fmri在正常青年患者计算时脑活动情况的分析

fmri在正常青年患者计算时脑活动情况的分析

计算是人类最基本的思维活动之一。通过计算任务研究大脑的活动机制已成为国内外对大脑活动的研究领域。目前国内进行计算任务的功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)研究尚不多见。本实验通过对正常青年受试者计算任务的fMRI进行研究分析,探讨计算情况下的脑部活动。1数据和方法1.1治疗前脑图像受试者为医学院学生,共18例,均身体健康,无严重的神经系统疾病史和精神病药物服用史。双眼裸眼视力或矫正视力正常(近视者扫描时佩戴隐形眼镜)。所有受试者均为大专及以上学历,17例为右利手,1例为左利手。其中男10例,女8例,年龄18~24岁,平均21岁。1.2激发回波时间和激发反应时间计算正确率采用Philips公司1.5T超导型Eclipse磁共振成像系统。头正交线圈。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。实验任务由E-prime编成文件,由磁共振机EPI序列脉冲控制计算机自动同步播放,与计算机连接的投影仪将任务内容投影到屏幕上。受试者通过安装在线圈上的反光镜可以观看屏幕上的内容。另外有一个按钮盒作为反馈系统与计算机相连,由E-prime软件接收受试者的反馈信息,来统计受试者的不同任务的计算正确率和反应时间。先使用自旋回波(SE)脉冲序列获取20层横轴面T1W解剖图像,扫描参数为:TR500ms,TE12.1ms,翻转角90°,层厚6mm,无间隔,矩阵192×256,激励次数(NEX)2。然后采用BOLD技术,应用单次激发回波平面成像梯度回波序列(gradientEPI),在T1WI同样的层面上进行功能成像。EPI扫描参数为:TR3000ms,TE40ms,翻转角90°,视野(FOV)24cm×24cm,矩阵64×64,层厚6mm,无间距,激励次数(NEX)1。简单、复杂计算间隔以静息期,简单、复杂计算激发和采集期次数各为40次,全期160次。同时我们也对每个受试者作全脑容积扫描以获得全脑3D图像,容积扫描(RAPIDPRE)参数为:TR11ms,TE3.98ms,翻转角35°,视野(FOV)24cm×24cm,矩阵128×256,层数100,层厚1.5mm,无间距,激励次数(NEX)3。受试者在接受检查前均接受短暂培训,以期能全力配合。1.3做难以操作的任务,s本试验采用组块设计。任务组分为简单任务和复杂任务两个水平。简单任务为20以内不退位减法,复杂任务为二位数退位减法。减法公式呈现时间2500ms,中间间隔500ms,在这3s当中,要求被试者判断减法公式的结果是否正确,当计算任务的结果和给出的答案相符时,右手食指按1键;如不符,右手中指按2键。对照组采用无运算符号且与任务组等长字符的数字串,判断出现数字的奇偶,数字串呈现时间2500ms,中间间隔500ms,奇数右手食指按1键;偶数,右手中指按2键。任务组与对照组交替出现,共重复4次。简单任务与复杂任务的排列顺序由随机量表决定。共获取EPI图像3200幅。1.4统计分析及过程首先对实验中电脑记录的受试者反应正确率进行检查,将简单计算及复杂计算任务中正确率低于80%的受试者数据舍弃(如受试者在按键时有缺失,则计算正确率时该计算个数从总数中删去)。采用SPSS11.0软件比较简单及复杂数学计算任务的反应时间及准确率有无统计学差异,检验水准α=0.05。采用SPM2软件系统对fMRI实验数据作统计分析。预处理包括运动校正、空间标准化和空间平滑处理。将运动校正中检测到头部三维平移超过0.5mm、三维旋转超过0.5°的数据舍弃。统计阈值概率设定为P<0.001,激活范围阈值设定为20个像素,即连续激活像素数达到20以上的区域考虑为有意义激活区。后处理方式采用两种:组分析及组间分析。组间分析:对每个志愿者实验数据进行独立分析,将获得的脑激活图叠加于Talairach标准三维模板脑,记录各主要激活区的激活例数。获取简单比控制,复杂比控制的t检验后的脑激活图,进行功能区定位。组分析:将志愿者的实验数据进行链接,一同进行二次统计分析,获得简单与复杂计算的平均脑激活图,叠加于Talairach标准三维模板脑,获取简单及复杂计算中激活脑区的面积及强度。2平均激活图18例受试者中,均无头部三维平移超过0.5mm、三维旋转超过0.5°的病例。18例受试者的反应时间、正确率见表1。18例受试者中,2例复杂计算任务中正确率低于80%,故舍去不用;1例为左利手,另作分析。15例受试者的平均激活图(图1~4)显示:简单计算中,主要见双侧顶上、下小叶、双侧额前区激活。另外,右侧中央沟、枕叶及左侧的运动前区、双侧小脑亦可见激活;复杂计算中,右侧的顶上下小叶、左侧的顶上小叶、双侧额前区、扣带回的前方及双侧枕叶、小脑、颞下回的后方可见激活。简单与复杂计算相比,仅在左侧顶下小叶、双侧中央沟区及右侧额叶眶回见少量激活。