基于MRI及薄層斷面解剖數(shù)據(jù)的人類小腦結(jié)構(gòu)分析.pdf

1、位于顱后窩的小腦，長(zhǎng)期以來人們認(rèn)為其僅參與運(yùn)動(dòng)功能，是維持身體平衡、調(diào)節(jié)肌張力和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的控制中樞。但近二十年來，大量的研究結(jié)果顯示，小腦的功能不僅僅局限于運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)，還廣泛的參與認(rèn)知功能加工，包括感知覺、學(xué)習(xí)、注意、語言、情緒控制、工作記憶等。
　　 首先，隨著功能影像學(xué)技術(shù)如正電子體層掃描(PET)、功能磁共振(fMRI)等對(duì)小腦非運(yùn)動(dòng)功能研究的開展以及準(zhǔn)確定位小腦損傷部位，深部核團(tuán)毀損術(shù)、電刺激小腦頂核治療腦部和心血管疾病

2、的功能相關(guān)性研究的需要，小腦核團(tuán)形態(tài)、位置的準(zhǔn)確區(qū)分和定位十分重要?，F(xiàn)有的諸多小腦解剖圖譜，由于其命名方法各異，各種表述所指代的結(jié)構(gòu)比較混亂，而且其描述多局限于大體解剖，缺乏對(duì)小腦深部核團(tuán)的描述。另外，早期以MRI圖像為基礎(chǔ)建立的小腦圖譜由于受到層厚、圖像分辨率低等原因的限制，很多小腦小葉、裂與核團(tuán)都未做區(qū)分。目前，對(duì)于MRI圖像上觀察到的小腦結(jié)構(gòu)，其準(zhǔn)確的邊界仍難確定，小腦深部核團(tuán)定位的解剖“金標(biāo)準(zhǔn)”仍然缺乏。
　　 本研究的

3、第一部分，利用數(shù)控冷凍銑削和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，結(jié)合高分辨率MPI，成功構(gòu)建了小腦深部核團(tuán)的三維模型，為小腦深部核團(tuán)的功能影像學(xué)研究和臨床手術(shù)立體定位提供了有價(jià)值的解剖資料。
　　 其次，來自組織學(xué)、影像學(xué)以及行為學(xué)的研究證實(shí)小腦在結(jié)構(gòu)、發(fā)育、功能、行為學(xué)以及相關(guān)的發(fā)育性神經(jīng)精神疾病都存在性別差異。此外，小腦左右半球在功能及結(jié)構(gòu)上也都存在差異，并且受到性別因素的影響。早期組織學(xué)和影像學(xué)對(duì)人類小腦結(jié)構(gòu)性別差異及側(cè)化的研究，由于在數(shù)據(jù)

4、獲取、處理方法等都方面存在一定程度的缺陷，報(bào)道的結(jié)果差異較大。
　　 本研究的第二部分，首次在小腦標(biāo)準(zhǔn)空間內(nèi)，利用自動(dòng)的基于圖譜的體積測(cè)定法及基于體素的形態(tài)測(cè)量(VBM)分析了112例大樣本MRI數(shù)據(jù)，提供了中國(guó)青年人(18-33歲)小腦灰質(zhì)體積的正常參考值，及其兩性異形和側(cè)化性結(jié)果，為理解性別因素對(duì)小腦功能的影響，小腦功能的側(cè)化以及相關(guān)疾病的研究提供了詳實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
　　 另外，近十年來，運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)知識(shí)體系對(duì)大腦結(jié)

5、構(gòu)或功能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模及動(dòng)力學(xué)分析，已成為腦科學(xué)研究的熱門課題。在腦區(qū)的尺度上，大量研究利用神經(jīng)解剖學(xué)數(shù)據(jù)，如結(jié)構(gòu)MRI數(shù)據(jù)，以及利用彌散張量成像、腦電圖、腦磁圖、功能磁共振成像等技術(shù)來采集數(shù)據(jù)構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)，并運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論及圖論知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。研究發(fā)現(xiàn)大腦網(wǎng)絡(luò)同現(xiàn)實(shí)中其他復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)類似，具有高度的局部聚類性和較小的全局特征路徑長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)度的分布服從冪率分布等特征。最近，研究人員通過皮層厚度、體積、表面積等測(cè)度的相關(guān)性來得到大腦結(jié)構(gòu)連接模

