基于功能连接的逻辑计算认知任务脑默认功能网络的研究

1、基于功能连接的逻辑计算认知任务脑默认功能网络的研究                        作者：于海燕,钱志余,张志强,卢光明【摘要】  目前功能连通(functional connectivity)已经为功能磁共振(functional MRI)研究脑认知活动的一个重要方法。我们采用时间相关方法，选取后扣带回(posterior cingulate

2、d cortex, PCC)为感兴趣区(regions of interest, ROI)，提取ROI所有体素的平均时间信号，并与其他脑区血氧依赖的磁共振(BOLD)信号进行相关，同时去除全局效应和头动误差，对14例志愿者的和静息数据进行组内分析和组间分析，研究逻辑计算任务下默认(default mode network)改变情况。结果表明默认网络受到抑制，各脑区信号改变不一致，可能是由于逻辑计算状态下各脑区BOLD信号变化不同，与PCC时间相关性发生改变所致。 【关键词】  功能连通；时间相关；感兴趣区；逻辑计算；默认网络    Abstract：No

3、wadays functional connectivity has been an important method in the field of brain cognitive research by fMRI. In this paper, temporal correlation analysis is applied. The technique is to extract the blood-oxygenation level dependent(BOLD) time course from a region of interest  and determine the

4、 temporal correlation between this extracted signal and the time course from all other brain voxels regressing out global signal and head movement error.We carried intra-group analysis and inter-group analysis on 14 subjects data, performed during mental calculation and rest state, to research chang

5、es of defau mode network under calculation. The results suggest the default mode network is attenuated and changes in brain regions of the network arent coherent during performance of mental calculation, which may be caused by different change of BOLD signal in the brain regions and time correlation

6、 between PCC and other regions of default mode network.    Key words：Functional connectivity；Temporal correlation；Regions of inferest；Mental calculation；Default mode network    1  引  言    人脑在清醒静息状态下某些区域呈现较强的活动状态1-2，这些区域形成一个连通的功能网络；而在有认知任务的状态下，又会

7、表现出负激活状态。上述区域包括扣带回后部(PCC)以及邻近的楔前叶，前扣带回腹侧(vACC)、内侧前额叶(MPFC)、角回等，称为默认网络（default mode network)。静息态功能磁共振成像(rest fMRI)通过采集静息状态下血氧依赖的磁共振信号(BOLD)的变化，发现这些区域有同步低频震荡(low frequency fluctuation，LFF)，波动范围在0.010.08 Hz。    Friston3等定义功能连通性为“空间上的远距神经生理事件之间的时间相关性”。它表现为皮层中不同神经模块之间完成认知任务时的协调反应机制。自1995年B

8、iswal等利用fMRI发现不同脑区的BOLD信号中存在着LFF的相关性以来，利用LFF探索人脑的功能连接已成为脑功能成像领域的一个热点。时间相关分析方法就是功能连通的一种常用方法。本研究分别对静息状态和持续逻辑计算状态，采用时间相关分析方法，以PCC为感兴趣区(regions of interest, ROI)，计算默认网络各脑区与PCC相关性，得到逻辑计算任务状态下默认网络改变情况，并对计算引起的默认网络各脑区相关性变化做初步的探索。    2  材料和方法    2.1  脑功能实验设计  

9、;  实验设计为持续刺激模式，依次进行静息状态和任务状态，每个状态持续4 min，共8 min。任务设计为4位数与2位数的有借位的减法，采用心实验软件E-prime编程实现。任务状态设计每个计算式呈现7.5 s，画面分为两行，第一行是计算式，第二行是给出的两个答案，要求被试者在7.5 s内计算出答案，并按键选择。如果第二行左边答案正确，按左键，反之按右键。静息状态时，画面呈现内容与任务状态相同，要求被试者不进行计算，双眼注视屏幕。  2.2  数据采集   本实验志愿者为14名学生，其中男性10人，年龄为2226岁，平均年龄24岁，身体健康，无

10、神经系统疾病史和精神病药物服用史，均为右利手。采用GE公司Signa 1.5T 超导磁共振成像仪，受试者实验时仰卧，头部加用软海绵固定于线圈内以减少头部运动。与计算机连接的投影仪将设计的任务内容投影到屏幕上，受试者通过安装在扫描线圈上的反光镜可以观看。实时功能成像序列(real-time imaging process，RTIP)采集T2*功能像，采集参数：TR=2 000 ms，TE=40 ms，反转角度为90°，体素大小为3.75×3.75×5.00 mm3，共23层，隔行扫描。    2.3  数据预处理 &

