基于功能磁共振成像技术的脑激活模式研究

基于功能磁共振成像技术的脑激活模式研究

b0ld-mrri是利用特定任务状态下和静态状态下血氧水平变化引起的局部林场变化的原理，来显示特定脑中功能的特定功能。语言功能的半球一侧化是近半个世纪以来科学研究的重要问题之一。大量针对西方拼音文字的研究已经得出较为一致的结果,即左侧大脑半球是语言加工的优势半球。但对汉字加工的偏侧化模式还存在很大争议。实验结果也很不一致。导致这些不一致结果的可能原因有:一是可能由于汉字词具有较强的图形特征,使右半球更多的参与;二是偏侧化的神经机制与任务性质有关。为了进一步研究汉字词的脑神经机制,我们这次实验通过阅读六组不同的线性词语序列来进一步研究。1线性词语序列构成为保证实验的效度和信度,我们在实验方案设计之初,就严格按照科学实验的标准来实施,运用的事件相关的fMRI实验设计。我们选择由N+V、V+N、N+A、A+N、V+A、A+V(N代表名词,V代表动词,A代表形容词)这6种线性词语序列构成的正确(语法和语义合法)和错误(语法合法,语义不合法)词组各32个,总计384个实验刺激材料。呈现的词组及注视点为白色,宋体48磅,背景为黑色。刺激的持续时间。基于前面实验材料熟悉度和行为实验的数据结果,设定每个实验材料的刺激呈现时间是500ms。刺激间隔。基于前面实验材料熟悉度和行为实验的数据结果,设定刺激材料的平均间隔时间(一个刺激开始呈现到下一个刺激开始呈现的时间)为3000ms,最短间隔2000ms,最长间隔28000ms,刺激反应时间为1500ms。刺激序列的随机性。384个实验材料使用了Neuroscan公司开发的Stim2软件进行了随机化。2性别、年龄及资料徐州师范大学全日制本科在读学生12人,男女生各6名,平均年龄20岁,均为右利手,无脑损伤病史。实验前签署知情同意书。实验后填写实验过程反馈书。3功能像采集和解剖像在实验前先让被试进行练习,以熟悉实验设备,同时交代实验注意事项。实验时,被试仰卧在磁共振机磁体内,头部固定,戴上耳机,双手持按键盒。用与微机相连的LCD投影仪,在机器前方的玻璃屏幕上呈现白背景黑色实验刺激材料,控制刺激用“+”。实验时的具体扫描程序是:先扫描三维的T1加权结构像,用于图像的标准化。再扫描功能像,最后扫描三维结构像。实验具体的扫描参数是:利用SIEMENSMAGNETOMSymphony1.5T磁共振成像仪进行图像采集。被试头部严格制动。功能像采集使用对血氧水平变化敏感的T2加权的梯度回波-回波平面成像脉冲序列(EPI)。参数设定如下:TR=2000ms,TE=60ms,FOV=220mm×220mm,Flipangle=90°,矩阵=64×64,平面解析度3.44mm×3.44mm,层厚=5mm,间距=1.5mm。20层连续轴位扫描以覆盖全脑。解剖像使用T1加权的快速旋转回波(fastspinechopulsesequence)脉冲序列(TR=447ms,TE=15ms,Flipangle=90°,FOV=220mm×220mm,矩阵=256×256),扫描定位完全等同于功能像扫描序列。解剖像提供了全脑高分辨率的解剖定位依据。为了便于三维重建和空间标准化,我们使用快速低角度射频脉冲序列(fastlowangleshootsequence,FLASH;TR=30ms,TE=1.17ms,Flipangle=35°,FOV=325mm×325mm,矩阵=192×256)进行全脑的三维扫描。4成像的预处理实验数据处理软件采用基于LINUX操作平台的AFNI(AnalysisofFunctionalNeuroImage)软件。为了减少由于个体差异以及机器本身等原因造的误差和进行进一步的统计分析,我们首先要对实验数据进行预处理,具体过程是:(1)头动校正和图像的配准:由于在实验中微小的头动就能造成伪影,这会影响图像的质量和将要进行的统计分析,所以必须由AFNI软件进行伪影的去除。