6、式，利用圖論分析揭示了其小世界特性以及腦區(qū)局部簇的存在，并且在更細(xì)節(jié)的分析中發(fā)現(xiàn)皮層的功能系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的模塊存在顯著的重疊。與我們對(duì)大腦結(jié)構(gòu)與功能聯(lián)系的認(rèn)識(shí)程度相比，小腦內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)與功能區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究仍然在初步階段。但是，眾多對(duì)小腦功能的研究發(fā)現(xiàn)，小腦內(nèi)不同功能區(qū)的分布與大腦皮質(zhì)一樣豐富和復(fù)雜，不同的小腦區(qū)域單獨(dú)或共同完成不同的功能，故我們推測(cè)在小腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間，通過其復(fù)雜的內(nèi)外連接，可能存在一個(gè)類似大腦網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)或功能連接模式，

7、并以此來實(shí)現(xiàn)小腦的運(yùn)動(dòng)功能協(xié)調(diào)功能以及完成其高級(jí)認(rèn)知功能。對(duì)于具有復(fù)雜功能和內(nèi)外連接的小腦來說，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接模式及其網(wǎng)絡(luò)屬性的研究還未見報(bào)道。
　　 本研究第三部分，利用大樣本量的MRI數(shù)據(jù)，通過測(cè)量小腦灰質(zhì)體積值，分析小腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接模式，構(gòu)建小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，證實(shí)并分析了其小世界網(wǎng)絡(luò)屬性。小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型的建立，為更加深入理解小腦結(jié)構(gòu)與功能的相互關(guān)系提供研究基礎(chǔ)。除此之外，我們還利用圖論分析結(jié)合非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，分析了性別因素對(duì)

8、小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的影響，為深入理解小腦結(jié)構(gòu)及功能的兩性異形提供了新的研究視角。
　　 本研究三個(gè)部分，摘要如下：
　　 基于薄層斷面解剖及MRI數(shù)據(jù)的小腦深部核團(tuán)對(duì)照及可視化研究
　　 研究目的：
　　 研究薄層斷面、標(biāo)本及活體MRI圖像上小腦深部核團(tuán)的位置分布和形態(tài)，并構(gòu)建國(guó)人小腦深部核團(tuán)三維可視化模型，為小腦功能影像學(xué)研究、電刺激核團(tuán)療法的功能相關(guān)性研究以及核團(tuán)立體定向手術(shù)提供解剖學(xué)依據(jù)。
　　

9、研究對(duì)象和方法：
　　 選擇三具尸體標(biāo)本，先行以CT與1.5T MRI經(jīng)前后連合間線掃描，排除器質(zhì)性病變，選取2例國(guó)人成年尸體頭部標(biāo)本，其中1例經(jīng)明膠包埋和深低溫冷凍后，采用銑削精度為0.001mm的SKC500型數(shù)控銑床同樣經(jīng)連合間線制成層厚為0.1mm的連續(xù)薄層橫斷切片，然后對(duì)獲取的圖像進(jìn)行解剖學(xué)觀察并擇取與齒狀核相關(guān)的典型斷面與活體MRI圖像，以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的標(biāo)本3.0T MRI圖像對(duì)照。另外選取連續(xù)薄層斷面數(shù)據(jù)及高分辨

10、率的標(biāo)本3DMRI數(shù)據(jù)中小腦核團(tuán)相關(guān)的圖像資料，利用Amira5.0三維可視化軟件，在二維斷面上對(duì)小腦深部核團(tuán)進(jìn)行精確分割后，進(jìn)行表面以及體積重建。
　　 結(jié)果：
　　 1.共獲得與小腦相關(guān)的薄層斷面圖像620幅，其中齒狀核、頂核、球狀核以及栓狀核出現(xiàn)的層面數(shù)分別約為145、12、25、20幅。
　　 2.在連續(xù)橫斷面上觀察到小腦核團(tuán)出現(xiàn)的位置以及形態(tài)，齒狀核最大且最先出現(xiàn)，位于最外側(cè)，形似一個(gè)向內(nèi)側(cè)開口的折疊口

