一場(chǎng)無(wú)心插柳的科學(xué)實(shí)驗(yàn)誕生了核磁共振技術(shù)
現(xiàn)在不少醫(yī)院都配備有磁共振成像儀，就是那種形狀像個(gè)大圓筒的白色儀器，人往上一躺，送到圓筒中，過(guò)幾分鐘就能得到身體相應(yīng)部位的三維結(jié)構(gòu)圖。過(guò)去人們耳熟能詳?shù)慕o身體“照相”的技術(shù)是X光片或者CT，這兩者都借助X光的成像原理，具有放射性。而磁共振只是給人體加上磁場(chǎng)，無(wú)傷害性地就看見(jiàn)了人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。
要說(shuō)起來(lái)，這確實(shí)是門(mén)挺“神”的技術(shù)。X射線能穿透物體，所以能照見(jiàn)“內(nèi)部的東西”，這不難理解，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之后馬上給妻子的手拍了張“骨感”相片。而磁共振所涉及到的科學(xué)原理在上世紀(jì)初成為研究熱點(diǎn)的時(shí)候，人們根本想都沒(méi)往醫(yī)學(xué)成像上想，它們是純粹的量子力學(xué)研究，目的是推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。誰(shuí)也沒(méi)料到，這些知識(shí)在世紀(jì)末為醫(yī)學(xué)和心理學(xué)帶來(lái)了一項(xiàng)劃時(shí)代的技術(shù)。
量子力學(xué)研究的是微觀粒子中的物理學(xué)，用不專(zhuān)業(yè)的詞兒來(lái)說(shuō)，就是研究中子啊、質(zhì)子啊、電子啊這些小到快沒(méi)有了的玩意兒是怎么運(yùn)動(dòng)和相互作用的。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些微觀粒子都具有一種叫做“自旋”的性質(zhì)，就好像它們永遠(yuǎn)在繞著自身旋轉(zhuǎn)，像地球自轉(zhuǎn)一樣。其中質(zhì)子是帶正電荷的，而帶電物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)在遇到別的磁場(chǎng)時(shí)就會(huì)發(fā)生力的作用，作用力會(huì)導(dǎo)致自旋所圍繞的那根軸也開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。
這個(gè)過(guò)程可以和我們玩陀螺時(shí)遇到的現(xiàn)象進(jìn)行類(lèi)比：當(dāng)鞭子把陀螺抽起來(lái)的時(shí)候，陀螺是筆直旋轉(zhuǎn)的，中間那根軸固定在豎直方向上。這時(shí)如果輕輕推一下那根軸，陀螺不會(huì)馬上倒下，而是繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并且中間那根軸也跟著轉(zhuǎn)起來(lái)。自旋的質(zhì)子遇到磁場(chǎng)，就像陀螺被推了一下，不同之處在于陀螺最終會(huì)倒下，而只要質(zhì)子周?chē)拇艌?chǎng)保持不變，質(zhì)子的“軸”就會(huì)圍繞著磁場(chǎng)的方向一直旋轉(zhuǎn)下去。這個(gè)現(xiàn)象在量子物理中有個(gè)專(zhuān)門(mén)的名詞，叫做“拉莫爾進(jìn)動(dòng)”。
現(xiàn)在不少醫(yī)院都配備有磁共振成像儀，就是那種形狀像個(gè)大圓筒的白色儀器，人往上一躺，送到圓筒中，過(guò)幾分鐘就能得到身體相應(yīng)部位的三維結(jié)構(gòu)圖。過(guò)去人們耳熟能詳?shù)慕o身體“照相”的技術(shù)是X光片或者CT，這兩者都借助X光的成像原理，具有放射性。而磁共振只是給人體加上磁場(chǎng)，無(wú)傷害性地就看見(jiàn)了人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。
要說(shuō)起來(lái)，這確實(shí)是門(mén)挺“神”的技術(shù)。X射線能穿透物體，所以能照見(jiàn)“內(nèi)部的東西”，這不難理解，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之后馬上給妻子的手拍了張“骨感”相片。而磁共振所涉及到的科學(xué)原理在上世紀(jì)初成為研究熱點(diǎn)的時(shí)候，人們根本想都沒(méi)往醫(yī)學(xué)成像上想，它們是純粹的量子力學(xué)研究，目的是推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。誰(shuí)也沒(méi)料到，這些知識(shí)在世紀(jì)末為醫(yī)學(xué)和心理學(xué)帶來(lái)了一項(xiàng)劃時(shí)代的技術(shù)。
如今核磁共振技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用
量子力學(xué)研究的是微觀粒子中的物理學(xué)，用不專(zhuān)業(yè)的詞兒來(lái)說(shuō)，就是研究中子啊、質(zhì)子啊、電子啊這些小到快沒(méi)有了的玩意兒是怎么運(yùn)動(dòng)和相互作用的。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些微觀粒子都具有一種叫做“自旋”的性質(zhì)，就好像它們永遠(yuǎn)在繞著自身旋轉(zhuǎn)，像地球自轉(zhuǎn)一樣。其中質(zhì)子是帶正電荷的，而帶電物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)在遇到別的磁場(chǎng)時(shí)就會(huì)發(fā)生力的作用，作用力會(huì)導(dǎo)致自旋所圍繞的那根軸也開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。
