生物心理学 PPT课件版 Chapter 02：Methodology

Chapter02：

MethodologyInstructor:

xiaohong

PanSchool

of

Psychology

and

Cognitive

xhpan@生物心理学Contents行为模型的建立、观察与测量脑研究技术论小结一.行为模型的建立、观察与测量行为行为分类行为获得的方式先天的/本能的后天习得的大脑一.行为模型的建立、观察与测量行为行为分类行为获得的方式反射理论／反射形成机制非条件反射：先天，高度稳定和可重复条件反射：后天，复杂灵活大脑一.行为模型的建立、观察与测量行为行为分类行为获得的方式反射理论／反射形成机制选择行为模型行为模型：代表某行为类型或心理机能活动的典型反应形式。根据研究目标选择特定的行为模型。大脑大脑行为模型操作定义观察/测量变量操作变量行为研究技术Contents行为模型的建立、观察与测量脑研究技术小结二.脑研究技术脑立体定位技术脑立体定位仪（

BrainStereotaxicApparatus）1－头固定器（head-controlledblanket）2－耳杆（earbar）3－鼻夹（noseclamp）4－微吸管架（micropipetteholder）5－软管（plastictubing）二.脑研究技术脑立体定位技术脑立体定位仪（

BrainStereotaxicApparatus）脑立体定位图谱（BrainStereotaxicAtlas）原点：AP（前囟）、AC-PC二.脑研究技术脑立体定位技术脑立体定位仪（

BrainStereotaxicApparatus）脑立体定位图谱（BrainStereotaxicAtlas）脑立体定位技术的使用刺激／损毁冰冻切片——镜下观察二.脑研究技术脑立体定位技术脑功能干预技术脑损伤不可逆性损伤横断、吸出、电损、药物二.脑研究技术脑立体定位技术脑功能干预技术脑损伤不可逆性损伤可逆性损伤冷冻、药物阻抑、经颅磁刺激(

TranscranialMagneticstimulation,TMS)兴奋或抑制皮层神经活动二.脑研究技术脑立体定位技术脑功能干预技术脑损伤脑刺激电刺激化学刺激：阻断／激动脑功能定位说二.脑研究技术脑立体定位技术脑功能干预技术脑电记录脑电图（EEG，Electroencephalography）脑电图（EEG）

EEG通过放置在头皮表面的多个电极所记录到的一组场电位。

已知部分：大群神经元的同步放电未知部分：动作电位、兴奋性突触后电位、抑制性突触后电位等电位活动的总和(Eccles,张香桐,Jung等)特点：自发随机出现，大约几十微伏（μν）种类频率(Hz)波幅(uV)主导时期Alpha7.5-1320-60清醒、放松Beta14-302-20思维活动Theta3.5-7.520-100儿童的支配频率，在成人随困倦和注意而增加Delta0.4-320-200深睡，婴儿支配频率二.脑研究技术脑立体定位技术脑功能干预技术脑电记录脑电图（EEG，Electroencephalography）事件相关电位（ERP，Event-RelatedPotential）事件相关电位（ERP）

ERP是对神经系统某一特定部位(包括从感受器到大脑皮层)给予相宜的刺激，或使大脑对刺激的信息进行加工，在该系统和脑的相应部位产生可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反应，即诱发电位（evoked

potential）。空间特性:只能在特定的空间范围内检测到时间特性:具有特定的波形和强度分布相位特性:刺激和反应之间存在锁时(time-locked)关系事件相关电位（ERP）

ERP

ERP的采集——平均策略

平均技术的原理刺激与EP之间存在锁时关系背景噪音与刺激之间的关系呈随机性多次叠加可以消除噪音影响，增大信噪比因此，除以叠加次数就可以使EP保持原大小而大大削弱噪音。ERP的采集：平均策略事件相关电位（ERP）

ERP

ERP的采集——平均策略

ERP成分的意义

早成分：感觉神经系统对外界刺激的生理反应；晚成分：通常与外界刺激引起的心理活动有关。

P300关联负波（CNV）脑干听觉诱发电位(BAEP)二.脑研究技术脑立体定位技术脑功能干预技术脑电记录脑电图（EEG，Electroencephalography）事件相关电位（ERP，Event-RelatedPotential）神经元单位活动记录神经元单位活动记录

