“颜值控的我终于明白为什么这么喜欢这个领域了！” 核磁共振小史"

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核磁共振小史

医学院改革教学，新增了一门小班讨论课，每周两小时，讨论一个与生物医学有关的诺奖工作，我被抓差去讲2003年的医学奖。头一回给生物背景的学生讲MRI我有些犯难，一番纠结后决定略过技术细节，重点讲历史和应用。

备课时在网上搜了搜，发现了一组很不错的课件，历史部分尤其好，帅哥辈出的感觉。于是做了几个截屏放在朋友圈里分享，引来朋友们七嘴八舌的评论，令人莞尔。美女们说：“颜值控的我终于明白为什么这么喜欢这个领域了！”帅哥们则说：“表情包亮了！”我定神再看，真是超级棒的一组表情包啊！比如想撸起袖子干的时候，就用Stern那个。论文被拒的时候，可以考虑用Lauterbur的话来一番自我安慰。

细想了一下，觉得历史还可以再往前推一推，于是按着这个课件的思路重新做了两张。

首先登场的是物理学家。

核磁共振的物理教材，往往会从Zeeman劈裂开始讲起。这一现象是以荷兰物理学家Pieter Zeeman冠名的。准确地说，Zeeman发现了电子在磁场的作用下能级发生劈裂这一现象。而后续的工作则表明，不光是电子，自旋非零的原子核，在磁场里能级也会劈裂。Zeeman劈裂构成了核磁共振的物理基础，Zeeman也因为这一发现成为1902年诺贝尔物理学奖得主，这也是史上第二个诺贝尔奖。第一个给了发现X射线的伦琴，基于X射线的CT成像技术则获得了1979年的医学奖。如今，CT已是所有放射科的必备。

接下来是德国物理学家Otto Stern，为了证明原子角动量的量子化，他和Walter Gerlach一起做了那个著名的Stern-Gerlach实验，发明了用穿过磁场的分子束来研究原子磁矩的方法，并由此发现了质子的核磁矩。Stern的这项工作既有研究手段方面的创新，也有重大的科学发现。如今用于临床的核磁共振成像，95%以上的检查都是在探测水分子中的质子发出的信号。Stern的诺奖可谓名至实归。

再下来便是美国的Isido Issac Rabi了。拉比年轻时美国的物理学尚很落后，年轻人纷纷跑去欧洲求学进修。拉比博士毕业后一度在Otto Stern的实验室做博士后研究，他把Stern-Gerlach实验所用的非均匀磁场改进为均匀磁场，不仅提高了测量精度，也为以后的共振实验奠下了基础。后来拉比经海森堡推荐任教于哥伦比亚大学，在那里创建了自己的分子束研究室，并最终发明了核磁共振的方法。拉比晚年罹患癌症时曾做过一个MRI的检查，他看着成像仪反光的壁面里的自己心想：“这家伙居然是我的研究的产物！”拉比一生可圈可点的事迹太多了，他在我眼里是一位既富有理想主义激情，又接上了十足地气的实验物理学家伙，能于纷纭的尘世、动荡的时局中保持学者的良知和责任感，不改初衷。感兴趣的朋友可以去读我以前写他的文章（见：睿智且坚定——读拉比，美国的海龟们）。

如果说拉比的工作为核物理研究提供了崭新的实验手段的话，Felix Bloch 和 Edward Mills Purcell 的工作则为核磁共振开拓出了广阔的应用前景。他们的工作使得核磁共振的应用不再局限于分子束，而是可以广泛地使用于液体与固体中。核磁共振如今在凝聚态物理、分析化学、结构生物学和生物医学这些领域中均大显身手，Bloch和Purcell工作的重要性由此可见一斑。作为海森堡的开门弟子，Bloch在核磁共振理论方面也颇多建树。做核磁共振的人若是不知道Bloch方程，就和搞力学的人不知道牛顿定律一样会让人贻笑大方。和拉比一样，Bloch和Purcell也是杰出的领导者和社会活动家。Bloch是CERN的第一任主任，为CERN的创建立下了汗马功劳。Purcell则担任了三届总统（艾森豪威尔、肯尼迪、约翰逊）的科学顾问，他在约翰和伊凡狂PK的年代写下的《电磁学》一书，也是经典中的经典。

时间到了1950年，Bloch实验室的两名博士后，Warren Proctor和虞福春，发现了化学位移现象，核磁共振开始在分析化学领域大显身手，接力棒由此也传到了化学家手上。

从事核磁共振研究的两位诺贝尔化学奖得主均为瑞士人，同在苏黎世理工任教。

Richard Ernst对核磁共振波谱分析的方法做出了巨大的贡献。他发明的把脉冲波和傅里叶变换相结合的方法，不仅大大提高了实验的效率，也开拓出了多维核磁共振波谱这一有着广泛应用的领域。学习核磁共振波谱理论和学信号处理理论一样，让人由衷地惊叹造化赋予人的创造力之神奇。一个在形式上有着简洁与对称之美的数学变换方法，竟然能够在实验科学领域大显身手，Ernst的工作堪称天才之作。

