fMRI的BOLD信号任务态定位实验

fMRI的BOLD信号任务态定位实验2.1实验设计2.1.1组块设计和事件相关设计脑功能成像的实验设计主要包括组块设计和事件相关设计两种方案。在组块设计中，某一个时间区间中给被试施加连续的刺激，下一个时间区间中以一定的时间间隔施加刺激。通过分析BOLD信号的变化，进而分析此时大脑的活动情况。在事件相关设计中，某一个时间区间内只给被试施加一个短暂的刺激，间隔一段时间后，进入下一个时间区间，再对被试施加一个短暂的刺激。在事件相关设计中，被试会产生对下一次刺激的期待，使得到的BOLD信号不单纯是对刺激的反应。而组快设计可以有效地避免使被试产生期待效应，能够准确地得到与任务相关的脑区的活动信息，而且适用于更加复杂的任务实验［7］。2.1.2双手运动实验在脑功能成像的实验设计方案中，双手运动实验是常见的一种。双手运动试验，即通过双手的运动，如手指的张与合，来观察大脑对此做出的反应。其易执行、便于控制的优势使其成为fMRI研究中最常用的方法之一。很多学者做过大量的双手运动实验，包括利手与非利手的对比［8］，运动皮层的激活程度与年龄的相关性［9］等等，甚至被用来研究一些疾病对于脑区功能的影响。双手运动实验是较为成熟的实验设计方案。2.1.3研究对象2014年4月一2015年2月于兰州大学招募健康志愿者40名，其中男性35名，女性5名，年龄20-33岁，平均年龄22.0岁。其中13人参与了任务态fMRI实验，40人全部参与了静息态fMRI实验。入组标准：①身体健康，精神状态良好，无严重精神及躯体疾病史，无脑部疾病及外伤史，无药物和酒精依赖史；②右利手；③体内无金属异物；④无幽闭恐惧症；⑤均获知情同意，理解此项研究的目的和意义，自愿参加实验。2.1.4实验设计本实验在任务态下进行fMRI扫描。扫描时采用组块设计的实验模式，每一个任务块由60秒静息状态和60秒任务状态组成，如图2.1所示。实验前，对被试进行培训，要求被试充分理解实验内容，了解实验过程。实验时，首先采集高分辨率的大脑结构像，再采集任务态应RI数据。要求被试取仰卧位，戴上耳塞，用海绵填塞头部和线圈之间的空隙，叮嘱被试在实验过程中保持闭眼，静止，不做有意识的思维活动。任务态开始扫描时，一名检查者进入MRI检查室，当任务状态开始时，轻触被试下肢，提示被试双手开始运动，间隔60秒后，用同样方法给予被试运动暂停信号，如此反复5次。提示被试进入任务状态后，被试立刻进行双手反复握拳、松拳的任务动作，速度约为1次/秒直到任务结束。当被试得到静息状态的提示后，立即停止动作,保持静止状态。实验中任务状态和静息状态交替进行各五次，扫描时间共600秒。图2.1双手握拳任务组块设计示意图2.1.5成像设备及参数本实验fMRI成像研究使用了甘肃省中医院磁共振室3Tesla8通道头线圈MR扫描仪(通用电器)。2.1.6大脑结构态成像数据采集Tl-wcight全脑高分辨率3Dvolume采集需要以下参数：248个横向层面(axialslices),1.2mm厚(无间隙)，回波时间[TE]=3.0ms,重复时间[TR]=7.8ms,翻转角(flipangle)=15°,基元(matrix)256*256,视场(Heldofview)240mm*240mm，总计需要时间为2min58s。2.1.7大脑任务态成像数据采集T2-weight的回波平面成像，参数如下：34个横向层面，4mm厚(无间隙)，回波时间[TE]=40ms,重复时间[TR]=3000ms,翻转角(flipangle)=90°,基元(matrix)96*96,视场(fieldofview)240mm*240mm,总计需要时间为10min,包括200个全脑volumeso2.2数据分析2.2.1数据预处理将核磁共振仪采集到的Dicom标准图像用MRIcron软件压缩为NIFTI-4D格式。本研究采用FSL软件进行数据处理。用FSL软件进行以下预处理步骤：去除头皮：处理结构图像，去除我们不关心的头皮。分层时间校正：对扫描时每层之间的时间差异进行矫正。