细胞外记录：单个或多个神经元放电

细胞内记录：动作电位、兴奋/抑制性突触后电位二.脑研究技术脑立体定位技术脑功能干预技术脑电记录脑磁图4.脑磁图（MEG）测量大脑的磁变化

与EEG的比较

MEG侦侧与脑表面平行方向的神经元电活动

EEG侦侧与脑表面非平行方向的神经元电活动二.脑研究技术脑立体定位技术脑功能干预技术脑电记录脑磁图组织学方法5.组织学方法经典的染色方法辣根过氧化酶（HRP，horseradish

peroxidase）技术：神经元标记追踪方法5.组织学方法经典的染色方法辣根过氧化酶（HRP，horseradish

peroxidase）技术：神经元标记追踪方法荧光组织学技术二.脑研究技术脑立体定位技术脑功能干预技术脑电记录脑磁图组织学方法无损伤性脑成像技术6.无损伤性脑成像技术脑解剖结构成像技术

CT（computerized

axial

tomography）

MRI（magnetic

resonance

imaging）脑功能活动成像技术

PET（positron-emission

tomography）

fMRI（functionalMRI）

磁共振成像(MRI)

&功能磁共振成像(fMRI)44NuclearMagneticResonanceImaging首字母缩写:NMRI为了和核技术及核的放射性危害区分开来，临床医生建议去掉N，简称为磁共振成像（MRI）核磁共振成像技术发展简史11946年美国哈佛大学的E.Purcell及斯坦福大学的F.Bloch领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象。1952年Purcell和

Bloch共同获得诺贝尔物理学奖；核磁共振成像技术发展简史21966年瑞士物理化学家RichardErnst研制出脉冲傅利叶变换核磁共振谱仪(ETNMR)，获得了1991年诺贝尔化学奖。1971年美国纽约州立大学的R.Damadian利用磁共振波谱仪对小鼠研究发现，癌变组织的T1，T2弛豫时间比正常组织长。核磁共振成像技术发展简史31973年美国纽约州立大学的Lauterbur利用梯度磁场进行空间定位，获得两个充水试管的第一幅磁共振图像；1974年做出了活鼠的核磁图像。（2003年诺贝尔生物医学奖）核磁共振成像技术发展简史31977年英国科学家Mansfield又进一步验证和改进了这种方法，并发现不均匀磁场的快速变化可以使上述方法能更快地绘制成物体内部结构图像。（2003年诺贝尔生物医学奖）MRI发展的重要里程碑（1）1978年：英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像；1980年：第一副人体胸腹部MR图像产生，MRI设备商业化；1984年：美国FDA批准核磁共振使用于临床；MRI发展的重要里程碑（2）1986年：中国成立安科公司；1989年：中国开发出第一台MRI；1998年：世界磁共振成像年；2002年：全球已经大约有2.2万台MRI…2003年：Lauterbur和Mansfield获得2003年诺贝尔生物医学奖MRI成像基本原理（1）自然状态下的原子核含奇数质子的原子核均在其自旋(spin)过程中产生自旋磁动量，即磁矩以矢量描述；核磁矩的大小是原子核的固有特性，它决定MR信号的敏感性；MRI成像基本原理（2）静磁场作用下的原子核按一定规律排列；仅在平行或反平行于外磁场两个方向上排列，平行磁场方向的质子多于反平行方向；MRI成像基本原理3静电场叠加射频电磁波作用下的原子核如果射频电磁波的频率与静磁场强度的关系满足拉莫尔（Lamor）方程，则物体中的特定原子核会吸收电磁波能量发生共振；当射频电磁波的激发停止后，吸收了能量的原子核又会将这部分能量以电磁波的形式发射出来。