Ernst的诺奖工作，是他于1963至1966年间在硅谷的Varian公司任职期间做出来的。这家公司由Varian兄弟创建于1948年，是硅谷最早的高科技公司之一。公司以制造电子真空管和医用直线加速器起家，50年代开始涉足核磁共振领域，因为拥有一批像Ernst这样锐意创新的科学家而成为核磁共振领域的领军公司。然而，在资本运作压倒技术创新的今天，Varian于2010年不幸被Agilent Technologies并购。2014年，Agilent领导层宣布关闭核磁共振谱仪的生产。一个曾经创造了神奇的高科技公司，在新的核磁共振技术依然层出不穷的年代却消失了，其命运令人扼腕。

Ernst不仅是一位杰出的科学家，对艺术也有着广泛的兴趣和爱好。他年轻的时候曾痴迷于大提琴和作曲，后来又迷上了绘画。1968年的一次亚洲之旅，又让Ernst和唐卡画结下了不解之缘，他不仅开始收藏唐卡画，还利用学术休假的机会去北印度的一个小山村学习唐卡画。退休以后，Ernst用诺贝尔奖金购置了一台拉曼谱仪，在家中搭建了一个工作台，开始研究唐卡画的颜料。上面这篇文章，发表在2001年瑞士化学学会的会刊CHIMIA上(CHIMIA 2001;55:900-914)，把他对唐卡画的研究心得娓娓道来。序言与结尾的两段话，也道出了他对科学与艺术的洞见，相信不少科学家伙也会有感同身受的体会。

There are indeed intimate relations between the arts and the sciences. Both fields require intuition and creativity, and in both fields greatness is measured by the mastery of inherent difficulties and nevertheless expressing eternal truths or achieving eternal beauty.

For the author, art has been a constant source of inspiration in his professional research work. Perhaps art has contributed more than science to make our world hospitable and lovable, although science is of greatest importance for our survival. Together, in a creative symbiosis, they give us hope for a prosperous future in view of our physical and emotional well-being.

Enrst的工作很快使得核磁共振成为分析化学不可或缺的工具，有他的工作奠基，用核磁共振来解大分子——蛋白质——的结构，多多少少是意料中的事情。虽然蛋白分子结构的复杂性和有机小分子不可同日而语，这一难题还是被Enrst的同事Kurt Wüthrich给攻下了。在冷冻电镜成为结构生物学的新宠之前，核磁共振和X光晶体衍射在很长一段时间里平分着秋色，相比于X光晶体衍射，核磁共振无需生成蛋白晶体，因此在研究蛋白与分子间的作用及药物设计方面更具优势。Wüthrich的诺奖名至实归。

再下来，就是我如今赖以谋稻粱的医用核磁共振成像技术了，这个话题扯开了怕是刹不住车，还是先搁一搁，感兴趣的朋友可以去读我以前的一篇小文——理弦成像影憧憧。

走过历史，为了是要面对现实和展望未来，科学网的博主在微信上发问了：“还有能再得奖的工作吗？”嗯，这个问题还真需要好好想想，现实离得太近，未免难以看得真切。不过要论及核磁共振成像对生命科学最重要的贡献，恐怕非脑功能成像(fMRI)莫属了。不为别的，人类对自身的好奇心由来已久，古希腊老头纸们发天问的时候，就已经想给这个问题寻找答案了。可是一直到了100多年前，脑洞大开的意大利生理学家Angelo Mosso才发明出了下面这个高端设备。他的假设是：人类一思考，血液就会涌向脑袋。

Mosso的假设很大胆，然而它的求证却花了近100年的时间。最初是用正电子断层扫描(PET)，但直到有了fMRI，脑功能和脑图谱的研究才开始呈星火燎原之势。神经科学领域近二三十年来加速度般的发展，fMRI功不可没。和这段历史平行的，是中国的改革开放，许多学子走出国门，加入到对人类认知活动的研究中。下面这张照片，是《神经影像》杂志纪念fMRI研究20年的封面照片，有许多对这一领域做出了重要贡献的学者，从中可以一窥中国学人在世界舞台上的风采。

(from PA Bandettini, Twenty years of functional MRI: the science and the stories. NeuroImage 2012;62:575-588)

未来会是什么情形，我不太敢下结论。我一直不愿预测未来，一是觉得有扮巫婆之嫌，二是以严谨为标志的科学研究，其发展却每每超出了人的想象。下面的卡通来自微信群里的一位同仁，贴上来博看官一笑，当不得真。不过有一年大选年，还真有人试图用fMRI来偷窥摇摆不定的选民，引来《科学》杂志一篇谆谆的editorial，告诫人们：fMRI is not a crystal ball!

（全文完）

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