半個多世紀以來，醫學和醫療的重大進步之一是視覺化技術和影像診斷技術的隊形變換。透過這些技術使得我們可以觀測到生物器官的正常活動和由病灶引起的現象。雖然測量生物的形態特徵的結構成像方法是由X射線電腦斷層成像（X-Ray Computed Tomography，簡稱X-CT）開始的，但是說到對受檢者幾乎完全無害的方法，相信很多人都會想到磁共振造影（Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI）。磁共振造影是利用磁力採集人體圓形剖切影像，並從解剖學角度觀察，用於診斷人體結構的一種技術，也是現代醫院常用的影像診斷手段之一。
就像普通的磁共振造影在醫院中使用一樣，被稱爲非侵入性測量大腦結構的最佳方法是功能性核磁共振造影（functional MRI，簡稱fMRI）。那麼什麼是功能性核磁共振造影呢？簡單地說，它是一種神經影像學技術，這種技術可以讓我們在磁共振造影獲得的大腦結構之上，即時直觀地觀測到大腦的哪些區域處於活躍狀態。傳統上，由於難以直接檢測到大腦神經活動中發生的電磁現象，所以用MRI測量腦功能曾被認爲是不可能做到的。 但有研究表明，MRI訊號中有一小部分會隨着腦部生理變化而變化，並且被認爲是與腦功能活動相關的訊號變化。
看到建築物時（藍色）和回憶起建築物時（紅色）大腦的活躍區域(圖片出處：東北福祉大學官網)
功能性核磁共振造影是一項非常具有革命性的技術，因爲首次提出支撐該項技術的基本原理-血氧濃度相依對比（Blood oxygen-level dependent ，簡稱BOLD），是時任貝爾實驗室（Nokia Bell Labs）生物物理學研究室的研究員小川誠二博士在1990年發現的，由於他的發現爲之後的生命科學研究和臨牀醫學應用隊形變換奠定了基礎，其成就也被世界廣泛身份鑑定，他也被稱爲現代功能性核磁共振造影之父。
小川誠二博士，現爲東北福祉大學 特任教授（照片出處：東北福祉大學官網）
小川於1934年出生在日本國東京都臺東區。1952年從東京都上野高等學校畢業後考入東京大學工學部應用物理可用能系，並於1957年獲得工程學士學位。1957年至1962年他在大日本紡織株式會社（現在的尤尼吉可株式會社 ）就職期間，於1957年借調到東京大學工學部，1959年借調到日本放射線大分子研究協會。1962年至1964年他在美國賓夕法尼亞州匹茲堡市的梅隆研究所輻射化學研究室擔任研究助理。之後他在1964年進入美國斯坦福大學研究生院，並於1967年獲得理學博士學位後，作爲博士後研究員留校工作至1968年。從1968年至2001年的三十三年，他一直在AT&T旗下著名的貝爾實驗室從事研究工作。
回顧上世紀80年代末，當MRI在醫療領域開始流行的時候，小川也在研究該項技術，當時他在想找出一種不僅能捕捉到大腦的結構，還能捕捉到活動本身的方法。有一天，當他在用MRI拍攝小鼠的腦部影像時，由於小鼠突然出現了缺氧狀況，他趕緊讓小鼠吸入大量的氧氣。 結果在MRI的影像中用於表示血管的黑色細線消失殆盡，幾乎完全變成了白色。因爲動物發生缺氧時，首先要做的就是設法把更多的氧氣送到大腦，而不是送到其他器官，以此來保存大腦功能。面對這個突發狀況小川的腦子裏蹦出了一個靈感。 他認爲這個現象可能與血液中的血紅素有關，也就是說當腦部血管中與氧結合的血紅素增多時，這種血流的變化改變了磁共振訊號的強度。
左：當神經元處於休眠狀態時；右：當神經元處於活躍狀態時。（圖片出處：日本科學未來館）
當具有不同磁感度的物體被置於強均勻磁場中，如核磁共振造影中使用的磁場，會在物活體內部和周圍產生磁場變化和扭曲。這種現象也發生在腦組織中。組織内有龐大的血管網路來供氧，血液從小動脈經微血管流向靜脈。 血液中的紅血球富含血紅素，而血紅素是攜帶氧的。 這種血紅素與氧分子結合時具有反磁性，從微血管中釋放出氧後就變成順磁性（脫氧血紅素）。因爲脫氧血紅素有順磁性，而氧化血紅素有反磁性，所以檢測時產生的磁共振訊號會有所不同。當神經元處於休眠狀態時，脫氧血紅素會導致磁場不均勻，磁共振訊號相對很弱。 但當神經元活動時，伴隨着血流量增加，氧化血紅素供應也增多，脫氧血紅素的比例隨之降低，在含有大量順磁性的脫氧血紅素的靜脈血管内和周圍會產生輕微的磁場扭曲。這種畸變的存在削弱了該區域的水（質子）訊號，而MRI測量的正是水（質子）的這種磁共振現象，小川把這種現象稱爲BOLD效應，並於1990年，在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上發表了相關論文。此外，他透過研究進一步證明了BOLD訊號實際上可以透過測量視覺皮層對光刺激的神經反應，對人腦活動進行非侵入性測量。