11、#160;  fMRI数据采用SPM2软件在Matlab 7.0的平台上进行预处理。对每个被试的功能数据首先进行时间校正，然后进行头动校正，排除头部平动大于1 mm，转动大于1.5°的被试对象；而后将校正后的图像进行标准化，采用SPM自带归一化到标准的MNI系统，并将每个体素重采样至3×3×3 mm3；最后使用高斯核函数进行平滑，降低空间噪声，全宽半高值为8 mm。    2.4  数据的功能连接分析    数据处理流程见图1。    对预处理过的数据做截

12、止频率为0.010.08 Hz的带通滤波，去除信号的高频干扰和低频漂移，主要是呼吸和心跳等与神经细胞活动无关的生理学参数；对于每个被试预处理过的fMRI数据，计算ROI和其他脑区BOLD信号的时间相关性。即定义PCC以坐标点（0,-52,30）为中心，半径10 mm的球体为ROI，分别提取静息和计算状态ROI内所有体素的平均时间信号r(t)，并以r(t)作为回归量输入到SPM2中，利用SPM中的GLM模型做相关分析。具体步骤为：    (a)计算ROI内所有体素的平均时间信号；    (b)全脑各脑区所有体素时间信号求平均，得到全局时

13、间信号；    (c)去全局效应和头动误差即每个体素的时间信号减去全局时间信号和头动误差的影响；    (d)根据式(1)逐体素计算与ROI的相关性。    cci=mt=1r(t)-R)Si(t)-Simt=1r(t)-R)2mt=1Si(t)-Si2(1)    其中，cci表示相关系数；m表示时间点；r(t)表示ROI中所有体素的平均时间信号；Si(t)表示第i个体素的时间信号；R表示r(t)平均值；Si表示Si(t)的平均值。    (e

14、)根据式(1)构建相关系数cci的检验统计量t；    t=cci×n-21-cci2t(n-2)(2)    式中n为自由度，即实验中数据的采样点数。    (f)确定显著性水平P，如果ttp/2，可以认为该体素与PCC有同步的低频振荡。将检测到的所有相关体素映射到其相应的空间位置，可以得到相关映射图，即PCC的功能连通网络。    对14名被试的静息数据和计算数据分别做组内分析，得到两种状态下默认网络各脑区与PCC同步相关的情况；做配对t检验的组间分析，得到相对

15、于静息状态各脑区与PCC的连接增强或减弱的结果,分别取阈值P小于0.01，并去除聚类少于10个体素的区域，得到每组被试默认功能网络脑图的统计结果。    3  实验结果    图2中A组和B组分别是计算状态、逻辑计算状态下默认网络的组内分析结果，C组是组间分析结果，表明逻辑计算相对于静息状态下默认网络各脑区与PCC连接增强或减弱的情况。    图2  计算状态与静息状态脑默认功能网络的组内、组间分析结果    A组  静息状态脑默认网络；B组&#

16、160; 逻辑计算状态脑默认网络；C组  逻辑计算与静息相比功能连接增强或减弱结果,其中a-g表示振幅减弱部分 从图2中，我们发现逻辑计算与静息状态具有类似默认功能网络模式；由图2（C）和表1可以发现，计算状态下，默认网络中双侧PCC及其相邻的楔前叶明显减弱；双侧MPFC与PCC的连接增强，双侧ACC与PCC的连接有少量不明显的增强；而双侧角回却未发生明显的变化。表1  逻辑计算状态和静息状态对照组间分析结果    4  结果    我们研究了逻辑计算任务下的脑默认网络。采用时间相关的功能连通分析方法，分

17、析了逻辑计算状态和静息状态下的脑默认网络，同时将两组被试的结果以配对t检验进行对照分析。数据表明，计算状态与静息状态对照，具有类似默认网络模式，但是PCC及相邻的楔前叶正相关的区域较小；其中双侧MPFC和ACC与PCC的连接较静息状态增强。研究结果表明，逻辑计算状态下，脑部的默认网络没有消失，而是由于计算认知任务的负载受到抑制，各脑区在与PCC的低频振荡信号相关性发生改变，可能是在计算任务中参与程度不同，信号改变不均衡所致。    大量PET及fMRI研究证实，静息状态如闭目清醒、无特定任务执行下的大脑，默认区域呈高代谢状态4；而在任务执行，尤其需要注意认知加工任

