基于磁共振成像的腦連接方法學(xué)及應(yīng)用研究.pdf

1、人類大腦由約1011個(gè)神經(jīng)元組成，包含1015個(gè)的神經(jīng)突觸連接，是目前所知宇宙間最為復(fù)雜的體系之一。雖然如此，卻可以從兩個(gè)基本法則去理解大腦的運(yùn)行規(guī)律：功能分離（functional segregation）及功能整合（functional integration）。前者指大腦每一個(gè)神經(jīng)集合（腦區(qū)）對(duì)應(yīng)負(fù)責(zé)一個(gè)具體的行為功能，是功能定位的假說基礎(chǔ)；而后者則指每一個(gè)具體的行為是由多個(gè)神經(jīng)集合共同協(xié)調(diào)完成，則可以理解成是腦連接、腦網(wǎng)絡(luò)的理論

2、基礎(chǔ)。這兩個(gè)法則表面上看似相悖，卻相輔相成。對(duì)大腦的功能整合研究，通常基于功能連接（functional connectivity）、效應(yīng)連接（effective connectivity）及結(jié)構(gòu)連接（structural connectivity）的概念。
　　本文主要以靜息態(tài)功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging,fMRI）為載體，以腦連接方法學(xué)發(fā)展為主線，并在不同程度上對(duì)這

3、些方法加以發(fā)展和創(chuàng)新以及臨床應(yīng)用，以更準(zhǔn)確地對(duì)人類腦連接進(jìn)行表達(dá)和分析。其主要內(nèi)容包括以下三個(gè)部分：
　　第一部分，效應(yīng)連接網(wǎng)絡(luò)研究，也即方法學(xué)發(fā)展部分。提出了非線性Granger預(yù)測(cè)分析（Granger causality analysis, GCA）腦網(wǎng)絡(luò)方法，更有效地揭示了腦功能活動(dòng)的效應(yīng)連接。
　　首先，發(fā)展核函數(shù)Granger預(yù)測(cè)模型于運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)，以適應(yīng)信號(hào)的線性和非線性特點(diǎn)，從而擴(kuò)展線性GCA模型，他忽略了腦區(qū)

4、生理特點(diǎn)是非線性特點(diǎn)，將很好的解決人腦內(nèi)非線性效應(yīng)連接探測(cè)問題，用以揭示腦功能區(qū)域間腦功能活動(dòng)信息的線性和非線性效應(yīng)連接。
　　其次，提出中尺度腦功能網(wǎng)絡(luò)間的空間獨(dú)立成分分析（independent component analysis,ICA）—GCA（ICA—GCA）模型，實(shí)現(xiàn)了靜息態(tài)腦功能模塊空間模式和對(duì)應(yīng)時(shí)間特征信號(hào)分離，揭示了腦功能模塊之間加工過程的信息轉(zhuǎn)換和整合關(guān)系。
　　最后，首次提出了全腦大尺度效應(yīng)連接預(yù)測(cè)分

5、析模型，實(shí)現(xiàn)全腦90個(gè)解剖感興趣區(qū)域之間腦功能活動(dòng)的有效連接，拓展了傳統(tǒng)的相關(guān)方法得到的腦功能活動(dòng)的功能連接。本文對(duì)靜息狀態(tài)下腦功能區(qū)域間信息整合的效應(yīng)連接進(jìn)行研究，探索是否一些扮演了信息轉(zhuǎn)換角色的重要腦區(qū)；整個(gè)大腦效應(yīng)連接網(wǎng)絡(luò)是否具有相對(duì)獨(dú)立而又相互聯(lián)系的模塊；人腦的效應(yīng)連接網(wǎng)絡(luò)是否具有“小世界”特性，本文方法及結(jié)果為理解人腦效應(yīng)連接網(wǎng)絡(luò)及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)提供了全新的思路。
　　第二部分，多模態(tài)癲癇腦網(wǎng)絡(luò)研究，也即神經(jīng)疾病應(yīng)用部分