头动校正：对任务态数据中头部随时间在空间上的转动和平动进行修正;空间标准化：将其与标准脑配准，得到个体与标准脑之间转换的矩阵。空间平滑处理：对配准后的图像进行空间上的拟合，使其更加平滑。高通滤波：去除呼吸、心跳等与本实验无关的信号。2.2.2任务数据处理首先利用FSL软件中的GLM模型对任务态fMRI数据进行组内分析(First-levelanalysis)，分析个体大脑中各个体素的时间序列与我们实验中设计的时间序列的吻合程度，认为吻合程度较高的区域就是被手动激活的区域，选取阈值Z>2.7(P<0.05)，将激活程度较高的区域提取、记录，得到个体水平上的显著激活区域。 接下来对13组数据进行组内平均(FSL,Higher-levelanalysis)，选取阈值Z>20(P<0.01)，得到群体水平上的显著激活区域。2.3结果与讨论2.3.1实验结果对数据分析后得到超过阈值Z=20的区域共计6个，在脑的横断面上标记出激活区域如图2.2所示。6个区域各自包含的体素数目、对应的Z值以及在标准脑中的坐标如表2.1所示。2.3.2关于区域6与区域5的讨论区域6与区域5的矢状面、冠状面、横断面如图2.3所示。在Talairach图谱中可以找到区域6与区域5所对应的分区，如表2所示。区域6与区域5分别集中在右、左大脑的顶叶中央后回与额叶中央前回。

图2.2各横断面上的激活区域ClusterIndexVoxelsZ-MAXZ-MAXX(mm)Z-MAXY(mm)Z-MAXZ(mm)6115838.236-2444585934.4-32-2444412126.12-22-56-2037624.318-56-2027223.8-6-124411421.88-1044表2.1各激活区域的相关信息

横断面区域5区域6冠状面横断面区域5区域6冠状面横断面矢状面图2.3激活区域6与激活区域5区域6RightCerebrum.ParietalLobe.PostcentralGyrus.GrayMatter.Brodmannarea2RightCerebrum.ParietalLobe.PostcentralGyrus.GrayMatter.Brodmannarea3RightCerebrum.FrontalLobe.PrecentralGyrus.GrayMatter.Brodmannarea4RightCerebrum.FrontalLobe.PrecentralGyrus.GrayMatter.Brodmannarea6区域5LeftCerebrum.ParietalLobe.PostcentralGyrus.GrayMatter.Brodmannarea2LeftCerebrum.ParietalLobe.PostcentralGyrus.GrayMatter.Brodmannarea3LeftCerebrum.ParietalLobe.PostcentralGyrus.GrayMatter.Brodmannarea40LeftCerebrum.FrontalLobe.PrecentralGyrus.GrayMatter.Brodmannarea4表2.2区域6与区域5所对应的分区区域6主要分布在布罗德曼分区(Brodmannarea)中的BA2、BA3、BA4、BA6区。其中BA2、BA3分别为体感皮层末尾和前端区，BA2、BA3参与组成体感皮层，具备基本体感功能，接受对侧肢体的感觉传入；BA4为初级运动皮层,包含"运动小人"(motorhomunculus)，控制行为运动；BA6与参与构成前运动皮层，指导感官运动，辅助运动区(控制身体的近端和躯干肌肉)。同时，BA4与BA6、BA3、BA2相连。区域5主要分布在BA2、BA3、BA40、BA4。其中BA40为次级体感皮层，响应躯体刺激，完成结构区分任务。区域6与区域5所具有的功能，主要参与接收并传入动手开始信号，对信号做出响应，并指导双手手指的运动。2.3.3关于区域4与区域3的讨论区域3在Talairach图谱中可以找到区域4与区域3所对应的分区，如表3区域3在Talairach图谱中可以找到区域4与区域3所对应的分区，如表3所示。