基于功能磁共振成像的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦功能網(wǎng)絡(luò)研究.pdf

1、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦功能主要包括完成某項(xiàng)任務(wù)的明顯的肢體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行（ME）和沒(méi)有明顯肢體運(yùn)動(dòng)的精神上對(duì)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行進(jìn)行排演的運(yùn)動(dòng)想象（MI），是腦機(jī)接口（BCI）的理論基礎(chǔ)和腦功能研究的重要領(lǐng)域，已經(jīng)證實(shí)了在訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員、音樂(lè)家，以及恢復(fù)運(yùn)動(dòng)殘疾病人的運(yùn)動(dòng)功能障礙等方面起著重要的作用。當(dāng)前對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦功能的研究主要集中在功能磁共振成像（fMRI）實(shí)驗(yàn)、腦功能定位及腦功能區(qū)域之間的關(guān)系，而對(duì)腦功能動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究還很缺乏，特別是缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)的定量

2、分析與評(píng)價(jià)。本文圍繞運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦功能的神經(jīng)機(jī)制，利用相關(guān)的分析方法及數(shù)學(xué)模型對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦功能網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)之間的連接關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究。制定了運(yùn)動(dòng)相關(guān)的fMRI實(shí)驗(yàn)方案，分析了左右利手運(yùn)動(dòng)腦區(qū)和下皮層結(jié)構(gòu)的功能不對(duì)稱性，以及運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象腦功能網(wǎng)絡(luò)及其差異。主要工作如下：
　　 ⑴提出了利用Gauss卷積模型分析初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（Primary motor cortex，M1）的fMRI信號(hào)在時(shí)間域不對(duì)稱性的方法，對(duì)左右利手手指序

3、列運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)的定量研究。發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行動(dòng)手任務(wù)時(shí)，利手運(yùn)動(dòng)與非利手運(yùn)動(dòng)相比較，對(duì)應(yīng)了更長(zhǎng)的神經(jīng)元簇的平均響應(yīng)延遲和更大的響應(yīng)延遲的標(biāo)準(zhǔn)差，并證實(shí)了這一結(jié)果與利手性和雙手動(dòng)或單手動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式無(wú)關(guān)。進(jìn)一步，通過(guò)比較雙手運(yùn)動(dòng)和單手運(yùn)動(dòng)兩種不同的運(yùn)動(dòng)條件下Gauss函數(shù)的兩個(gè)參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)參數(shù)在雙手運(yùn)動(dòng)中都顯著變小，顯示了非利手運(yùn)動(dòng)對(duì)利手運(yùn)動(dòng)的影響作用。研究結(jié)果將左右利手動(dòng)手功能在空間域的不對(duì)稱性擴(kuò)展到了時(shí)間域，顯示了Gauss模型的

4、參數(shù)可以定量地刻畫這種時(shí)間域上的差異。
　　 ⑵利用fMRI信號(hào)研究了左右利手性對(duì)腦功能活動(dòng)的影響，分析了雙手運(yùn)動(dòng)和單手運(yùn)動(dòng)在M1和小腦（Cerebellum，CRB）激活區(qū)的定位上的不對(duì)稱性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了左右M1的激活最大值點(diǎn)的坐標(biāo)沒(méi)有統(tǒng)計(jì)顯著性差異，并且激活位置關(guān)于利手性不敏感，說(shuō)明在M1的利手偏利性不是由位置體現(xiàn)而是通過(guò)激活強(qiáng)度和激活區(qū)域的大小來(lái)體現(xiàn)的。在小腦皮層，發(fā)現(xiàn)了左右利手被試在雙手運(yùn)動(dòng)和單手運(yùn)動(dòng)中小腦激活位置的統(tǒng)計(jì)顯

5、著差異性，發(fā)現(xiàn)了小腦的利手不對(duì)稱性具有同側(cè)偏利性，而且把結(jié)論推廣到了左利手。
　　 ⑶提出了利用時(shí)不變Granger因果（Granger causality，GC）分析探測(cè)左側(cè)M1和其他腦區(qū)的有效連接的方法，選取左側(cè)M1作為種子，對(duì)右利手執(zhí)行的經(jīng)典雙手運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的fMRI信號(hào)進(jìn)行分析，研究大腦和下皮層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)。研究結(jié)果表明在Granger因果動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，右利手被試的左側(cè)M1也在手指運(yùn)動(dòng)中起主導(dǎo)性作用，并證實(shí)了雙手運(yùn)動(dòng)

6、中雙側(cè)M1的信息交換；結(jié)果同時(shí)發(fā)現(xiàn)了左側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（Supplementary motor area，SMA）在動(dòng)手運(yùn)動(dòng)中對(duì)左側(cè)M1的顯著性因果連接，證實(shí)了在右利手被試中，SMA關(guān)于左側(cè)M1是一個(gè)"因"且對(duì)其有主導(dǎo)作用。另外，組分析結(jié)果證實(shí)了蚓體（Vermis）和小腦在雙手運(yùn)動(dòng)中對(duì)左側(cè)M1活動(dòng)的影響并把結(jié)果推廣到了大數(shù)目的被試群體。
　　 ⑷提出了利用去除偽因果關(guān)系的條件Granger因果（CGC）方法，基于fMRI數(shù)據(jù)來(lái)研究利

7、手和非利手運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象過(guò)程的腦有效連接功能網(wǎng)絡(luò)及其差異。通過(guò)選擇對(duì)側(cè)M1，雙側(cè)SMA和雙側(cè)背側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)（PMd）作為感興趣區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了右手任務(wù)比左手任務(wù)出現(xiàn)了更多的有效連接的閉合回路；運(yùn)動(dòng)執(zhí)行比運(yùn)動(dòng)想象出現(xiàn)了更多的有效連接。結(jié)果進(jìn)一步表明，無(wú)論是左右手任務(wù)，還是運(yùn)動(dòng)執(zhí)行或運(yùn)動(dòng)想象的實(shí)驗(yàn)條件，SMA和M1之間的前饋和反饋的有效連接回路是發(fā)生在對(duì)側(cè)的腦半球，PMd和SMA之間的信息交換也主要發(fā)生在同一個(gè)腦半球中。特別發(fā)現(xiàn)了左側(cè)PMd對(duì)

8、右側(cè)M1和右側(cè)PMd都有直接的影響，而不是經(jīng)由右側(cè)PMd對(duì)右側(cè)M1產(chǎn)生影響。
　　 本研究揭示了運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象網(wǎng)絡(luò)的異同點(diǎn)，表明了在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象過(guò)程中，大腦運(yùn)動(dòng)腦區(qū)之間的相互連接是與利手相關(guān)的。5.利用神經(jīng)元水平的動(dòng)力學(xué)因果模型（DCM），對(duì)右利手被試?yán)趾头抢诌\(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象的fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來(lái)研究?jī)煞N實(shí)驗(yàn)條件下相關(guān)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦區(qū)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)和實(shí)驗(yàn)刺激模式對(duì)激活腦區(qū)及之間有效連接的影響，并比較運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象