18、务时，这些区域的活动则明显减弱1，这种现象在fMRI上表现为伴随特定任务相关脑区的激活，默认脑区出现负激活。现在认为该网络反映“静息”状态下，大脑用来维持对内外环境警觉监测，以及持续的认知情感相互作用而表现出来的高反应状态。Fransson认为默认脑区任务导致的活动抑制与内在、自发的脑活动是由于认知任务的负载而被调制5-7。在图2(A)与(B)的比较中，逻辑计算状态下默认网络中脑区相比静息状态规模有所减少，在定量做组间分析后，我们发现大脑在执行任务时，默认网络区域中PCC及相邻的楔前叶区域明显减少，说明脑默认网络在计算任务状态下受到了抑制。    组间分析结果表明

19、，逻辑计算任务下，双侧MPFC和ACC与PCC的连接较静息状态增强，而双侧角回没有明显变化，颞叶区域变化不一致，有增强也有减弱的部分。这种默认网络模式不一致的变化在以前的研究中也有发现7，我们认为导致这种变化的原因是在具体的认知任务下，各个脑区参与程度不同，与PCC同步信号改变不一致。有研究表明MPFC和vACC参与了自我引导的智力活动8-9，即外部的认知任务会引起大脑内部网络即默认网络中相应脑区信号的改变10。本研究对于脑默认网络各脑区在逻辑计算任务任务下与PCC的低频振荡信号相关性不一致的结果，也为默认网络在特定的认知任务下发生重组提供有效的证明。    本研

20、究通过设计静息实验和持续计算实验，采用时间相关的功能连通方法，对逻辑认知负载导致大脑默认网络改变进行初步探索。我们发现在有外部逻辑计算任务引导时，大脑内部缺省网络没有消失，而是自发活动受到抑制和改变，各脑区与PCC的同步相关性改变不一致，这可能导致了默认网络的重新组合。【】  1Raichle ME, MacLeod AM, Snyder AZ, et al.A default mode of brain functionJ. PNAS, 2001,98:676-682.2Greicius MD, Krasnow B, Reiss AL, et al.Functional conne

21、ctivity in the resting brain: a network analysis of the default mode hypothesisJ. PNAS, 2003, 100:253-258.3Friston K J, Frith C D, Liddle P F. Functional connectivity: the principal component ananlysis of large(PET) data setsJ.J Cereb Blood Flow Metab, 1993, 13(1): 5-14.4Gusnard D A, & Raichle M

22、 E. Searching for a baseline: Functional imaging and the resting human brainJ. Nature Reviews Neuroscience ,2001，(10):685-694.5McKiernan K A, Kaufman J N, Kucera-Thompson J,et al.A parametrical manipulation of factors affecting task-induced deactivation in functional neuroimagingJ. Journal of Cognit

23、ive Neuroscience,2003，15(3):394-408.6McKiernan K A, DAngelo B R,Kaufman J N,et al.Interrupting the “stream ofconsciousness”: an fMRI investigationJ.Neuroimage,2006，29(4):1185-1191.7Fransson P. How default is the default mode of brain function? Further evidence from intrinsic BOLD signal fluctuations

24、J.Neuropsycholgia, 2006,44:2836-2845.8Gusnard DA, Akbudak E, Shulman GL, et al. Medial prefrontal cortex and self-referential mental activity: relation to a default mode of brain functionJ. Proc Natl Acad Sci USA，2001，98:4259-4264.9Fransson P. Spontaneous low-frequency BOLD signal fluctuations: an f

25、MRI Investigation of the resting-state default mode of brain function hypothesisJ.Human Brain Mapping,2005,26:15-29.10Greicius M D,Krasnow B,Reiss A L,et al. Functional connectivity in the resting brain: A network analysis of the default mode hypothesisJ.PNAS,2003,100(1):253-258.1    

26、         (d)根据式(1)逐体素与ROI的相关性。    cci=mt=1r(t)-R)Si(t)-Simt=1r(t)-R)2mt=1Si(t)-Si2(1)    其中，cci表示相关系数；m表示时间点；r(t)表示ROI中所有体素的平均时间信号；Si(t)表示第i个体素的时间信号；R表示r(t)平均值；Si表示Si(t)的平均值。    (e)根据式(1)构建相关系数cci的检验统计量t；  

