本书由北京大学磁共振研究中心主任高家红以及中国科学院自化研究所脑网络组研究中心主任蒋田仔合作编写，重点介绍了脑影像与脑图谱在语言机制与临床医学研究中的应用以及脑网络与类脑计算之间的相互关系。

 [内容简介]

　脑是人体结构和功能最为复杂的器官，脑结构和功能之间的关系一直是脑科学研究热点。脑功能是由神经环路内的神经元群、功能柱或者脑区及其相互作用所组成的脑网络来实现的。脑影像技术的发展与完善为理解脑结构和功能及其脑网络机制奠定了方法学基础。本分册主要介绍了脑磁图、神经磁共振影像和正电子发射断层成像的生理基础、技术原理、数据分析与方法及应用场景，脑网络组与脑图谱的历史沿革、理论基础与构建方法。同时，重点介绍了脑影像与脑图谱在语言机制与临床医学研究中的应用以及脑网络与类脑计算之间的相互关系。

 [作者简介]

高家红，千人计划特聘教授，博导，北京大学磁共振研究中心主任, 医学物理和工程北京市重点实验室主任。研究领域：功能磁共振成像的技术发展，生理机制及其在医学应用和神经科学的探索，主持中、美国家级研究基金项目近50项，发表论文100余篇。

蒋田仔，“国家杰青”获得者，中科院百人计划入选者，研究员，博导，中国科学院自化研究所脑网络组研究中心主任，脑网络组北京市重点实验室主任。研究领域：医学信号与图像处理与分析，模式识别和机器学习，脑网络表征，脑网络组研究等，发表论文200 余篇, 申请发明专利 28 项。

[目录]