11、袋狀結(jié)構(gòu)；頂核是最靠?jī)?nèi)側(cè)的核團(tuán)，緊鄰第四腦室頂?shù)耐鈧?cè)和上蚓前部的內(nèi)側(cè)面，在中線兩側(cè)對(duì)稱分布；栓狀核位齒狀核內(nèi)側(cè)，不易與其區(qū)分，核團(tuán)部分遮蓋齒狀核門；球狀核由多個(gè)散在分布灰質(zhì)團(tuán)塊組成，呈前后向伸長(zhǎng)，出現(xiàn)在栓狀核與頂核之間區(qū)域。
　　 3.成功構(gòu)建小腦核團(tuán)的三維可視化模型，重建的結(jié)果能夠清晰顯示具有偽彩的小腦深部核團(tuán)結(jié)構(gòu)與周圍未分割的真彩色的結(jié)構(gòu)間的解剖毗鄰關(guān)系。
　　 結(jié)論：
　　 本研究首次利用數(shù)控冷凍銑削和計(jì)算

12、機(jī)三維可視化技術(shù)，結(jié)合高分辨率MRI，成功構(gòu)建了中國(guó)人小腦深部核團(tuán)的三維模型。連續(xù)薄層橫斷面，MRI數(shù)據(jù)及三維可視化模型能夠較好的顯示小腦深部核團(tuán)的位置、形態(tài)以及與周圍小腦結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系，為小腦深部核團(tuán)的功能影像學(xué)研究和核團(tuán)的立體定位提供了解剖學(xué)基礎(chǔ)。
　　 論文Ⅱ
　　 基于MRI數(shù)據(jù)分析人類小腦結(jié)構(gòu)的性別差異及側(cè)化
　　 研究自的：
　　 本研究利用大樣本正常年輕中國(guó)人腦部高場(chǎng)強(qiáng)MRI數(shù)據(jù)，在小腦標(biāo)準(zhǔn)

13、空間內(nèi)，利用的全自動(dòng)圖像處理方法獲取正常人小腦灰質(zhì)體積的正常參考值，并分析小腦灰質(zhì)整體和局部結(jié)構(gòu)的性別差異、側(cè)化、以及兩者的交互作用。研究對(duì)象和方法：
　　 3.0TMRI獲取112例年齡在18～33歲，年輕男女性的高分辨T1WI小腦數(shù)據(jù)，首先利用基于圖譜的自動(dòng)體積測(cè)定法獲取了正常國(guó)人小腦灰質(zhì)體積的正常參考值，然后在非偏倚小腦空間內(nèi)，結(jié)合優(yōu)化的基于體素形態(tài)測(cè)定法VBM(optimizedvoxel-based morphomet

14、ry)分析小腦結(jié)構(gòu)的性別差異。結(jié)果顯示兩種測(cè)量方法在分析性別差異上大體一致。最后，利用自定義的小腦灰質(zhì)對(duì)稱模板，分析了小腦半球的側(cè)化及其與性別差異的交互作用。
　　 結(jié)果：
　　 1.整體上，男性小腦的絕對(duì)灰質(zhì)體積值顯著大于女性，但考慮男女性整腦差異后，兩性小腦相對(duì)體積的差別不顯著。
　　 2.局部結(jié)果顯示男性小腦前葉及后葉中部體積明顯大于女性，包括：左側(cè)Ⅴ小葉、左側(cè)袢狀小葉CrusⅡ、左側(cè)及右側(cè)后葉Ⅷb小葉、小

15、腦蚓CrusⅡ小葉。女性小腦后葉外側(cè)的右側(cè)CrusⅡ和左側(cè)Ⅸ小葉大于男性。
　　 3.小腦側(cè)化性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小腦半球右側(cè)明顯大于左側(cè)，但是小腦后葉外側(cè)CrusⅡ小葉女性大于男性。
　　 4.此外，性別因素對(duì)小腦結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的影響，結(jié)果分析顯示：男性相對(duì)于女性，在多個(gè)小葉表現(xiàn)出散在的左側(cè)半球相對(duì)較大，在CrusⅡ小葉顯示右側(cè)較大。
　　 結(jié)論：
　　 本研究首次在小腦標(biāo)準(zhǔn)空間內(nèi)，利用自動(dòng)的基于圖譜的體積測(cè)定