6、。提出了癲癇腦網(wǎng)絡(luò)多模態(tài)分析方法，全面地揭示癲癇腦網(wǎng)絡(luò)機(jī)制；發(fā)現(xiàn)癲癇腦功能連接及結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)異常，且發(fā)現(xiàn)功能—結(jié)構(gòu)耦合性反映該疾患進(jìn)展程度。
　　首先，對(duì)于內(nèi)側(cè)顳葉癲癇（mesial temporal lobe epilepsy,mTLE）患者，采用全腦大尺度靜息態(tài)功能連接網(wǎng)絡(luò)分析方法，探測(cè)其腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)異常；該方法所示的腦局部連接及全腦大尺度網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)可能成為甄別內(nèi)側(cè)顳葉癲癇的生物標(biāo)記。
　　其次，針對(duì)內(nèi)側(cè)

7、顳葉癲癇患者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)功能連接異常，我們組合功能磁共振成像和彌散張量成像數(shù)據(jù)，融合功能連接—結(jié)構(gòu)連接方法發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)顳葉癲癇患者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)功能連接和結(jié)構(gòu)連接異常。本文中，以內(nèi)側(cè)顳葉癲癇病人磁共振數(shù)據(jù)為載體，從另一個(gè)方面證實(shí)了將功能連接和結(jié)構(gòu)連接分析方法結(jié)合起來并作為一種新的研究手段的重要意義。同時(shí)這種方法也會(huì)越來越廣泛地被應(yīng)用到其它磁共振研究領(lǐng)域。
　　最后，針對(duì)特發(fā)性全面性癲癇（idiopathic generalized epilep

8、sy, IGE）的全局病理特性，我們?cè)谌X大尺度網(wǎng)絡(luò)層面上，利用功能連接網(wǎng)絡(luò)—結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)圖論分析方法，探測(cè)全面性癲癇的全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩?。更為重要的是，我們利用功能—結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)耦合性這一指標(biāo)發(fā)現(xiàn)患者的功能—結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)耦合性顯著降低，并且和病程負(fù)相關(guān)，這樣結(jié)果顯示功能—結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)耦合反映了該疾患的進(jìn)展程度。這種指標(biāo)也許能用來作為特發(fā)性全面性癲癇的生物學(xué)標(biāo)記，有助于影像學(xué)診斷及其機(jī)制理解。
　　第三部分，多模態(tài)社交焦

9、慮障礙（social anxiety disorder,SAD）腦網(wǎng)絡(luò)研究，也即精神疾病應(yīng)用部分。提出了社交焦慮障礙多模態(tài)分析方法，發(fā)現(xiàn)社交焦慮障礙腦功能—結(jié)構(gòu)異常變化特征，及杏仁核效應(yīng)連接環(huán)路異常。
　　首先采用空間獨(dú)立成分分析和利用發(fā)展的腦網(wǎng)絡(luò)分析方法探究社交焦慮障礙患者的聽覺網(wǎng)絡(luò)、視覺網(wǎng)絡(luò)、感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)、中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)、自我參照網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)，然后將這些網(wǎng)絡(luò)模式和正常對(duì)照進(jìn)行比較，以確定社交焦慮障礙引起

10、的網(wǎng)絡(luò)連接異常。本文也從功能體系的角度提供了一種研究社交焦慮障礙的神經(jīng)、病理生理機(jī)制的新途徑。
　　其次，采用GCA方法探測(cè)社交焦慮障礙患者杏仁核環(huán)路的靜息態(tài)效應(yīng)連接異常，尋找特異的異常效應(yīng)連接，使其能夠區(qū)分和理解社交焦慮障礙患者的病理機(jī)制。
　　最后，首次融合基于體素的形態(tài)學(xué)測(cè)量，靜息態(tài)功能連接及白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)連接這三種模態(tài)，發(fā)現(xiàn)社交焦慮障礙引起腦形態(tài)、功能連接及結(jié)構(gòu)連接體系異常。該研究提供了一種利用形態(tài)學(xué)體積、靜息態(tài)功能