1　脑磁图／王　帆　高家红……………………………………………………… 1

　 1.1　脑磁图信号的生理学基础 ……………………………………………… 3

1.1.1　神经细胞的结构与功能 ………………………………………… 3

1.1.2　神经细胞电活动与脑磁图信号 ………………………………… 4

1.1.3　神经细胞形态和脑组织结构对脑磁图信号形成的影响 ……… 6

1.1.4　神经电流的方向对脑磁图信号的影响 ………………………… 7

　 1.2　脑磁图系统 ……………………………………………………………… 8

1.2.1　超导磁量子干涉仪 ……………………………………………… 9

1.2.2　噪声及消除噪声的方法 ……………………………………… 11

1.2.3　数据配准 ……………………………………………………… 14

　 1.3　脑磁图数据的处理 …………………………………………………… 16

1.3.1　正向问题 ……………………………………………………… 16

1.3.2　逆向问题 ……………………………………………………… 17

　 1.4　脑磁图中噪声造成的伪影 …………………………………………… 22

1.4.1　环境噪声 ……………………………………………………… 22

1.4.2　人体的生理噪声 ……………………………………………… 22

　 1.5　脑磁图的应用领域及发展前景 ……………………………………… 23

1.5.1　临床应用 ……………………………………………………… 23

1.5.2　神经科学与心理学研究领域的应用 ………………………… 24

1.5.3　脑磁图的发展前景 …………………………………………… 24

　 参考文献 ……………………………………………………………………… 24

2　神经磁共振影像／李雪松　张　喆　张　会　高家红　郭　华……… 29

　 2.1　磁共振的理论基础 …………………………………………………… 31

2.1.1　磁共振的基本原理 …………………………………………… 31

2.1.2　Bloch量化方程 ………………………………………………… 32

　 2.2　磁共振成像的条件基础 ……………………………………………… 32

2.2.1　主磁场 和射频场 ……………………………………… 32

2.2.2　射频信号接收 ………………………………………………… 33

2.2.3　梯度场G及空间位置编码 …………………………………… 34

　 2.3　脑功能成像原理 ……………………………………………………… 36

2.3.1　磁共振脑成像的意义 ………………………………………… 36

2.3.2　磁共振脑功能成像 …………………………………………… 36

2.3.3　脑功能成像 …………………………………………………… 36

　 2.4　脑功能成像的加速采集和重建 ……………………………………… 38

　 2.5　磁共振扩散成像的基本原理 ………………………………………… 44

　 参考文献 ……………………………………………………………………… 54

3　正电子发射断层成像／单保慈 ……………………………………………… 59

　 3.1　正电子发射断层成像概述 …………………………………………… 61

　 3.2　PET成像的基础及设备构成 ………………………………………… 61

3.2.1　PET成像的物理基础 ………………………………………… 61

3.2.2　PET常用的核素与显像剂 …………………………………… 62

3.2.3　PET的组成与探测原理 ……………………………………… 63

　 3.3　PET系统的数据采集、数据校正和图像重建 ……………………… 64

3.3.1　PET系统的数据采集与数据组织形式 ……………………… 64

3.3.2　PET的数据校正 ……………………………………………… 67

3.3.3　PET的图像重建 ……………………………………………… 70

　 3.4　PET在脑成像中的应用 ……………………………………………… 79

3.4.1　血脑屏障检测 ………………………………………………… 79

3.4.2　脑血流成像 …………………………………………………… 79

3.4.3　氧代谢成像 …………………………………………………… 79

3.4.4　葡萄糖代谢成像 ……………………………………………… 80

3.4.5　神经递质及受体PET成像 …………………………………… 81

　 3.5　PET脑成像的数据处理 ……………………………………………… 88

3.5.1　静态PET脑成像的数据处理 ………………………………… 88

3.5.2　动态PET脑成像的数据处理 ………………………………… 91

　 参考文献 ……………………………………………………………………… 99

4　脑网络组与脑图谱／蒋田仔　樊令仲　李　海………………………… 101

　 4.1　脑科学与脑网络组 …………………………………………………… 103

　 4.2　脑图谱的发展历史与研究现状……………………………………… 106

4.2.1　近代人类对脑结构和功能的认识 …………………………… 106

4.2.2　脑图谱的发展及绘制分区 …………………………………… 107

　 4.3　脑网络组图谱构建的计算理论与方法……………………………… 114

4.3.1　基于连接信息的脑区分区流程 ……………………………… 114

4.3.2　被试信息与数据处理 ………………………………………… 125

4.3.3　实验结果与讨论 ……………………………………………… 126

　 4.4　人类脑网络组图谱的构建软件：ATPP …………………………… 127

4.4.1　软件特点描述 ………………………………………………… 128

