脑磁共振成像fmri在神经外科领域的应用

脑磁共振成像fmri在神经外科领域的应用

根据血液中的血氧化性依赖（bod），功能磁共振成像（mri）已广泛应用于脑科学、认知和心理学的临床和基础研究。该技术具有无创伤性、无放射性、可重复性、较高的时间和空间分辨率,并可准确定位脑功能区等特点,为脑神经科学提供了广阔的应用前景。经典的fMRI研究的是任务相关的脑激活,即在特定的实验任务条件下对大脑的活动进行分析,研究中所显示的脑激活信号就是由任务状态与无任务的对照状态相减后得到,反映了与任务相关的局部脑神经细胞活动,无任务的静息态定义为对照状态。而近来的研究表明,将静息态与任务反减,即静息状态减去任务数据也会有脑活动信号,称为去激活(deactivation)。大量研究发现即使在清醒闭眼的静息状态下人脑也存在着大量自发的神经元活动,并且这些自发活动具有较强的低频同步性,这些神经元活动分为两类:任务依赖(task-dependent)的和非任务依赖(task-independent),前者与特定的任务密切相关,其活动脑区根据任务种类不同而异,后者则与研究的任务没有密切关系,不同任务导致的去激活脑区基本一致。任务依赖型和非任务依赖型去激活的产生原理类似,但两者的生理意义有较大的不同,前者仅在特定的任务状态时出现,后者在通常定义的静息状态时就存在有组织的代谢活动,但在某些任务状态时却会降低。Raichle等提出人脑默认活动网络(defaultmodenetwork,DMN),该网络的重要特性是在无任务的清醒、静息状态时就存在主动性活动,执行外在的认知任务时,该网络的活动受到抑制,活动水平下降,去激活程度随认知任务的难度提高而增大。利用fMRI功能连接分析发现:扣带回后部皮层、楔前叶、前额叶内侧皮层脑区静息态BOLD信号波动表现出较高的时间相关性。之后大量研究进一步补充、验证该假说,发现了与上述研究结果一致的去激活脑区:扣带回后部皮层、楔前叶、前额叶内侧皮层,并证实了DMN脑区在任务态与静息态下均具有功能连接,DMN功能连接的紊乱可能会导致其所执行的功能出现紊乱。基于任务无关去激活现象,研究人员提出了资源重分配的假说,该假说认为是外在任务引起的脑内处理资源的重分配导致了去激活的出现,出现任务无关去激活的脑区在静息状态下是活跃的,它们共同构成了一个网络,这个网络维持着人脑在静息状态下的认知功能,包括对外在环境、身体形象和状态的注意、情感处理,还包括在静息状态下可能正在进行的内在的“思考”。这些“思考”过程通常是自发开始和自参考的,并且与特定的外在任务需求无关。当大脑从事外在任务时,这些有组织的进程受到干扰或被打断,相关区域的处理资源供应就会减少,转移到与外在任务相关的区域,此时处理资源减少的区域就会表现为去激活,增加的区域则表现为激活。1静息态功能网络的功能激活研究对于任务相关的脑功能成像的数据处理,最常用的研究方法是模型驱动法,此类方法多采取两种不同的状态(任务与静息)间脑区活动信号的差值确定激活区,一般意义上的激活信号即为任务减去静息状态所得的信号,它反映了与任务相关的局部脑神经细胞活动。另外一种处理方法是将静息状态减去任务状态的数据,也可得到激活信号,它反映了大脑在无任务时仍然存在相关的活动。但对于静息状态脑网络的研究多采用功能连接的方法来测量功能脑区之间的关系。功能连接定义为两个空间上远离的脑区之间的时域相关性。首先选择脑区中的一个或若干个体素作为“种子”体素,然后把大脑中的所有其他体素的时间序列与“种子”体素的时间序列作互相关,最后返回空间点得到功能连接图。利用这个方法,如有脑区与“种子”脑区显示出高度时域一致性,则认为这些脑区与“种子”脑区共同构成了一个与大脑某种功能有关的网络。静息态下,大脑神经元活动伴随着脑血流的增加,局部脑血流的增加改变了血氧水平,进而改变了fMRI过程中BOLD信号。大脑神经元的自发活动在大脑功能连接的区域存在同步的低频振荡,表现出高度的时间一致性。因此可以根据功能区域时间过程的相关性来研究脑区的功能连接。