2022年4月13日，国际著名期刊《Human Brain Mapping》在线发表了浙江大学系统神经与认知科学研究所（Zhejiang University Interdisciplinary Institute of Neuroscience and Technology, ZIINT）Anna Wang Roe（王菁）教授团队与哈佛大学附属麻省总院（Massachusetts General Hospital，MGH）Jonathan R. Polimeni教授团队的合作研究成果，题为：“Critical factors in achieving fine-scale functional MRI: removing sources of inadvertent spatial smoothing”。

图像细节的重要性：左图为著名荷兰画家伦勃朗的自画像。该画作的面部细节反映了他晚年生活遭遇的戏剧性变故所带来的沧桑感。在右图中，对他的面部细节特征模糊化处理后导致画作传递的悲剧性信息骤然消失。图片修改自网络。

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI），作为上世纪最不可思议的发明之一，使得我们可以无创地了解人类大脑。这种成像方法为我们带来了一个令人惊叹的图像宇宙，在这里，人们可以描述感觉、运动、情感和认知等行为过程的大脑活动。非人灵长类动物的研究，作为人类大脑研究的极佳模型，揭示了这些大脑功能是以精细尺度（亚毫米级）功能结构为单元组织的 (Hubel and Wiesel, 1977; Roe and Ts’o, 1995; Mountcastle, 1997)。利用超高场（≥ 7 T）磁共振（Ultra-high Field MRI, UHF-MRI），结合先进的射频线圈、脉冲序列等技术，MRI的图像分辨率得以提升3-50倍，使得呈现这些亚毫米级的功能结构成为可能。然而，对这些精细的功能结构成像仍然充满挑战。

其挑战性的原因之一是这种得之不易的分辨率提升往往由于数据处理过程不经意间造成的数据模糊而损失。通常，功能磁共振数据要经过多个数据处理步骤以达到最终成像目的。这些数据处理流程已经被广泛应用于功能磁共振研究中，并被证明是可靠的。然而，这些数据处理步骤往往会引入数据模糊，进而阻碍对数据中精细特征的检测。正如本研究所述，不同数据处理流程会导致检测大脑功能特异性精细结构能力的不同（例如：造成无法区分颜色和视差信息处理的大脑空间位点）。这种无意引入的空间模糊不仅会削弱对精细尺度功能单元检测的能力和准确性，如近来引起广泛注意的《Nature》文章所报道的 (Botvinik-Nezer et al., 2020)，还将导致数据结果可比性的降低。

在本研究中，研究者首次系统性地评估了MRI数据处理策略如何影响超高场MRI对精细尺度功能特征的检测。为了回答这个问题，研究者提出了定量和定性的方法，通过对合成数据（合成白噪声、体素索引等）和视觉实验数据（颜色功能柱和视差功能柱）的分析，评估了不同的数据处理策略对数据空间模糊的影响。研究发现，体素上采样、皮层网格细化和皮层内平滑等方法可以有效保持数据分辨率。如图1 B、C所示，随着皮层网格顶点的增加，有更多的体素得以保留。进一步，利用著名的大脑第二视觉区亚毫米及颜色功能条带和视差功能条带的空间特性。研究者揭示了利用这些方法可以更好的检测默认方法难以检测的功能组织细节特征（图2 B、C中箭头所示），同时还可以实现更为独立的颜色功能条带和视差功能条带空间分布（图2 D）。研究表明，较为简单的体素上采样方法与较为复杂的图像转换矩阵组合方法有着相当的效果，并且可以提高头动参数估计的准确性。研究结果还指出了因数据采集造成的有效分辨率在全脑分布的不均匀性。

图1. 利用合成体素索引评估体素在皮层表征过程中的丢失情况。（A）体素到皮层网格投射的过程示意图。（B）使用原始皮层（左一）丢失的体素随着皮层网格的增加而逐渐保留。放大视图展示了距状沟内的皮层（黑色轮廓）样例。彩色梯度代表体素索引值。（C）对皮层网格细化效果的量化分析。fMRI体素数量随皮层网格顶点的增加而增加。每次细化迭代，包含更多体素。

图2. 本研究实现的介观尺度功能成像及通过不同数据处理策略得到的结果。（A）激活图展示于重建后的大脑皮层空间。黑色虚线指示第二视觉区，放大后在（B）、（C）和（D）中展示。（B）视觉皮层对颜色信息具有选择性的功能单元。（C）视觉皮层对视差信息具有选择性的功能单元。可见，体素上采样，空间转换组合，皮层网格细化和皮层内平滑等数据处理策略可以呈现更为精细的功能单元（红色箭头和绿色箭头指示）。(D) 二者的空间位置关系。红色表示“颜色功能柱”，绿色表示“视差功能柱”。蓝色表示二者的重叠。（定量分析见正文）。

本研究对功能磁共振成像数据处理的方法进行了系统分析，并对如何有效地保持分辨率以实现精细尺度功能成像提供了指导性建议，为介观尺度功能成像的实现及评估提供了方法学参考。审稿人对该研究给予了高度评价，认为其对了解大脑功能的介观尺度功能单元（包括皮层功能柱、皮层层板和皮层下核团组织）做出了重要贡献。

该研究通讯作者为浙江大学系统神经与认知科学研究所Anna Wang Roe教授及哈佛大学附属麻省总院Jonathan. R. Polimeni 教授。第一作者为Anna Wang Roe教授课题组博士研究生王剑葆。该研究在哈佛大学附属麻省总院Nasr Shahin教授的合作指导下共同完成。

该工作由科技部重点研发计划，国家自然科学基金，中央高校基本科研经费，浙江省重点研发计划，浙江大学教育部脑与脑机融合前沿科学中心经费，国家留学基金委公派留学项目，浙江大学博士研究生学术新星培养计划及美国国立卫生研究院科研基金等资助。

作者小记：

        对该研究可以简单理解为避免科学研究成像的“美颜功能”。日常生活中很多图像软件的诸如磨皮、美白等功能可以帮助我们美化图片。但是对于科学研究，每一个细节都有它的意义，因此，给科研数据“拍照”时应尽量保持图像的真实性，或者至少应该了解在“美颜”过程中丢失了什么。

 Anna Wang Roe（左三）团队部分成员与Jonathan Polimeni（左一）合影

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/hbm.25867

实验室网页：

http://www.ziint.zju.edu.cn/Anna/index.php/Index/index1.html