fMRI在上世紀90年代末及本世紀初開始迅速在世界範圍内普及，已成爲人類腦功能成像的主要手段之一。其應用涵蓋了醫學、神經科學、心理學、社會科學等多個領域。例如在神經科學和心理學領域測量正常受試者大腦活動，以闡明人類高級認知功能。還有在外科手術的術前診斷、神經學和精神病學的診斷等方面也有廣泛的應用。
左：後扣帶皮層和楔前葉；右：楔前葉與内側前額葉皮層之間的功能耦聯（照片出處：東北福祉大學官網）
出典：tfu.ac.jp/research/gp2014_01/explanation.html
大約是十年前，研究人員已經證實即使在不處理給定任務（靜息狀態）時，大腦的fMRI訊號也會發生變化，這些變化與大腦的訊號處理基礎設施密切相關。這種靜息狀態下的fMRI訊號測量比執行給定任務時要容易得多，已被廣泛用於腦部疾病診斷的研究中。比如說靜息fMRI訊號顯示健康受試者和患者在一些腦部疾病的特定部位的訊號強度差異。阿茲海默症(Alzheimer's disease ，簡稱AD，是一種發病進程緩慢、隨着時間不斷惡化的神經衰退性疾病)的腦成像研究也越來越普及，有研究表明，患者的訊號強度比正常人弱（上圖左），一些腦區之間的fMRI訊號連接(網路)也比正常人弱（上圖右）。 即使在自閉症譜系障礙（Autism spectrum disorders，簡稱ASD，是一種心理狀況的譜系障礙）中，也發現患者的大腦區域之間的連接比健康人更弱。
被譽爲fMRI基本原理的發現者的小川在2000年當選美國國家醫學院（National Academy of Medicine）院士，後於2001年返回日本東京，在濱野生命科學基金會小川腦功能研究所（Hamano Life Science Research Foundation, Ogawa Laboratories For Brain Function Research. ）擔任所長直至2008年。其間在2003年同時榮獲了由國際科技財團（The Japan Prize Foundation）頒發的日本國際獎，以及素有「加拿大的小諾貝爾獎」之稱的蓋爾德納國際獎（Canada Gairdner International Award）。除這兩項獎項之外，他還榮獲了多項國内外大獎，可謂是「功成名就，享譽海内外」，但是他並沒有由此放棄在科學道路上的探索。他於2008年開始在東北福祉大學感性運動福祉研究所擔任特聘教授。在2008年由日本文部科學省（相當於教育部和科技部）透過的「私立大學戰略研究基礎設施形成支援」專案中，在 「利用磁共振的新方法進行先進的腦功能成像研究 "的專案中發揮了核心作用。並且從2014年起的5年中，同樣是在由日本文部科學省透過的「建立認知和腦科學證據資訊提供平台，爲社交和職業能力隊形變換計劃做出貢獻」的專案中擔任主管。
2019年以來，他作爲「促進成功老齡化（Successful Aging，簡稱SA，）的認知變化的神經科學研究」專案負責人，從腦功能和結構指標出發，對常規心理測試無法發現的中老年人的潛在能力和個性特徵進行估算。透過向受試者提供估計結果，爲受試者提供一個從新的角度瞭解自己的機會。此外，該專案將根據估算結果，設計出促進成功老齡化或延緩癡呆症發生等異常認知變化的訓練方案。 其目標是將專案的成果回報給社會，在緩解老齡化加速帶來的負面衝擊的同時，塑造一個更加幸福安康的生活環境。
小川在接受採訪時說：「縱觀醫學漫長的歷史，當科學技術出現發現和突破時，都會有新的量測方法的隊形變換步伐。然而，一種新的量測方法的誕生，除了少數天才的強烈靈感外，本身就是過去技術和科學的積累。 此外，每種量測方法都有自己的優缺點、優勢和劣勢。 希望進行更先進的測量技術的研究和開發，同時融合各種測量技術，在各種研究領域有新的發現。」
功能性核磁共振造影是一種非侵入性、高空間解析度的成像方法，正被用於闡明大腦的功能性活動機制以及AI，醫療和教育等領域，特別是在今後透過7.0T以上的超高場磁共振人體成像系統的使用，將提供更多的細微結構上的功能活動資訊，人們對其的期望也將不斷增加。
供稿：馬佳宥
編輯修改：JST客觀日本編輯部
參考文獻
1.ノーベル賞候補 小川誠二特任教授
2.磁気共鳴機能畫像法（fMRI）の仕組み
3. Functional MRIの 方 法 と そ の 応 用
4.2003年（第19回）日本國際賞受賞者
5.7テスラ-fMRI導入で.-飛躍する脳機能研究