這個(gè)過(guò)程可以和我們玩陀螺時(shí)遇到的現(xiàn)象進(jìn)行類(lèi)比：當(dāng)鞭子把陀螺抽起來(lái)的時(shí)候，陀螺是筆直旋轉(zhuǎn)的，中間那根軸固定在豎直方向上。這時(shí)如果輕輕推一下那根軸，陀螺不會(huì)馬上倒下，而是繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并且中間那根軸也跟著轉(zhuǎn)起來(lái)。自旋的質(zhì)子遇到磁場(chǎng)，就像陀螺被推了一下，不同之處在于陀螺最終會(huì)倒下，而只要質(zhì)子周?chē)拇艌?chǎng)保持不變，質(zhì)子的“軸”就會(huì)圍繞著磁場(chǎng)的方向一直旋轉(zhuǎn)下去。這個(gè)現(xiàn)象在量子物理中有個(gè)專(zhuān)門(mén)的名詞，叫做“拉莫爾進(jìn)動(dòng)”。
好了，至此我們才略為完整地回答了最初的問(wèn)題：人吸進(jìn)鼻子的氧氣去了哪里?氧氣進(jìn)到肺里，穿過(guò)肺泡里的血管壁進(jìn)到血液里，再穿過(guò)紅血球表面進(jìn)到血紅蛋白上有鐵離子的位置固定下來(lái)。紅血球隨著血液流向各個(gè)身體器官，氧氣在各個(gè)毛細(xì)血管的末梢處脫離血紅蛋白，重新被釋放出來(lái)，最終進(jìn)到各個(gè)器官里。
好了，到目前為止，全是純粹的生理學(xué)和分子生物學(xué)，這和大腦的活動(dòng)有啥關(guān)系呢?請(qǐng)君耐心再讀下去，現(xiàn)代交叉學(xué)科的迷人魅力就在此處了。
現(xiàn)在我們知道了血紅蛋白中有鐵離子，而鐵元素恰好是一種可以被磁化的物質(zhì)。就像被磁鐵磁化的小釘子可以吸引普通釘子，當(dāng)人被推進(jìn)磁場(chǎng)，血液中的鐵離子也被磁化，在鐵離子周?chē)托纬闪艘粋€(gè)局部的新磁場(chǎng)。前邊我們說(shuō)，人體中的質(zhì)子會(huì)在磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)，現(xiàn)在我們把血液的影響考慮進(jìn)去。當(dāng)血液流過(guò)人體器官的時(shí)候，血液中的鐵離子產(chǎn)生的局部磁場(chǎng)和外界磁場(chǎng)疊加起來(lái)，對(duì)它附近的質(zhì)子產(chǎn)生影響。這不會(huì)破壞顯現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)的“質(zhì)子密度圖”，因?yàn)槊?xì)血管密布全身，鐵離子的分布是相對(duì)均勻的，對(duì)質(zhì)子的影響也相對(duì)均勻(所以在磁共振成像的原理中不考慮血流也不妨礙理解)。
既然鐵離子的存在對(duì)顯現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響，那把它考慮進(jìn)來(lái)干嘛?答案是測(cè)量血液中含氧量的變化。前邊說(shuō)過(guò)，結(jié)合了氧氣的鐵離子是三價(jià)，未結(jié)合的是二價(jià)。價(jià)位不同的鐵離子被磁化后產(chǎn)生的局部磁場(chǎng)不同，對(duì)附近質(zhì)子的影響也不同。那么含氧量的變化就可以從質(zhì)子受影響的程度上間接探測(cè)出來(lái)。
含氧量變化對(duì)窺測(cè)大腦活動(dòng)特別有用，因?yàn)槟X細(xì)胞活躍的時(shí)候大量耗氧，要靠血液來(lái)補(bǔ)給。當(dāng)大腦的某個(gè)部位活躍起來(lái)，該處的血液中含氧量先是下降，緊接著就有大量的“新血”補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，導(dǎo)致總含氧量反而上升。那么通過(guò)比對(duì)含氧量的變化，我們就能找到大腦活躍的部位在哪里。
磁共振和功能性磁共振分別為醫(yī)學(xué)和心理學(xué)做出了卓越的貢獻(xiàn)。有了無(wú)傷害觀察人體結(jié)構(gòu)的方法，醫(yī)生們可以通過(guò)磁共振圖譜來(lái)定位腫瘤和身體的器質(zhì)性病變;有了無(wú)傷害觀察大腦活動(dòng)的方法，心理學(xué)家們終于能把哲學(xué)高度的認(rèn)知理論和腳踏實(shí)地的神經(jīng)科學(xué)結(jié)合起來(lái)，邁上為意識(shí)尋找生理機(jī)制的新征程。
這兩個(gè)最好不過(guò)的例子告訴我們，沒(méi)有無(wú)用的知識(shí)，只有還沒(méi)派上用場(chǎng)的知識(shí)。人們往往沒(méi)有耐心去了解那些看起來(lái)很“無(wú)聊”的知識(shí)——既然用不上，何必為那些細(xì)枝末節(jié)浪費(fèi)時(shí)間?？伤麄兒雎粤酥R(shí)之間的相互聯(lián)系：一種知識(shí)并不是為了回答某個(gè)單一的問(wèn)題而存在的。知識(shí)是關(guān)于世間萬(wàn)物的信息，獲得一種知識(shí)相當(dāng)于多了一個(gè)看世界的角度，從這個(gè)角度看過(guò)去，一些原有的認(rèn)識(shí)會(huì)發(fā)生改變，從而又激發(fā)出新的問(wèn)題和靈感。當(dāng)我們循環(huán)往復(fù)地提問(wèn)和學(xué)習(xí)，當(dāng)我們知道得足夠多，原來(lái)點(diǎn)點(diǎn)滴滴的“廢知識(shí)”就會(huì)互相聯(lián)系起來(lái)顯現(xiàn)出意義，顯現(xiàn)出我們眼睛看不見(jiàn)的但卻更接近本質(zhì)的世界。
