神經影像學自 1970 年代 CT 和 PET 的臨床應用以來，已從診斷工具演變為神經科學研究的核心方法論。本節深入探討各影像技術的物理原理、訊號來源、方法學限制及前沿發展。
MRI 的物理原理與進階序列
MRI 基礎是核磁共振（NMR）現象：氫原子核在外磁場 B₀ 中以 Larmor 頻率（ω = γB₀，γ = 42.58 MHz/T）進動。RF 脈衝激發後，T1 弛豫（自旋-晶格弛豫）反映能量釋放回周圍組織的速率；T2 弛豫（自旋-自旋弛豫）反映相位失散速率。梯度磁場切換實現空間編碼，構成 k-space 數據矩陣，經傅立葉變換重建影像。
進階序列：7T 超高場 MRI 可達 ~0.3 mm 各向同性解析度，足以辨識海馬迴 CA1-CA4 亞區和齒狀迴。MP2RAGE 序列有效去除 B1 場不均勻性，提供更精確的 T1 mapping 用於皮質厚度分析。
擴散 MRI（dMRI）：DTI 假設每個 voxel 中水分子擴散可用單一張量描述，但在纖維交叉區域（佔白質 60-90%）會失敗。高階模型如 HARDI（High Angular Resolution Diffusion Imaging）、CSD（Constrained Spherical Deconvolution）和 DSI 可解析多方向纖維。Human Connectome Project 採用多 shell 擴散方案（b = 1000, 2000, 3000 s/mm²），搭配 CSD 進行全腦纖維追蹤建構人類白質連結體。
ASL（Arterial Spin Labeling）以磁標記動脈血水分子作為內源性示蹤劑，非侵入性定量測量腦血流量（CBF, mL/100g/min）。相比 BOLD fMRI，ASL 提供腦血流的絕對量化指標但 SNR 較低。
fMRI 的訊號學與方法學考量
BOLD 信號是血液動力學間接指標，與神經活動之間存在複雜的神經血管耦合。Logothetis et al.（2001）在猴腦中同步記錄電生理和 fMRI 的里程碑研究顯示，BOLD 與局部場電位（LFP，反映突觸輸入和局部處理）的相關性高於多單元放電活動（MUA，反映動作電位輸出），意味著 BOLD 更多反映區域的「計算負荷」而非「輸出信號」。
HRF 的時間延遲（約 5-6 秒達峰值）決定了時間解析度上限。不同腦區和受試者群體的 HRF 可能不同，統一假設會導致系統性誤差。
靜息態功能連結
Biswal et al.（1995）首次報導靜息態下左右運動皮質的 BOLD 低頻（<0.1 Hz）同步波動。Yeo et al.（2011）利用 1000 名受試者識別出 7 個全腦功能網路，包括 DMN、突顯網路和背側注意網路。
方法學挑戰：頭動是最大混淆因子。Power et al.（2012）顯示微小頭動（<0.5 mm）會產生虛假功能連結並系統性縮短長距離連結估計。最佳實踐包括 FD/DVARS 品質控制和 ICA-based denoising（FIX 或 ICA-AROMA）。全球信號回歸（GSR）仍有爭議——改善特異性但引入人工負相關。
EEG/MEG 源定位
逆問題是數學上的不適定問題。方法包括等效偶極模型（ECD，假設少數離散源）、分佈式源模型（MNE、LORETA、beamforming，將源活動分佈在皮質表面）、EEG-fMRI 融合（利用 fMRI 空間約束 EEG 源定位或利用 EEG 時間解析 fMRI 網路動態）。
PET 分子影像前沿
Tau PET（¹⁸F-MK-6240）追蹤活體 tau 病理 Braak 分期，與認知退化的相關性比 amyloid PET 更強。SV2A PET（¹¹C-UCB-J）測量突觸囊泡蛋白 2A 密度作為突觸密度活體標記物。TSPO PET 測量神經發炎但受 rs6971 多型性影響需基因分型。Explorer 全身 PET/CT（200 cm 軸向覆蓋）靈敏度提升 40 倍，實現全身動態顯影和超低劑量掃描。
新興技術
fNIRS 利用近紅外光穿透頭骨測量皮質血氧變化，可攜式、對運動耐受性佳，適合嬰兒和自然情境研究，但穿透深度有限（~2-3 cm）。超音波功能影像（fUS）利用超快都卜勒技術測量腦血流，空間解析度 ~100 μm，時間解析度 ~200 ms。CEST MRI 偵測代謝物質的化學飽和轉移效應，GluCEST 可繪製腦內麩胺酸分布圖，在癲癇灶定位展現潛力。