另外在统计结束后我们会将功能像的脑区激活情况用伪彩标示在三维图像上,所以首先要将三维像与结构像配准,由于结构像与功能像扫描参数相同,因此实际上三维像也就和功能像配准了。(2)空间标准化:由于每个被试的脑的大小不一样,为了进行不同被试之间的对比和数据平均,采用国际上通用的Talairach-Tournoux坐标将每个被试大脑的大小进行重新换算,变成所谓的“标准脑”。具体做法是,在大脑上选取5个点,用于重新定位大脑的大小。这5个点是:大脑前联合上缘(ACsuperioredge)、前联合下缘(ACposteriormargin)、后联合下缘(PCinferioredge)、重新定位Z坐标的两个中矢点(mid-sagpt)。(3)空间平滑和时间平滑:为了提高信噪比,减少无关因素的干扰,我们要对数据的功能图像进行高斯平滑,全高半宽(FWHM)的大小选择6。(4)去线性漂移:在实际的扫描中会出现基线漂移,为了提高图像质量,需要对基线漂移进行去除。这些预处理过程结束之后进行统计分析,运用ANOVA统计分析生成统计参数激活图,将每个激活体素(Voxel)用伪彩表示在三维脑结构像上。最后进行不同实验任务之间的对比,选取激活脑区坐标位置和p值。5线性词语序列的显著性激活区域图1(设定P值为0.0098)从上往下,依次列出的是N+V;V+N;N+A;A+N;V+A;A+V6种线性词语序列的激活图。结果表明N+V、V+N、N+A、A+N、V+A、A+V这6种不同的线性词语序列,不仅在众所周知的语言区,即左侧额上回,有共同的显著激活区域,而且在左侧后顶叶,右侧后顶叶以及辅助运动区均有共同的显著激活区域。这表明语言能力的体现,不仅有左脑的所谓的语言区的参与,亦有左脑和右脑的其他相关脑区的协作。N+V、V+N、N+A、V+A、A+V这5种不同的线性词语序列,共同的显著性激活区域包括:左侧额上回,左额叶内部,左侧中央前回,左侧枕叶,左侧后顶叶,右额下回内部,右侧后顶叶,右侧枕叶。其中,左侧额上回、左额叶内部和右额下回内部属于语言区,左侧中央前回、左侧后顶叶和右侧后顶叶属于非语言区。通过这两者的对比可知,A+N所缺乏的而其他词语序列具有的共同激活区域为左额叶内部、右额下回内部和左侧中央前回。此外,6种不同词语序列所激活的非共同激活区为:左侧额中回,左侧额下回,左颞上回后部,左侧丘脑,左岛叶,左侧丘脑,右侧额上回,右侧额下回,右颞上回后部,右颞下回后部,右侧中央前回,右侧中央后回,右侧丘脑。6结果分析和讨论本次实验利用fMRI研究被试在阅读N+V、V+N、N+A、A+N、V+A、A+V这6种不同的线性词语序列时脑激活模式,发现脑部激活区不仅在众所周知的语言区,即左侧额上回,有共同的显著激活区域,而且在左侧后顶叶,右侧后顶叶均有共同的显著激活区域。我们认为,不考虑每个词语序列各自不同的激活区域,仅从这6种不同的词语序列的共同激活脑区来看,就包含了左侧额上回,左侧后顶叶和右侧后顶叶。本文的这一实验结果表明,语言理解功能的完成,不仅需要语言区和非语言区的相互协调,而且需要左脑和右脑相互协作。词汇命名任务激活双侧半球,这可能是由于汉字具有较强的图形特征,且词汇命名任务更多地涉及形音转换,导致在视觉空间信息的整合加工中有重要作用的右半球更多地参与了汉字整体加工。汉语形音转换的双侧化机制目前尚未阐明。以往所认为的语言功能主要由语言区,比如,左额叶或左颞叶完成的观点,在此得到了实验事实的修正,但语言区和非语言区,左脑和右脑究竟如何协作,则还有待于进一步研究。Tan等的一系列研究左侧额中回在汉语加工中有显著激活,这个模式在英文的加工中很少有报道。Tan认为这部分脑区可能与汉字阅读有重要关系。本结论在我们的实验中得到验证。同时一些研究也都发现额中回在汉语加工中的激活。我们这次实验在V+A词语序列中发现左侧额中回有激活。然而有研究对此结论有不同看法,这还有待进一步研究。本实验发