任务态下注意网络执行功能的磁共振成像研究

任务态下注意网络执行功能的磁共振成像研究

随着对大脑功能的深入研究，越来越多的研究人员认为eeg是一个网络化的组织，并提出了计算脑网之间效应连接的方法。其中,结构方程模型(structuralequationmodeling,SEM)是将皮层的信息加工过程建模为由一个区域A指向另一个区域B的连接;动态因果模型(dynamiccausalmodeling,DCM)则考查一个神经区域的激活是否通过连接导致其他神经区域激活水平的变化,同时通过自连接改变自己的激活水平。这些方法都需要假设考查的两个区域之间存在影响。这种预先假设的模型在验证一些有关大脑系统之间的连接假设时是起作用的,但如果出现了对模型的错误假定,就会导致错误的结论。Granger因果分析(GrangerCausalityAnalysisGCA)可以确定不同脑区之间的连接性和连接的方向,其原理为:如果一个时间序列A导致或影响时间序列B,那么使用A的信息就可以预测B的值。Granger因果关系早期被用于分析不同频段脑电信号的因果关系[5~7]。近年来有学者将该方法与fMRI技术相结合探讨不同脑区之间的相互作用、相互影响[8~10]。注意网络理论是Posner等提出的,他认为注意网络由警觉(alerting)、定向(orienting)、执行(executive)功能3个子模块构成。Fan于2002年设计出一个研究范式用于同时考查注意网络的3个子系统,并被应用于注意网络的研究[13~15]。目前研究认为,警觉是指维持大脑的灵敏状态以接受信息的传入,定向是指从传入的感觉中选择信息,执行控制是指解决反应中的冲突。目前注意网络已被应用于多种疾病的研究,比如注意缺陷多动障碍(attentiondeficithyperactivitydisorder,ADHD)、老年痴呆症(Alzheimer’sdisease,AD)、高血压(hypertension)等。我们以往的实验考查了高温下注意网络的变化,发现仅在执行子系统的反应存在差异,而执行系统的涉及脑区包括前扣带回、背外侧前额叶皮质、右顶上小叶、右顶下小叶。Posner等的理论认为,执行功能并不单一依赖于前扣带回,而是有赖于多个脑区间的神经网络联系,相互协作完成。MacDonald等人通过任务切换方式的Stroop任务进行fMRI分析得到与其他学者相似的结论:前扣带回主要功能为发现冲突而背外侧前额叶主要功能为解决冲突[22~24]。综合文献和我们的研究结果,我们认为执行子系统在注意网络中是容易受到外界因素影响的,而这个子系统是由几个脑区共同组成的,这几个脑区之间的关系对理解执行子系统的构成和功能划分有一定的意义,我们采用Granger因果分析方法对注意网络的执行子系统进行研究,对执行系统的激活部位进行效应连通性和前后影响的因果关系进行分析,探讨前扣带回、背外侧前额叶皮质、右顶上小叶、右顶下小叶在执行网络中的相互关系。1数据和方法1.1实验总结和告知方案被试者选用15例(男性8例,女7例)健康受试者,年龄21~30岁,平均年龄(25.2±2.8)岁。视力或矫正视力正常,之前均未参加过类似实验且没有长期服用影响中枢神经系统药物史。被试者实验前均被详细告知实验内容并取得书面知情同意。要求被试者参加实验前24h内避免剧烈运动。1.2方法1.2.1扫描参数及扫描机理功能磁共振(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)扫描参数:使用GE1.5THD磁共振成像系统(GeneralElectric,Milwaukee,Wisconsin)进行扫描,采用8通道相控阵线圈。1.2.2tionnet犯罪率ant采用Fan等人设计的注意网络实验范式(attentionnetworktest,ANT)。刺激流程如图1。通过实验设计可以计算注意网络,其执行网络的计算方法如下:执行网络=箭头不一致-箭头一致1.3数据分析1.3.1fmri数据分析我们使用SPM8(statisticalparametricmapping8,SPM8)分析软件对从实验中获取的fMRI数据进行数据预处理和统计参数分析。