课程笔记7--fMRI数据的时间分辨率和空间分辨率
从图中可以发现，MEG和EEG有着极好的时间分辨率，但空间分辨率很差，因此在MEG和EEG研究中，常常不知道信号到底来自于哪个脑区。而PET成像技术的时间分辨率一般是几分钟，略差于BOLD fMRI,而空间分辨率是厘米级的,略优于EEG和MEG。在fMRI技术中，ALS fMRI（arterial spin labeling fMRI，动脉自旋标记fMRI）在时间稳定性方面非常好，即它可以比较间隔时间长达几天或十几天的两种激活状态。
而BOLD fMRI则介于这些技术之间，其空间分辨率上至整个大脑，下至小于1mm，而时间分辨率通常是几秒钟到一两分钟，而随着技术的进步和新技术的出现，我们有可能进一步提高这些分辨率。
该图显示了各种成像技术的时间空间分辨率及其使用频率统计，从中可以看到fMRI和PET是在人类实验中最流行的技术。
宏观神经网络（Large-scale networks）是指大脑和多个系统的模式，其空间从1cm左右到100cm左右。
功能映射地图（Functional maps）是指像躯体感觉这样的相对粗糙的大脑区域，它们大约是一个大脑组织的几毫米，包含在一个体素中，其空间从低于1mm到10cm左右。
功能柱(Functional columns)是指执行不同功能的columns，如大脑中间的PAG（periaqueductal gray，水管周灰质）就有很多个不同的功能柱执行不同的功能，其空间从几毫米到几百微米。
以上三种范围内的信息是可以用BOLD fMRI技术来获取的。而Cell assemblies，即单个神经元的活动，是我们用BOLD fMRI几乎不能直接获取的信息。
一、fMRI的空间分辨率
fMRI的空间分辨率的细粒度在原则上是比较不错的，它取决于BOLD的点分布和信噪比，而这些因素又建立在磁场强度、线圈到组织的距离和脉管系统。空间分辨率的上限大约在400微米左右，其实现条件是强磁场、高分辨率成像或者植入线圈（这个植入就不能在人类大脑上做啦，太恐怖了）。
举个例子来演示一下fMRI的空间分辨率有多高。下图是Polimeni et al（2010）在磁场强度为7T的情况下做的一个实验：
简单来讲，研究者就是想搞清楚给被试看一个物体，在视觉皮层会显示出怎样的形状。而他们就是给出了一个字母M，然后发现在皮层表面的确显示出了一个字母M。
然后我们来看BOLD点分布功能，它与微脉管系统和被局部神经活动影响的坏区域相关，而这又与磁场强度有关系，比如说，1.5T时，BOLD点分布功能是比较粗糙的（大约在4mm左右），在3T时，它大约在3mm左右，而7T时则会达到2mm甚至更少。
而在组分析（group analysis）中，有效的空间分辨率一般比较低（10-15mm）。那么，为什么其空间分辨率会这么低呢？
- 一是因为伪迹导致了图像失真。
- 二是因为被试间大脑并不一样大，导致标准化时产生误差。
- 三是功能性解剖结构的个体差异。四是因为扩散调节效应。
- 另外还存在的问题就是空间校准问题。
有很多的原因会导致失匹配：功能和结构图像的匹配并不精确（功能性图像的失真）、结构和模板图像空间未对准、结果和定位图谱（atlases）空间未对准、定位图谱是估算出来的等等。
这就意味着我们在做研究时，要创建一个自己的平均解剖图像（参考图像），用来支撑自己的实验结果，这样就可以做到更加精确，更容易看到在被试间校准时发生的问题。也意味着我们要谨慎地解释我们实验结果中的解剖定位。
对于fMRI空间分辨率的问题，我们有新的解决办法。在这里我们简单讲两个方法，这在后面的课程中会有更加详细的讲解。
- 一是hyperacuity，这个方法认为多个体素之间的活动可能比任意单个体素包含了更多的信息。 (e.g., Kamitani & Tong 2005; Chaimow et al. 2011)，即使体素没有小到足以放进一个功能性区域中，有时候也能探测到功能性topography。
- 二是hyperalignment，该方法不是对所有大脑进行平均并假设它们都能置于同一个空间里，也就是说，相比起以前的解剖性校准，该方法进行的是功能性的校准。因为这个对于本课的主要内容的讲解没有多大的帮助，所以就不详细讲下去了。如果有同学感兴趣的，可以参考Haxbyet al. 2011的文章。
二、时间分辨率
我们之间讲过，EEG和MEG有着极佳的时间分辨率。而fMRI的分辨率是被迟缓的血液响应函数（HRF）所限制的，这就意味着反应的开始要在2-3s内才能检测到，其高峰要在5-6s左右才出现。如下图：
虽然这个较差的时间分辨率是fMRI与生俱来的，但我们仍然发展出了一些解决办法。
其中之一就是时间超敏度（Temporal hyperacuity）的方法，它的一种做法是将同一种事件都进行平均，那么我们就能够以100-200msec的延迟来检测到平均反应的差异。这种方法的出现得益于快速采样方法的出现，能够在100-200msec内得到整个大脑的图像。
这些新的解决办法是我们必须关注的科学前沿，它们能够让我们的实验研究更加精确。
对于组分析（group analysis），磁场强度为1.5T或3T的标准fMRI，我们能够以厘米级检测到差异或者相对粗糙的maps和大范围网络的信息。而对于3T fMRI的最佳情况，是单个被试解码多元模式分析，有着高空间分辨率或时间分辨率，并对试次进行平均，来提高检测能力。目前领域内fMRI的最佳情况是高强度7T成像，伴随着单个被试解码和快速采样，在时间和空间分辨率上我们都可以做得更好。
拓宽界限到底为什么如此重要？
因为空间分辨率代表了我们真正看到很多信息处理和大脑表征定位的程度，所以我们如果真的可以继续拓宽这些界限，那么我们就可以看到更多关于大脑活动发生区域的信息。
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