16、法及基于體素的形態(tài)測(cè)量(VBM)分析了112例大樣本MRI數(shù)據(jù)，提供了中國(guó)青年人(18-33歲)小腦灰質(zhì)體積的正常參考值，及其兩性異形和側(cè)化性結(jié)果，為小腦功能及相關(guān)疾病的研究提供了詳實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
　　 論文Ⅲ
　　 基于圖論分析小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及其性別差異研究
　　 研究目的：
　　 利用大樣本量的MRI結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過測(cè)量小腦灰質(zhì)體積值，分析小腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接模式，以此構(gòu)建小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并分析其是否具有小世界網(wǎng)

17、絡(luò)屬性。另外利用圖論及非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，研究了性別因素對(duì)男女性小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的影響。
　　 研究對(duì)象和方法：
　　 本研究利用3.0Tesla MRI獲取112例年齡在18～33歲，年輕男女性的高分辨T1WI數(shù)據(jù)。采用基于圖譜的自動(dòng)體積測(cè)定法得到，包括小腦半球及蚓部在內(nèi)的28個(gè)局部灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的體積值。通過計(jì)算人群內(nèi)，兩兩結(jié)構(gòu)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值，利用控制多重檢測(cè)錯(cuò)誤的發(fā)現(xiàn)比率(false discovery r

18、ate，F(xiàn)DR)方法對(duì)相關(guān)系數(shù)矩陣取閾值，構(gòu)建小腦結(jié)構(gòu)二值化網(wǎng)絡(luò)。然后利用圖論分析方法，計(jì)算其網(wǎng)絡(luò)測(cè)度，并驗(yàn)證構(gòu)建的小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是否具有小世界網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)。最后，進(jìn)一步對(duì)其網(wǎng)絡(luò)屬性進(jìn)行分析，包括連接度及其分布類型，中樞節(jié)點(diǎn)區(qū)域。此外，通過基于形態(tài)學(xué)量度建立網(wǎng)絡(luò)的方法，分別構(gòu)建了男女性小腦的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。利用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的方法，評(píng)估了性別因素對(duì)小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)屬性的影響。
　　 結(jié)果：
　　 1.研究發(fā)現(xiàn)，在大尺度范圍上構(gòu)建的小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)

19、絡(luò)具有小世界網(wǎng)絡(luò)特征性的較高集聚系數(shù)和較短的特征路徑長(zhǎng)度，小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性測(cè)度值為：Cpreal=0.47，Lpreal=1.85。
　　 2.分析其他網(wǎng)絡(luò)屬性發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)連接度的分布符合指數(shù)截?cái)鄡缏煞植?；利用?jì)算網(wǎng)絡(luò)的平均度及標(biāo)準(zhǔn)化介數(shù)定義了9個(gè)小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的中樞區(qū)域，這些結(jié)構(gòu)分布在小腦不同的功能區(qū)內(nèi)。
　　 3.男性與女性小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出類似的全局效能，另外較之男性，女性表現(xiàn)出較高的局部效能(高集聚系數(shù))，表

20、明男女性小腦結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出類似的功能，但是功能區(qū)的分布男女性存在差異。
　　 4.在稀疏度為21％是對(duì)兩組小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)介數(shù)進(jìn)行差異分析，顯著性差異的節(jié)點(diǎn)區(qū)域?yàn)椋号?男性，左側(cè)Ⅴ和右側(cè)Ⅵ；男性大于女性，蚓部CrusⅡ_、右側(cè)CrusⅡ、蚓部Ⅹ小、葉；男女性小腦網(wǎng)絡(luò)的中樞節(jié)點(diǎn)區(qū)域分布在不同的小腦結(jié)構(gòu)上。
　　 結(jié)論：
　　 本研究首次利用大樣本MRI數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建了小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，證實(shí)其具有小世界網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)，詳細(xì)分析