LowerHigherLamor方程进动频率与磁场强度成正比，并且由Larmor方程如下定义：MRI成像基本原理（4）MR信号空间位置的确定MR信号本身，就像无线电波一样，不具任何方向信息。由拉莫尔方程可知，改变外加磁场的大小，可以改变共振频率的大小，确定MR信号位置的方法是使扫描平面上每一点都具有不同的磁场强度——梯度磁场。MRI成像基本原理（5）MRI用于医学诊断的基础氢原子核只有单一质子，具有最强的磁矩；人体2/3的重量为水分，氢质子在人体内分布广，数量多，MRI均选用氢为靶原子核；人体内器官和组织中水分并不相同，很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，即可由磁共振图像反映出来。人体氢质子在磁场中共振现象MRI成像原理总结（1）MRI成像主要利用自旋原子核在外加电场作用下的产生的物理现象：主磁场(静磁场)射频磁场(用户可控，幅度、频率可任意改变)

梯度场(用户可控，时变)MRI成像原理总结（2）氢原子核在外加静磁场和射频电磁波照射下，发生共振；利用X、Y、Z三个方向叠加的梯度磁场计算共振质子的空间位置；外来射频脉冲停止后，由M0产生的横向磁化矢量在晶格磁场作用下由XY平面逐渐回复到Z轴；同时以射频信号的形式放出能量，利用RF接收器接收射频信号；射频信号经放大、A/D后由计算机理后重建成图像（投影重建或二维傅立叶变换）。MRI应用中常用概念驰豫：指磁化矢量恢复到平衡态的过程磁化矢量越大，MRI探测到的信号越强MRI应用中常用概念T1时间T1时间：测量纵向驰豫的时间定义：纵向磁化矢量从最小恢复至平衡态的63%所经历的驰豫时间不同的组织T1时间不同产生MR信号强度上的差别图像上为灰阶的差别纵向弛预自旋-晶格弛预T1弛预MRI应用中常用概念T2时间T2时间：测量横向驰豫的时间定义：横向磁化矢量从由最大衰减至37%所经历的驰豫时间不同的组织T2时间不同产生MR信号强度上的差别图像上为灰阶的差别横向弛预自旋-自旋弛预T2弛预T1，T2驰豫时间对比T1，T2图像对比人体正常脑组织的T1、T2驰预时间驰预时间(ms)脑白质脑灰质脑脊液颅板板障T1

7809203000-260T290100300-84T1WIPDWIT2WIMRI系统的组成（1）磁体梯度线圈射频发射器MR信号接受器梯度放大器射频功率放大器MRI谱仪阵列处理机计算机、图像显示和储存装置75B0COMPUTERRFTransmitterReceiverRF=RadioFrequencyMRI系统的组成（2）磁共振检查技术平扫（T1WI、T2WI、PDWI）增强（T1WI）动态增强（DynamicMR）磁共振血管造影（MRA）脂肪抑制成像（STIR)水抑制成像（FLAIR）水成像（MRCP、MRU、MRM）灌注成像（Perfusion）弥散成像（Diffusion）功能成像（functionMR）79SE序列

FGR序列垂体微腺瘤动态增强扫描3D-MRA3D-CEMRA的时间分辨率（胸腹部）82FLAIR序列磁共振胰胆管造影（MRCP）3D-重T2WI（水成像）功能磁共振成像(fMRI)functionalMagneticResonanceImaging

应用磁共振成像技术对人体（或动物体）的功能进行探测和研究。狭义概念：应用血氧合水平依赖（Blood

Oxygenation

Level

Dependant,

BOLD）法进行人体功能的研究（脑功能研究）；BOLDfunctionalMRIBlood

Oxygenation

Level

Dependant,

BOLDEcho

Planar

Imaging,

EPI

(回波平面成像)MechanismofBOLDfMRIBrainactivityOxygenconsumptionCerebralbloodflowOxyhemoglobinDeoxyhemoglobinMagneticsusceptibilityT2*MRIsignalintensityMagneticPropertiesofOxyhemoglobinandDeoxyhemoglobinDeoxyhemoglobin:paramagnetic(c>0)

paramagneticwithrespecttothesurroundingtissueOxyhemoglobin:diamagnetic(c<0)isomagneticwithrespecttothesurroundingtissue

