基本概念与原理

磁共振频谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）是利用磁共振现象和化学位移作用进行特定原子核及其化合物定量分析的方法。原子核的共振频率不仅取决于外加磁场强度和原子核本身物理性质， 同时还受原子核在化合物中的化学环境的影响，即使是同一种原子核（如P、H、C核）， 其所在的化合物的化学环境不同， 进动频率就不会相同， 产生磁共振的频率也就不同， 在频谱上产生共振峰也就有差别， 这种现象就是所谓的化学位移。由于化学位移的不同， 不同化合物可以根据其在频谱上共振峰的不同加以区别。共振峰的面积与共振核的数目成正比， 它能反映化合物的浓度变化。对给定的外加磁场， 原子核所处化学环境不同， 使其共振频率产生微小的差异， 这就是MRS各频谱谱峰差别产生的基础。MRS由一系列的谱峰组成，每一个峰的面积对应于所探测原子核的数量， 因此， MRS可以定量检测采样容积内的化学物质的浓度。频谱的横轴代表共振频率， 通常应用百万分率（parts per million， ppm）来表示，纵坐标代表代谢物的信号强度单位，信号峰值由共振频率峰高和半高宽度决定，其所采集到的化学物质的浓度根据不同的后处理软件处理的方法不同，差异也会有不同。频谱谱线的宽度会受到以下因素的影响：①主磁场的均匀度， 均匀度越差， 则谱线越宽， 因此， 进行MRS检查时匀场非常重要； ②采样容积内部磁化频率的均匀度， 均匀度越高， 谱线越窄；③横向弛豫时间，T2值越大， 谱线越窄，T2值越小，谱线越宽，MRS能检测多种重要的代谢物， 可在较短时间内与常规的MRI同时完成检查。在体部，如肝脏、前列腺和乳腺等，MRS检查易受心跳、呼吸及其他运动伪影干扰，且乳腺区域富含脂肪组织，会掩盖大部分代谢产物信号，所以应用较少。而人的头部容易制动，检查结果受运动伪影的影响很小， 并且大脑表面很少含脂质信号， 所以MRS主要用于人脑疾病和功能的研究。MRS可以对多种原子核进行成像，包括氢核、磷核、碳核等。其中氢质子的旋磁比率最大，在生物体中的含量也最丰富，产生的MRS信号最强，且与常规MRI所用的激发及接受频率一致，因此，临床应用1H-MRS技术最为成熟，应用也最方便、最广泛。

正常人脑的1H-MRS有5个较明显的共振频谱波峰。

N-乙酰天冬氨酸（N-acetylaspartate, NAA）的波峰最高，其意义是代表N-乙酰基的特征，化学位移大约位于2.02 ppm，在正常人的大脑内的浓度接近12.0mmol/L，目前绝大多数研究者认为NAA仅存在于神经元和神经轴突内，是神经或轴突密度和异型性的标志物，而不会出现在神经胶质细胞中，所以NAA被认为是神经元的标志物。NAA水平的降低可作为判断神经元丢失和损伤的可靠指标。NAA的功能还不十分清楚，可能参与脂肪酸的生化合成、髓鞘的形成以及调节蛋白的合成，它可作为天冬氨酸的储存形式或氮-乙酰天冬氮酰-谷氨酰胺的分解产物等。总的来讲，NAA的水平反映了神经元细胞的脱失修复或活性的代谢情况。

胆碱复合物 （choline containing compounds，Cho） 包括磷酸胆碱（phosphocholine，PCho）、甘油磷酸胆碱（glycerol 3-phosphocholine，GPC）及磷脂酰胆碱（Choline），Cho 峰反映脑内总胆碱的储存量，化学位移大约位于3.22 ppm，其中甘油磷酸胆碱和磷酸胆碱是该波峰的主要成分，Cho是乙酰胆碱和磷脂酰胆碱的前体，前者是一种重要的神经递质，影响记忆认知功能和精神状态，后者则参与细胞膜的构成，同时Cho也是髓鞘形成、细胞代谢和胶质增生的指标以及髓鞘脂质崩溃降解的指标。胆碱与细胞膜磷脂代谢有关，反映了细胞膜的运转状态。

肌醇 （myoinositol，MI） 的主要成分是肌醇，并有少量的磷酸肌醇和甘氨酸构成，其结构与葡萄糖相似，是磷脂酰肌醇和二磷酸磷脂酰肌醇的前体物质，化学位移大约位于3.56 ppm和4.0 ppm处，目前认为MI仅存在于神经胶质细胞中，是脑内神经胶质细胞的标志物；它参与细胞渗透压的调节，参与细胞内第二信使的生成，以及肝脏和颅脑的解毒等过程。在胶质的脱髓鞘损伤的区域 MI的水平会相应地升高，MI的水平的升高也可见于肿瘤性病变中。MI还与抑郁症及磷脂酰肌醇的信使有关，并且MI是脑中主要的渗透压调节器，如高血钠时MI水平明显升高，低血钠时MI水平降低。糖尿病或透析过程中的患者MI水平也有升高。MI浓度及渗透压的改变要经历较长的时间，大约要数周，因此，在一些急性病变中不会发生明显的变化，因而对MI水平变化的解释必须仔细观察，MI水平的变化既可能预示神经胶质细胞的代谢改变，也可能反映了潜在的生化紊乱及第二信使的改变。