区域4矢状面冠状面矢状面横断面冠状面横断面图2.4激活区域4与激活区域3区域4LeftCerebellum.AnteriorLobe.GrayMatter.DentateLeftCerebellum.AnteriorLobe.Culmen.GrayMatter区域3RightCerebellum.AnteriorLobe.GrayMatter.DentateRightCerebellum.AnteriorLobe.Culmen.GrayMatter表23区域4与区域3所对应的分区区域4与区域3分别集中在左、右小脑前叶的齿状核与蚓部山顶。齿状核是大脑-小脑环路的重要中继站，是小脑内部的一个重要核团，向上可联系大脑皮质，向下可影响脑干和脊髓。传统的概念认为齿状核与运动的发起、计划和定时有关［io］,但是最近的研究表明它与感觉的获得和辨别有关UH。山顶参与有害刺激的反应过程，山顶所处的蚓前部可在手指参与的复杂灵活运动中被激活［12］。区域4与区域3所具有的功能，可协助被试发起双手运动。由于本实验为组块设计，齿状核可能参与了对下一组块的计划。2.3.4关于区域2与区域1的讨论区域4与区域3的矢状面、冠状面、横断面如图4所示。在Talairach图谱中可以找到区域2与区域1所对应的分区，如表4所示。区域2与区域1分别集中在左、右大脑的边缘叶，尤其是扣带回，区域2还分布在额叶。主要包括BA6、BA24、BA31区。边缘叶是调节内脏活动的重要中枢，参与组成边缘系统。扣带回是边缘系统的重要组成部分，其前部参与许多复杂的躯体和内脏运动功能和痛反应，而扣带回后部与此等功能无关。后部是监控感觉和立体定位及记忆作用的组织［13］。内侧前额叶（包括前扣带回、额内侧回和胼体下皮层）在大量的认知任务中得到激活，包括情节记忆提取、高级语言加工、思维推理任务、学习新规则等。在社会认知领域如心灵理论（theoryofmind）、情绪认知、社会推理与决策、道德判断与发展、自我认知中，内侧前额叶也有突出重要的作用14］。BA6区参与构成前运动皮层，指导感官运动，辅助运动区（控制身体的近端和躯干肌肉）；BA24区作为边缘系统的一部分，与杏仁核和眶额皮层和海马相连接，参与情绪系统；BA31区参与情感处理和识别。区域2与区域1所具有的功能，协助被试定位并监测开始动手信号的传入，进而作出决策。

区域1区域2冠状面矢状面横断面冠状面区域1区域2冠状面矢状面横断面冠状面矢状面横断面图2.5激活区域2与激活区域1区域2LeftCerebrum.FrontalLobe.ParacentralLobule.GrayMatter.Brodmannarea31LeftCerebrum.FrontalLobe.MedialFrontalGyrus.GrayMatter.Brodmannarea66LeftCerebrum.LimbicLobe.CingulateGyrus.LeftCerebrum.LimbicLobe.CingulateGyrus.GrayMatter.Brodmannarea24区域1RightCerebrum.LimbicLobe.ParacentralLobule.RightCerebrum.LimbicLobe.CingulateGyrus.GrayMatter.Brodmannarea24表2.4区域2与区域1所对应的分区2.3.5结论根据在组块设计实验中通过fMRI的BOLD信号确定了双手运动所对应的显著激活脑区，这些脑区分布在大脑顶叶、额叶、边缘叶与小脑前叶，通过分析这些脑区所对应的生理功能，发现这些区域均在双手运动中发挥着重要的作用。该实验结论为今后与运动相关脑区的静息态BOLD信号分析提供了依据。4.1.1任务态数据预处理过程在任务态数据的预处理过程中，存在着很多可调节的参数，例如滤波的范围，头动修正的维度等。滤波范围的不同，将导致滤波后的数据包含着不同的干扰或噪声，如呼吸、心跳的影响，仪器本身的噪声等。具体处