4.4.2　软件主要算法实现描述 ……………………………………… 131

4.4.3　软件实现 ……………………………………………………… 132

4.4.4　结果与讨论 …………………………………………………… 138

　 4.5　人类脑网络组图谱的绘制 …………………………………………… 141

4.5.1　数据与绘制过程 ……………………………………………… 142

4.5.2　讨论 …………………………………………………………… 177

4.5.3　小结 …………………………………………………………… 178

　 4.6　脑网络组与脑图谱展望 ……………………………………………… 178

　 参考文献 ……………………………………………………………………… 182

5　脑影像与脑网络在语言脑机制中的应用／蔡　清　王　帅　杨　阳 … 195

　 5.1　结构连接 ……………………………………………………………… 198

　 5.2　动态连接 ……………………………………………………………… 200

5.2.1　功能连接 ……………………………………………………… 201

5.2.2　有效连接 ……………………………………………………… 203

　 5.3　脑网络与图论 ………………………………………………………… 206

　 5.4　结语 …………………………………………………………………… 207

　 参考文献 ……………………………………………………………………… 207

6　脑网络和脑图谱在临床医学的应用／胡德文　沈　辉 ……………… 213

　 6.1　脑疾病的脑网络异常假说 …………………………………………… 215

　 6.2　精神疾病的脑网络异常表征………………………………………… 216

6.2.1　精神分裂症的动态功能连接异常表征 ……………………… 216

6.2.2　精神分裂症患者及正常同胞的脑网络表征 ………………… 220

6.2.3　重度抑郁症的脑网络异常表征 ……………………………… 239

　 6.3　神经疾病的脑网络异常表征………………………………………… 252

6.3.1　癫痫的网络间功能连接异常表征 …………………………… 252

6.3.2　癫痫的网络间有效连接异常表征 …………………………… 260

6.3.3　阿尔茨海默病的脑网络研究 ………………………………… 268

　 6.4　脑网络组图谱在脑疾病早期诊断、预后和疗效评价中的作用…… 269

　 6.5　挑战和展望 …………………………………………………………… 276

　 参考文献 ……………………………………………………………………… 278

7　从脑网络到类脑计算／余　山 …………………………………………… 293

　 7.1　实现类脑计算的可能路径与不同层面……………………………… 296

　 7.2　“存算一体”降低计算功耗 …………………………………………… 297

　 7.3　利用随机失效增强泛化能力………………………………………… 298

　 7.4　临界状态与高效信息处理 …………………………………………… 300

　 7.5　连续情境学习与高适应性人工智能………………………………… 303

　 7.6　小结 …………………………………………………………………… 305

　 参考文献 ……………………………………………………………………… 306

索引 …………………………………………………………………………… 309

[前言] 

大脑赋予了人类丰富的思想和情感，这使得人类区别于地球上的其他生物。随着人类文明水平的提高，人们对于自我认识的愿望日益迫切，并且也愈发重视精神生活的质量。大脑究竟是如何发育的？人类大脑有哪些特殊结构？脑疾病的源头是什么？诸如此类的问题都深刻地影响着人类社会的运行和发展，并催生出与脑科学相关的众多研究领域。脑科学的终极目标是厘清大脑神经元与神经信号传导与感知、记忆、语言等复杂功能产生之间的关系。而各种脑影像与脑图谱前沿技术手段的不断涌现，帮助人类开始揭开大脑的神秘面纱，真正使得人类近距离观察并刻画大脑的结构、功能和活动成为可能。

在脑科学研究日新月异的背景下，本书着眼于大脑结构与功能之间的相互关系，结合认知科学、临床医学及类脑研究，对脑影像技术的原理、特点及脑网络组和脑图谱构建方法的前沿成果进行了全面、深入的介绍。本书第1～3章介绍了3种当下最成熟、应用最广泛的无创脑影像技术，包括脑磁图、神经磁共振影像和正电子发射断层成像。这3种影像技术在科学研究和临床医学领域中的运用各有千秋，这3章分别详细介绍了各自的生理基础、技术原理、数据分析方法和应用场景；第4章介绍了脑网络组与脑图谱的历史沿革、理论基础和构建方法；第5章和第6章分别侧重于脑网络在语言机制研究及临床医学应用中的作用和成果，为读者深入浅出地阐述了脑网络的动态连接如何阐释语言行为，简述了脑网络与精神疾病和神经疾病的密切关系，其中包括精神分裂症、抑郁症、癫痫和阿尔兹海默病等几种当前严重威胁人们生活、生存质量的脑疾病；第7章介绍了脑网络与类脑计算之间密不可分、互为表里的相互关系，生动概述了两个领域的研究如何保持互动并携手向前。

脑影像与脑图谱研究，乃至整个脑科学的研究皆方兴未艾，仍处在蓬勃向上的发展阶段。本书一方面致力于为广大读者提供脑影像与脑科学研究方法的现状概括和图景展望，试图激发更多人对大脑研究的兴趣、热情和支持。另一方面，考虑到脑科学是一个物理学、生物学、神经科学、心理学和语言学等多学科交叉的领域，我们希望使用这本书的青年学子和研究者们能够了解不同学科的立脑影像与脑图谱研究前沿场与思维方式，深刻理解各种方法手段的利弊及互补关系，以期更好地在未来相互开展合作研究、运用诸多手段解开心智与大脑的“黑匣子”。认识大脑前路漫漫，让我们共同上下求索，利用脑影像与脑图谱的前沿技术逐步深入地揭示人类大脑的奥秘。