复杂与简单计算相比,两侧的顶上下小叶、双侧额前区、扣带回的前方、右扣带回的后方及双侧枕叶、小脑、中脑可见激活。横断面图显示了同样的激活(图5)。组间分析显示:不同受试者两种任务中的主要激活脑区的例数见表2,简单计算、复杂计算与控制组比较的脑功能区的激活范围及强度见表3。3讨论3.1epi图像的获取目前,BOLD实验的任务设置主要有两种:组块设计及随机事件设计。组块设计由于其简单、后处理简便及效果较好而被广泛使用。本实验采用组块设计,任务组为简单运算(20以内不退位减法)及复杂计算(二位数退位减法),控制组采用观看屏幕上出现的数字串,并判断奇偶,奇数食指按1键;偶数,则中指按2键。数字串的长度与任务组字符长度相同,要求受试者从左向右看完数字后再进行判断。任务组和对照组交替出现,重复4次,任务组中简单任务和复杂任务的出现随机排列。共获取EPI图像3200幅。笔者认为控制组设置为观看屏幕上出现的等长数字串较以往静息状态观看“+”相比更为合理,以数字串作为控制组,能部分消除任务组在视觉空间上观察数字、比较判断所引起的脑区激活,更能反映计算后脑部的活动区域。3.2复杂计算脑激活的部位本实验在简单及复杂计算任务时主要可见双侧额前区、顶叶、小脑及枕叶的激活(表2,图1、2、5)。组间分析时,简单计算12例受试者可见双侧额前区激活,1例受试者可见右侧额前区激活;复杂计算时13例受试者可见双侧额前区激活,左、右侧额前区的单侧激活各见1例。顶叶在简单计算时可见5例双侧、6例左侧、3例右侧的激活,复杂计算时可见10例双侧、3例左侧、2例右侧的激活。其平均激活图中显示:简单计算中,主要可见双侧顶上、下小叶、双侧额前区激活,另外,右侧中央沟、枕叶及左侧的运动前区亦可见激活;复杂计算中,可见两侧的顶上下小叶、双侧额前区、扣带回的前方及枕叶可见激活,复杂计算时相应脑区的激活面积较简单计算时大。可见额前区和顶叶与计算活动密切相关。前额叶皮质在灵长类发育变大,在人类尤其明显。因此,目前普遍认为,该区与高级精神活动有关。前额叶皮层在计算过程中可能负责计算策略的选择、对计算过程进行排序、监控,并在结果选择时克服错误选项的干扰等,是工作记忆的重要部位。本实验在计算中,先要计算减法结果,进行结果的暂存,然后与结果对比,判断对错,因此需要工作记忆的参与,引起前额区激活。另外,两种计算中还可见小脑、枕叶有较多激活(表2),且在复杂计算时更为明显,与文献报道相符。笔者认为,小脑的主要功能是维持身体的平衡、调节肌张力和协调运动,另外还可能参与运动学习,对学习、记忆和时间等进行调控。枕叶的激活可能主要与受试者的视觉刺激有关,简单计算时,枕叶激活不明显,笔者认为这是以数字奇偶判断作为对照组,因此在后处理时枕叶的激活相对表现不显著;而随着计算难度的加大,受试者计算时视觉停留的时间及紧张度增加,故造成激活强度及范围的增大。本实验中,简单计算的平均脑激活图中未见明显扣带回的激活,但是个体的组间分析中可见3例激活。复杂计算的平均脑激活图中可见有扣带回的激活,组间分析中可见9例激活。作者认为这是因为本实验是以数字作为对照组,简单计算时扣带回的激活在对比过程中被减去了,而复杂计算时由于扣带回的激活强度增大,虽然以数字作为对照减去了部分的激活,但是在最后的结果仍可见有激活。文献认为扣带回是计算的主要部位,笔者认为这是因为其实验设计是以A~I的单一字母作为对照组,所以扣带回的激活相对显著。另外,在计算任务中少数受试者还出现了颞叶、脑干、运动前区、Broca区等部位的激活,仍以复杂计算时明显。笔者认为,计算尤其是复杂计算,是人脑的一个高级思维过程,不同个体之间计算的速度、熟练程度稍有不同,脑内的激活程度、范围也会有所差异。部分被试者在计算时有默念的习惯,造成运动性语言中枢的激活(左侧Broca区)。3.3区、右扣带回简单及复杂计算任务时主要激活的脑区大致相似,因为这两种计算均包括减法的运算、结果的获取及大小对比判断的过程,但是复杂任务时脑激活的面积明显增多,范围更广(图1~5,表3)。简单与复杂计算相比仅在左侧顶下小叶、双侧中央沟区及右侧额叶眶回见少量激活(图3)。复杂与简单计算相比,右侧的顶上下小叶、左侧的顶上小叶、双侧额前区、扣带回的前方、右扣带回的后方及双侧枕叶、小脑、中脑可见激活(图4)。笔者认为这是因为复杂计算任务由于需要进行退位计算,其难度较大所致。如表1所示,复杂计算时正确率为85.37%,低于简单计算96.10%;反应时间为1.87s,长于简单计算1.51s。二者之间均有明显的统计学意义(P<0.05)。由于复杂计算时难度加大,脑部计算时需要更多的功能子系统参与,相关功能区需要动员更多的神经元参与应对复杂任务,因此激活了更多的相关的功能区。由表3可见,复杂计算时各主要激活部位的激活面积均明显大于简单计算,激活强度除右侧顶下区外,均高于简单计算的激活强度。3.4顶叶激活的偏侧性Chochon认为在比较工作中,右侧顶下区和额前区的激活更为重要,而在左侧,乘法任务更为重要,减法任务中双侧均有明显激活,认为顶叶背侧通路是数学计算任务的基础。本实验为减法任务,