统计阈值概率设定为P<0.05,激活范围阈值设定为25个体素(图2),见表1。1.3.2roi时间序列本研究中,在已激活区域选取与激活区峰值点相邻的85个体素做为兴趣区(regionsofinterest,ROI),分别设定前扣带回为ROI1、背外侧前额叶皮质为ROI2、右顶上小叶ROI3、右顶下小叶为ROI4(图3),一个ROI内时间序列为参考函数时间序列x(t),另一个时间序列为y(t),采用1阶向量自回归(vectorautoregressive,VAR)模型,我们用系数的方法分别计算每2个ROI的Fx2y和Fy2x。其值正值表示从x(t)到y(t)的影响,负值表示从x(t)到y(t)的影响。1.3.3统计学处理利用SPSS18.0软件对数据结果进行统计分析,把Fx2y和Fy2x的结果分别进行单样本T检验,定义P<0.05为具有统计学意义。2结果2.1mr扫描过程数据15例受试者注意网络任务的正确率为(92.6±14.0)%,大于85%。2例被试数据因MR扫描过程中,头动大于0.5mm或转动大于0.5°而被舍弃。最终采用13例被试数据进行分析。2.2系统的规模效应MRI结果显示参与执行功能的脑区主要包括前扣带回、背外侧前额叶皮质、右顶上小叶和右顶下小叶。2.3系统格林威治分析的结果对选取的ROI进行Granger因果分析,见表2(图4)。3运行结果分析执行子系统的激活脑区位于前扣带回、背外侧前额叶皮质、右顶上小叶、右顶下小叶,这与文献报道的执行子系统的定位脑区基本一致。本实验的行为学结果正确率为(92.6±14.0)%证实我们的fMRI结果是可靠的。Silton等人采用情绪字Stroop任务和颜色字Stroop任务实验范式,并利用脑电结合fMRI的方法,研究发现额叶的激活先于顶上小叶。在我们的研究中也发现了这一现象,这表明Granger因果分析方法可以应用于ANT实验脑功能连接的研究。本研究利用Granger因果分析对注意网络中执行功能的激活脑区进行研究,结果表明:在执行注意网络任务时前扣带回首先激活然后背外侧前额叶、顶上小叶、顶下小叶依次激活。这说明前扣带回可能为首先发现冲突的脑区,而背外侧前额叶、右顶上小叶、右顶下小叶为解决冲突的脑区。Posner认为,执行功能并不单一依赖于前扣带回,而是有赖于多个脑区间的神经网络联系,相互协作完成;而脑区的作用并不是均等的,可能存在某一脑区的激活优先于另一脑区的现象。MacDonald等人[22~24]的研究也认为前扣带回主要功能为发现冲突而背外侧前额叶主要功能为解决冲突。本研究的结果支持上述前扣带回主要功能为发现冲突而背外侧前额叶主要功能为解决冲突的理论;同时,我们的研究首次发现了执行功能所涉及的脑区存在一个由背外侧前额叶、右顶上小叶、右顶下小叶所形成的单向回路。该单向回路的激活时间顺序从背外侧前额叶到右顶上小叶再到右顶下小叶最后回到背外侧前额叶。这个其单向环路的发现提示顶叶也参与了执行功能并且可能对背外侧额叶有反馈作用。有的研究发现前扣带回在时间上晚于背侧前额叶。Markela-Lerenc等人利用脑电实验对真假颜色字Stroop任务的结果进行分析,认为前扣带回负责控制而背外侧前额叶对其具有调节的作用,前扣带回活动时间晚于背外侧前额叶并在出现时间上存在交集。我们认为结果存在差异的原因是因为实验范式和研究方法不同。脑电分析的缺陷是空间分辨率很低,而我们的实验范式在保证了fMRI较高的空间分辨率的同时,也保证了时间分辨率。同时脑电既不能准确反映脑区上的激活也很难处理神经元不同步的现象,而诸如此类问题利用fMRI和Granger因果分析的方法可以得到很好的解决。本研究首先利用fMRI确定了执行功能的实际的激活区域,然后对每个激活区进行Granger因果分析,相比其他脑功能效应连接分析方法而言,我们无需事先假设不同脑区之间存在解剖或功能上连接性,同时选取激活位置做为ROI比手工画取ROI更具有准确性,分析时考虑了所有变量之间的相互影响,更为立体地体现了两个ROI之间的因果关系,能更准确地反映功能脑区的连接方式。通过Granger因果分析的方法计算执行网络中前扣带回与其他脑区的关系在认知研究中有着重要的作用,可以