基于功能磁共振成像的腦功能網(wǎng)絡模式研究與應用.pdf

1、大腦是自然界最復雜的信息處理系統(tǒng)，它通過不斷地組織和重塑功能連接來實現(xiàn)一系列的復雜功能。本文以功能磁共振成像(functional magnetic resonanceimaging，fMRI)實驗數(shù)據(jù)集為研究對象，從功能整合角度研究了腦功能的某些內(nèi)部組織機制，考察了病理條件下大腦網(wǎng)絡異常，探索合適的數(shù)據(jù)分析方法來深入研究腦功能網(wǎng)絡，并為精神分裂癥發(fā)病機理研究及判別標準提供有參考價值的結(jié)果。本文工作可以歸納為以下四方面：
　　

2、 以口香糖咀嚼運動為實驗范式，研究腦功能網(wǎng)絡的基本特點。本文采用激活區(qū)檢測和復雜網(wǎng)絡理論，探索口香糖咀嚼運動腦功能網(wǎng)絡中信息處理與傳遞機制。通過標記咀嚼任務中顯著激活的體素，構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡，證實了該網(wǎng)絡具有小世界特性和無標度特性。通過進一步分析網(wǎng)絡中心化和社團結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：1)具有網(wǎng)絡集線器功能的節(jié)點位于大腦感覺皮層和運動皮層區(qū)域；2)最大介值的節(jié)點，即信息傳遞最短路徑上的關(guān)鍵節(jié)點，位于丘腦和豆狀核；3)除了有與運動和節(jié)律有關(guān)的中央回、小腦

3、、豆狀核等功能社團外，還有與認知功能相關(guān)的腦島、額葉等腦區(qū)的功能社團參與了咀嚼運動。據(jù)此推斷，口香糖咀嚼運動主要是通過大腦皮層-丘腦-小腦的神經(jīng)回路來完成相應的信息處理和傳遞。
　　 研究純靜息狀態(tài)下人腦功能網(wǎng)絡特點。本文采用復雜網(wǎng)絡方法進行建模，考察純靜息狀態(tài)下腦功能網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和拓撲特性。研究結(jié)果表明，該靜息網(wǎng)絡不僅具有小世界特性，而且具有無標度特性。通過計算網(wǎng)絡中心化指標，我們還發(fā)現(xiàn)楔前葉和扣帶回不僅和許多節(jié)點存在廣泛連接，而

4、且在節(jié)點間最短路徑中處于樞紐地位。此外，本文還引入概率混合模型分析網(wǎng)絡社團結(jié)構(gòu)，得到了10個相關(guān)的子網(wǎng)絡，其中包含視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、默認網(wǎng)絡以及與執(zhí)行和工作記憶相關(guān)的腦區(qū)。因此，我們認為靜息狀態(tài)腦功能網(wǎng)絡是由這些相對獨立又彼此關(guān)聯(lián)的子網(wǎng)絡組成，其中楔前葉和扣帶回作為網(wǎng)絡的關(guān)鍵節(jié)點，在信息傳遞中占據(jù)重要地位。
　　 采用相應腦網(wǎng)絡分析手段，分別考察了以陰性和陽性癥狀為主兩類精神分裂癥腦功能非對稱性和相應的網(wǎng)絡拓撲特性。

5、從功能連接角度，研究了陰性和陽性精神分裂癥患者腦功能非對稱性方面的差異。首先構(gòu)造出額葉背外側(cè)、顳上回、顳中回和海馬相關(guān)功能連接映射圖，然后提出一種新的組內(nèi)和組間功能非對稱分析方法，以檢測陽性組、陰性組和正常組之間的差異，由此發(fā)現(xiàn)陽性組顯著左偏而陰性組顯著右偏，并且額葉、顳葉、扣帶回和右側(cè)楔前葉的不對稱強度與PANSS(Positive and Negative Syndrome Scale，陽性癥狀與陰性癥狀評定量表)中癥狀打分存在顯著

6、相關(guān)性。另外，本文還從整體角度，采用復雜網(wǎng)絡模型，研究了陰性和陽性精神分裂癥患者腦功能網(wǎng)絡拓撲差異。發(fā)現(xiàn)三組被試在靜息狀態(tài)下腦功能網(wǎng)絡都具有小世界特性。與正常組相比，陰性組和陽性組靜息狀態(tài)腦功能網(wǎng)絡的小世界特性均有所下降，其中陰性組比陽性組下降更多。這些研究結(jié)果證實精神分裂癥患者腦功能網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，并且陰性與陽性精神分裂癥存在不同腦功能網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，表明陰性和陽性精神分裂癥可能具有不同神經(jīng)生物學基礎(chǔ)。
　　 結(jié)合功能磁

7、共振成像和彌散張量成像(Diffusion tensor imaging，DTI)研究功能連接與結(jié)構(gòu)連接的關(guān)系，并結(jié)合一組早發(fā)性精神分裂癥的實驗數(shù)據(jù)，提出由DTI分析結(jié)果來定位功能連接感興趣區(qū)域的新思路。本文先利用DTI數(shù)據(jù)計算出每個被試的各向異性(fractional anisotropy，F(xiàn)A)圖像，引用擬優(yōu)化體素形態(tài)學方法構(gòu)造出白質(zhì)模板，由此對FA圖像進行歸一化。然后提取FA異常腦區(qū)對應的灰質(zhì)區(qū)域，構(gòu)造功能連接映射圖，以考察早發(fā)性