕領域！

本來黃色那段是長這樣

打了麻藥的大白鼠，看來很溫馴。為了方便觀察，注射了伊凡氏藍染劑，大白鼠頭頂被劃了一刀，流出藍色的血。尾巴上夾了要打入顯影劑的注射器，軟軟的躺在超音波線圈中，整組超音波線圈架在MRI裡面。翁博士拿了熱水袋墊在大白鼠肚子下，免得寒冷的MRI室把牠凍僵。

實驗進行的並不順利，台大醫院的MRI是設計給臨床使用，尺寸比較符合人體，大白鼠太小隻，腦部的影像非常模糊。他們兩位已經給大白鼠打了三倍的顯影劑，卻什麼都照不出來。「會不會死了？」翁駿程問。「沒關係，等一下再拿一隻。」張同學瀟灑的說。

不得不佩服這些常做動物實驗的同學，可以溫柔撫摸著動物、同時還能將牠們開膛破肚，順便討論晚餐要吃什麼。隔了一個禮拜的同一個實驗結束後，我跟著張同學回到超音波實驗室，逼著自己去看犧牲大白鼠的過程。一開門，一股老鼠飼料味飄來。我開始想像即將發生的事，喉嚨梗住一句「饒了牠吧！」卻又想起剛剛被同學警告要看就不可以恐慌，而吞了下來。

張同學打了麻藥，撫摸著大白鼠的肚子，確定徹底昏過去了才動手。我始終沒勇氣直視。躲的遠遠的背對著張同學，告訴自己要表現的很專業，用顫抖的手繼續抄著筆記。大白鼠死了以後，要進行「灌流」的動作，趁心臟還在跳動時就是注入生理實驗水讓血液流掉以便觀察。接著剝出腦部，將腦泡在福馬林兩天再進行腦部切片。

「就是這樣了，我去地下室丟屍體。」張同學一派輕鬆地說。我恍惚的離開台大醫院，想著幾個小時前，還在亂咬衛生紙的兩隻大白鼠和地下室廢棄物的一線之隔……在研究的目的下，生命的孰輕孰重，竟是如此的模糊難辨。

BOX

用DSI畫出大腦地圖

在台灣，以MRI做醫學研究的團隊很多，台灣大學光電生物醫學研究中心也有個MRI實驗室，這個由曾文毅醫師領軍的研究團隊獨步全球的地方，在於他們結合MRI和DSI(擴散頻譜造影，Diffusion Spectrum Image)的技術，讓大腦研究更上一層樓。

一般MRI只能呈現不同的組織的位置。但比頭髮細上幾十倍的腦部神經纖維，就必須使用DSI才看得到。如果說，MRI可以告訴你腦部的高山河流在哪(腦部組織位置)，DSI則可以追蹤車子的走向(腦中的水分子)，進一步告訴你道路(神經)分布。一部台北的車無法順利到達台中的原因，可能是台北淹水、台中施工，也有可能是中間的道路不通。

腦部的各區域不只分工，也要合作。以語言功能為例，如果只是想聽得懂別人的話，只需要「沃尼克區」即可。如果想要說話，則需要用到語言的輸出部分「布洛卡區」。如果想要跟人吵架，就必須先聽懂別人在罵什麼，才能正確反擊。此時，這兩個區域就必須配合無間，否則就會雞同鴨講了。

比方說，一個因為腦部受損而出現語言障礙的人，除了可能是「布洛卡區」或「沃尼克區」出了問題，也有可能是溝通這兩區的弓狀纖維束受損。其他像是強迫症、精神分裂等疾病，都可以使用DSI這項技術，為精神疾病的診斷和治療更添一臂之力。

DSI還是用MRI來追蹤水的動向。原理是透過追蹤神經纖維裡的水分子擴散方向，來觀察神經的走向。可以把水分子想成是一堆車子，但是開車的是群盲人司機，不管北上南下路肩不能超車等規矩，隨意亂開，但不管怎麼亂開，最終還是得順著道路的方向走。

利用數學運算，把水分子移動的方向算出來。再把鄰近水分子移動的方向連成一線，就可以得到神經纖維的走向。MRI實驗室的同學就是這樣一條一條神經慢慢地描繪，最終變成像是彩色珊瑚般的腦部神經纖維分布圖。