Hb+O2

HbO2OxyhemoglobinandDeoxyhemoglobininVeinsduringBrainActivationOxyhemoglobinDeoxyhemoglobinRestActivationNormalbloodflowHighbloodflowT2*EffectinfMRIexcitationreceptionMRsignal(S)actionrestTEtTimeSeriesandActivationMapsOffOffOffOffOnOnOnOnScanNumberSignalIntensityChallengesinFunctionalMRISensitivity(Contrast-to-noiseratio)

Contrast-to-NoiseRatio

BrainActivation-relatedsignalchangeSensitivity=

Temporalfluctuationofimageintensity

ChallengesinFunctionalMRI

Sensitivity(Contrast-to-noiseratio)

BOLDsignalchangeis~1-2%at1.5T;signal-to-noiseratioinsingle-shotEPIimagesis~100.

Noise：Physiologicalpulsations(cardiacandrespiratory);Headmotion;instrumentalinstabilityEnhancementofBOLDContrastHighermagneticfieldsBOLDsignalchangeDS~Ba(1<a<2)StandardclinicalMRIscannerat1.5TResearchscannerupto8TcurrentlyOptimizationofimageacquisitionparametersOptimalechotime(TE)tomaximizeBOLDsignalOptimalrepetitiontime(TR)toincreasenumber

ofimagesacquiredperunittime,andtodecreasemotionartifactsTEDependenceofSignalChangeTEChallengesinFunctionalMRISensitivity(Contrast-to-noiseratio)SpecificityLocationofactivation–neuronsorveins

TemporalresolutiontImpulse-responsefunction2s5s12sTemporalresolutionSamplingrate(single-shotEPI~10-15slices/sec)

Wholebrain(~304mm-slices):2-3sec

T1relaxationtimesGreymatter:1secWhitematter:0.8secCSF:2-3secMulti-SliceSpiralImagesMulti-SliceEPIImagesActivationMapsonAnatomicalImagesMSSpiralMSEPI3DSpiralHistogramsofTemporalStandardDeviationsMS-SpiralMS-EPI3D-SpiralSD/MeanNumberofActivatedVoxels00.010.020.030.04806040200ComparisonofActivationStudiesUsingMS-spiral,MS-EPI,and3D-spiralSpatialresolutionBOLDpoint-spreadfunction

Spatialextentofneuronalactivity,CBF,andBOLDImagespatialresolution

64x64withFOV240mm:3.75mm 128x128withFOV240mm:1.875mmSignal-to-noiseration

Single-shotEPIwithvoxelsize4x4x4mm3:~100Non-linearityofBOLDResponsetBOLDresponsevs.lengthofstimulationBOLDresponseduringrapidly-repeatedstimulationts2tEpochvs

EventsEpochsareperiodsofsustainedstimulation(e.g,box-carfunctions)Eventsareimpulses(delta-functions)InSPM99,epochsandeventsaredistinct(eg,inchoiceofbasisfunctions)InSPM2,allconditionsarespecifiedintermsoftheir1)onsetsand2)durations……eventssimplyhavezerodurationNear-identicalregressorscanbecreatedby:1)sustainedepochs,2)rapidseriesofevents(SOAs<~3s)i.e,designscanbeblockedorintermixed…modelscanbeepochorevent-relatedBoxcarfunctionSustainedepochConvolvedwithHRF=>BlocksofeventsDeltafunctionsDataModelO=OldWordsN=NewWordsBlockedO1O2O3N1N2N3RRRFFR=WordsLaterRememberedF=WordsLaterForgottenEvent-Related~4sDataModelRandomisedO1N1O3O2N2Block-DesignfMRIEvent-RelatedfMRIRestTask20-60s8-12sHemodynamicResponsevs.ISI051015Time(sec)SignalChanges(%)1.001.01ISI=8sISI=12sISI=16sVisualActivationMaps(ISI=12s)MixedDesignsRecentinterestinsimultaneouslymeasuringeffec