磷酸肌酸和肌酸 （phosphocreatine and creatine，PCr/Cr） 包括肌酸、磷酸肌酸以及少量的γ-氨基丁酸、赖氨酸及谷胱甘肽，化学位移大约位于3.02 ppm和3.96 ppm处，在脑灰质内的含量高于脑白质，它是ATP/ADP转换的高能磷酸键储备物质和细胞内 ATP/ ADP 的缓冲剂，作为脑组织能量代谢的提示物，Cr在能量代谢减退的情况下增加，而在能量代谢增加的情况下降低，作为细胞完整性的可靠标志，PCr/Cr存在于所有与贮存能量有关的各种代谢物中；因为 Cr/PCr的浓度无论在生理还是病理状态下，都相对稳定，所以，许多学者都把Cr/ PCr峰当作参照物，与其他共振峰进行比较，以反映代谢物含量的变化。本研究也以其他代谢物与PCr/Cr的比值为参考值来分析aMCI颅内代谢物的变化。

谷氨酰胺 （glutamine，Gln） 和谷氨酸 （glutamic, Glu） 的复合物 （Gln + Glu；Glx） 在MRS上的波峰很难区分，其总的化学位移位于2.1～2.5ppm处，Glu是一种兴奋性氨基酸，是抑制性神经递质γ-氨基丁酸的前体，它具有兴奋毒性作用，并参与脑内氨的解毒，在脑组织缺血缺氧和肝性脑病时增高，Glu参与能量代谢；同时Gln还有灭活和调节神经递质的作用。另外，脑内还会出现乳酸（lactate，Lac）、脂质（lipid，Lip）、丙氨酸（alanine，Ala）、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）等。乳酸是能量代谢的低能通路，是葡萄糖无氧酵解的产物，是细胞能量代谢缺乏的指标，Lac峰的出现常提示正常细胞的有氧代谢不能正常进行，周围组织的缺血、缺氧甚至占位性病变。

一般来说，出生后，新生儿神经元的轴索、树突及突触连接的增多，NAA水平以及NAA/Cr比率逐渐增加；在早产儿和足月新生儿至4个月的婴儿，Cho和MI的水平可高于NAA，新生儿在8个月前 Cho和MI的水平可有升高。在基底节区，出生后的第1年Cho的水平逐渐降低，在1岁左右会趋于平稳，到2岁后与成年人的频谱形式基本相同。到正常老年人，NAA及NAA/Cr比率会减低，Cho及Cho/Cr比率升高，因为，老年人神经元细胞能力减低，突触退化，细胞膜退变，胶质增生。各代谢物在大脑不同区域分布也有所不同，海马区的NAA一般较皮质区浓度低，而小脑内NAA浓度低于其他脑部。Cho在白质内的浓度高于灰质，而脑桥的Cho浓度则相对高于其他部位，Cr在灰质中浓度较高，另外，Cho和Cr在丘脑和小脑较白质浓度高。

体部的1H-MRS频谱与头部明显不同。在前列腺，较重要的共振频谱波峰包括枸橼酸盐、胆碱类化合物和多胺。在肝脏和乳腺，为胆碱类化合物和脂肪。

目前1H-MRS技术是临床最常用的MRS技术。31P-MRS和13C-MRS由于信噪比低、信号采集时间长、需要特制线圈等问题，临床应用受到限制。但31P-MRS和13C-MRS可以提供1H-MRS不能提供的病灶代谢信息，在正常生理过程和疾病病理机制研究中发挥着重要作用。

31P-MRS由一系列含磷的物质峰组成，主要有：①磷酸单酯（phosphomonoester，PME），主要为一些细胞膜前体成分和糖磷酸盐。②无机磷酸盐（Pi）。③磷酸二酯（phosphodiesters；PDE），主要包括一类细胞降解产物；PME和PDE含量增高分别提示细胞增殖和更新速度的升高。④三磷腺苷（ATP），包括α、β和γ 3个峰，磷酸肌酸（Pcr）和无机磷（Pi）等成分，主要用于能量代谢的研究。由于Pi在频谱中的位置依赖于pH的变动，根据Pi峰的位置可测定组织的pH。13C-MRS可望成为未来腹部MRS研究发展中的一个新的亮点。13C-MRS最大的优点在于13C的化学位移范围很宽（250 ppm），远远大于1H的化学位移（15 ppm），非常有利于分辨各种代谢物成分。向体内引入动态核超极化过的13C标记底物能提高13C-MRS信号强度和体内代谢物共振峰强度10 000倍。因此，13C-MRS有可能会在几个关键的生化反应过程（如糖原合成、三羧酸酸循环以及脂肪合成）监控中具有潜在的应用价值。