27、;  t=cci×n-21-cci2t(n-2)(2)    式中n为自由度，即实验中数据的采样点数。    (f)确定显著性水平P，如果ttp/2，可以认为该体素与PCC有同步的低频振荡。将检测到的所有相关体素映射到其相应的空间位置，可以得到相关映射图，即PCC的功能连通。    对14名被试的静息数据和计算数据分别做组内分析，得到两种状态下默认网络各脑区与PCC同步相关的情况；做配对t检验的组间分析，得到相对于静息状态各脑区与PCC的连接增强或减弱的结果,分别取阈值P小于0.01，

28、并去除聚类少于10个体素的区域，得到每组被试默认功能网络脑图的统计结果。    3  实验结果    图2中A组和B组分别是计算状态、逻辑计算状态下默认网络的组内分析结果，C组是组间分析结果，表明逻辑计算相对于静息状态下默认网络各脑区与PCC连接增强或减弱的情况。    图2  计算状态与静息状态脑默认功能网络的组内、组间分析结果    A组  静息状态脑默认网络；B组  逻辑计算状态脑默认网络；C组  逻辑计算与静息相比功能

29、连接增强或减弱结果,其中a-g表示振幅减弱部分 从图2中，我们发现逻辑计算与静息状态具有类似默认功能网络模式；由图2（C）和表1可以发现，计算状态下，默认网络中双侧PCC及其相邻的楔前叶明显减弱；双侧MPFC与PCC的连接增强，双侧ACC与PCC的连接有少量不明显的增强；而双侧角回却未发生明显的变化。表1  逻辑计算状态和静息状态对照组间分析结果    4  结果    我们研究了逻辑计算任务下的脑默认网络。采用时间相关的功能连通分析方法，分析了逻辑计算状态和静息状态下的脑默认网络，同时将两组被试的结果以配对t检验

30、进行对照分析。数据表明，计算状态与静息状态对照，具有类似默认网络模式，但是PCC及相邻的楔前叶正相关的区域较小；其中双侧MPFC和ACC与PCC的连接较静息状态增强。研究结果表明，逻辑计算状态下，脑部的默认网络没有消失，而是由于计算认知任务的负载受到抑制，各脑区在与PCC的低频振荡信号相关性发生改变，可能是在计算任务中参与程度不同，信号改变不均衡所致。    大量PET及fMRI研究证实，静息状态如闭目清醒、无特定任务执行下的大脑，默认区域呈高代谢状态4；而在任务执行，尤其需要注意认知加工任务时，这些区域的活动则明显减弱1，这种现象在fMRI上表现为伴随特定任务相

31、关脑区的激活，默认脑区出现负激活。现在认为该网络反映“静息”状态下，大脑用来维持对内外环境警觉监测，以及持续的认知情感相互作用而表现出来的高反应状态。Fransson认为默认脑区任务导致的活动抑制与内在、自发的脑活动是由于认知任务的负载而被调制5-7。在图2(A)与(B)的比较中，逻辑计算状态下默认网络中脑区相比静息状态规模有所减少，在定量做组间分析后，我们发现大脑在执行任务时，默认网络区域中PCC及相邻的楔前叶区域明显减少，说明脑默认网络在计算任务状态下受到了抑制。    组间分析结果表明，逻辑计算任务下，双侧MPFC和ACC与PCC的连接较静息状态增强，而双侧

32、角回没有明显变化，颞叶区域变化不一致，有增强也有减弱的部分。这种默认网络模式不一致的变化在以前的研究中也有发现7，我们认为导致这种变化的原因是在具体的认知任务下，各个脑区参与程度不同，与PCC同步信号改变不一致。有研究表明MPFC和vACC参与了自我引导的智力活动8-9，即外部的认知任务会引起大脑内部网络即默认网络中相应脑区信号的改变10。本研究对于脑默认网络各脑区在逻辑计算任务任务下与PCC的低频振荡信号相关性不一致的结果，也为默认网络在特定的认知任务下发生重组提供有效的证明。    本研究通过设计静息实验和持续计算实验，采用时间相关的功能连通方法，对逻辑认知负载导致大脑默认网络改变进行初步探索。我们发现在有外部逻辑计算任务引导时，大脑内部缺省网络没有消失，而是自发活动受到抑制和改变，各脑区与PCC的同步相关性改变不一致，这可能导致了默认网络的重新组合。【】  1Raichle ME, MacLeod AM, Snyder AZ, et al.A default mode of brain functionJ. PNAS, 2001,98:676-682.2Greicius MD, Krasnow B, Reiss AL, et al.Functional connectivity in the resting b