利用静息脑功能成像还可以研究不同脑区之间的功能相关性(functionalconnectivity),利用功能相关分析,可以测量各个脑区与被研究区的相关系数,与其他脑区显示不正常功能相关连接的脑区其自己本身并不一定不正常,利用不同的方法研究阿尔茨海默病(Alzheimerdisease,AD)、注意缺陷多动症、精神分裂症和老年抑郁等患者的静息态默认功能网络的活动特点发现这些患者存在异常的默认功能网络。1.1ADAD的静息态脑功能改变是目前临床研究较为集中的领域,记忆功能损伤和高级认知功能的逐渐下降是AD患者最初的临床表现,而颞叶内侧,特别是海马,是人脑记忆功能的中枢,也是AD早期静息状态代谢活动减弱的区域之一。Greicius等研究结果表明,AD患者的静息状态网络的活动低于健康的老年人,海马作为这个网络的重要组成部分,对了解AD病情的发展具有重要的作用。Greicius等,Lustig等及Rombouts等在有关AD去激活的脑功能成像研究中均发现,轻度认知障碍或AD扣带回后部和邻近楔前叶的去激活减少或消失,扣带回后部皮层及邻近的楔前叶的异常改变可作为敏感且特异的诊断AD的指标。联合利用fMRI和正电子断层扫描(positionemissiontomography,PET)研究发现,在AD患者这一默认功能网络的脑区出现淀粉样物质的沉积,AD进展的早期阶段,扣带回后部和邻近楔前叶即可出现明显的萎缩及代谢异常,提示这些静息态高代谢的部位是AD患者最容易受累的部位。Wang等发现AD患者左、右侧海马与其他脑区的功能连接存在异常,而且正常人海马功能连接的双侧不对称现象在AD患者中消失。1.2老年抑郁症有研究表明静息态下抑郁症患者存在默认状态网络的异常。MRI研究表明精神压抑、精神失调患者中出现某些脑区的不正常激活。激活减弱脑区主要表现在脑皮层区,包括后侧前额叶皮质和前扣带皮层。但是边缘区的脑激活反而增加,如丘脑内侧、纹状体、扁桃体;Anand等发现抑郁症患者前扣带回与边缘系统(杏仁核、苍白球和丘脑)间功能连接降低,与正常对照者比较,抑郁症患者双侧前额中部与楔前叶、双侧后扣带回与前额中部、右后扣带回与楔前叶、双侧前扣带回腹侧与前额中部的功能连接减低,静息态下抑郁症患者默认状态网络内脑区间的连接效能存在异常。Yuan等研究发现抑郁症患者与健康人相比,其额叶、颞叶和顶叶功能区的激活降低,而扣带回和丘脑功能区的激活增强。也有研究认为静息态下抑郁症患者前额中部代谢增强。抑郁症患者前额中部的代谢异常可能会表现为前额中部与楔前叶、后扣带回、前扣带回腹侧之间的功能连接异常,静息态下这种功能协调性的紊乱可能与抑郁症患者具有持续的情绪负担、情感整合异常等症状特征密切相关,静息态下抑郁症默认状态网络的连接效能降低、协调性紊乱。1.3精神分裂症在精神分裂症、焦虑症等精神疾病的研究中已显示,患者DMN的功能连接存在异常。精神分裂症患者两侧海马与其他脑区如后扣带皮层、视皮层、中侧前额叶皮质和海马旁回的功能连接减少,而这些脑区与事件记忆和情景记忆有关。海马与其他脑区的功能连接表明海马在记忆尤其是时间记忆中起重要作用。穹窿是连接海马和其他功能脑区的最主要的通道,这些神经细胞通过视丘下部通向海马区。穹窿神经细胞受到损伤毫无疑问会导致海马与其他脑区间的结构连接。Garrity等发现精神分裂症患者默认网络的高频部分相对于正常人存在异常;Liang等发现精神分裂症患者全脑范围内皮层间的功能连接相对于正常人显著降低,与小脑有关的功能连接显著增加。1.4儿童注意缺陷多动障碍(attentiondeficithyperactivitydisorder,ADHD)ADHD表现为脑部某些特定功能区比正常对照组体积缩小,包括前额叶、尾叶、小脑、小脑蚓部。Tian等在注意缺陷多动障碍儿童的fMRI研究中发现背外侧前扣带回(DACC)与其他脑区的功能连接显著增强。ADHD的fMRI研究表明ADHD患者前额叶较正常儿童功能低下。Schulz等发现ADHD患者左上扣带皮层的脑激活明显增强,而Tamm等用相同的激活任务发现其右上扣带皮层的激活减弱。2静息态认同功能网络任务相关的fMRI脑功能成像研究以无任务的静息状态作为对照进行研究,所定义的脑功能活动是任务状态与无任务的静息状态相减所得。而近来研究发现,大脑在没有任务