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基于MRI及薄层断面解剖数据的人类小脑结构分析

【摘要】:位于颅后窝的小脑,长期以来人们认为其仅参与运动功能,是维持身体平衡、调节肌张力和协调运动的控制中枢。但近二十年来,大量的研究结果显示,小脑的功能不仅仅局限于运动的调节,还广泛的参与认知功能加工,包括感知觉、学习、注意、语言、情绪控制、工作记忆等。 首先,随着功能影像学技术如正电子体层扫描(PET)、功能磁共振(fMRI)等对小脑非运动功能研究的开展以及准确定位小脑损伤部位,深部核团毁损术、电刺激小脑顶核治疗脑部和心血管疾病的功能相关性研究的需要,小脑核团形态、位置的准确区分和定位十分重要。现有的诸多小脑解剖图谱,由于其命名方法各异,各种表述所指代的结构比较混乱,而且其描述多局限于大体解剖,缺乏对小脑深部核团的描述。另外,早期以MRI图像为基础建立的小脑图谱由于受到层厚、图像分辨率低等原因的限制,很多小脑小叶、裂与核团都未做区分。目前,对于MRI图像上观察到的小脑结构,其准确的边界仍难确定,小脑深部核团定位的解剖“金标准”仍然缺乏。 本研究的第一部分,利用数控冷冻铣削和计算机可视化技术,结合高分辨率MRI,成功构建了小脑深部核团的三维模型,为小脑深部核团的功能影像学研究和临床手术立体定位提供了有价值的解剖资料。 其次,来自组织学、影像学以及行为学的研究证实小脑在结构、发育、功能、行为学以及相关的发育性神经精神疾病都存在性别差异。此外,小脑左右半球在功能及结构上也都存在差异,并且受到性别因素的影响。早期组织学和影像学对人类小脑结构性别差异及侧化的研究,由于在数据获取、处理方法等都方面存在一定程度的缺陷,报道的结果差异较大。 本研究的第二部分,首次在小脑标准空间内,利用自动的基于图谱的体积测定法及基于体素的形态测量(VBM)分析了112例大样本MRI数据,提供了中国青年人(18-33岁)小脑灰质体积的正常参考值,及其两性异形和侧化性结果,为理解性别因素对小脑功能的影响,小脑功能的侧化以及相关疾病的研究提供了详实的结构基础。 另外,近十年来,运用复杂网络知识体系对大脑结构或功能网络进行建模及动力学分析,已成为脑科学研究的热门课题。在脑区的尺度上,大量研究利用神经解剖学数据,如结构MRI数据,以及利用弥散张量成像、脑电图、脑磁图、功能磁共振成像等技术来采集数据构建脑网络,并运用复杂网络理论及图论知识进行数据分析。研究发现大脑网络同现实中其他复杂网络类似,具有高度的局部聚类性和较小的全局特征路径长度、节点度的分布服从幂率分布等特征。最近,研究人员通过皮层厚度、体积、表面积等测度的相关性来得到大脑结构连接模式,利用图论分析揭示了其小世界特性以及脑区局部簇的存在,并且在更细节的分析中发现皮层的功能系统和结构网络的模块存在显著的重叠。与我们对大脑结构与功能联系的认识程度相比,小脑内解剖结构与功能区的对应关系的研究仍然在初步阶段。但是,众多对小脑功能的研究发现,小脑内不同功能区的分布与大脑皮质一样丰富和复杂,不同的小脑区域单独或共同完成不同的功能,故我们推测在小脑内部结构之间,通过其复杂的内外连接,可能存在一个类似大脑网络的结构或功能连接模式,并以此来实现小脑的运动功能协调功能以及完成其高级认知功能。对于具有复杂功能和内外连接的小脑来说,其内部结构连接模式及其网络属性的研究还未见报道。 本研究第三部分,利用大样本量的MRI数据,通过测量小脑灰质体积值,分析小脑内部结构连接模式,构建小脑结构网络,证实并分析了其小世界网络属性。小脑结构网络模型的建立,为更加深入理解小脑结构与功能的相互关系提供研究基础。除此之外,我们还利用图论分析结合非参数统计方法,分析了性别因素对小脑结构网络的影响,为深入理解小脑结构及功能的两性异形提供了新的研究视角。 本研究三个部分,摘要如下: 基于薄层断面解剖及MRI数据的小脑深部核团对照及可视化研究 研究目的: 研究薄层断面、标本及活体MRI图像上小脑深部核团的位置分布和形态,并构建国人小脑深部核团三维可视化模型,为小脑功能影像学研究、电刺激核团疗法的功能相关性研究以及核团立体定向手术提供解剖学依据。 研究对象和方法: 选择三具尸体标本,先行以CT与1.5T MRI经前后连合间线扫描,排除器质性病变,选取2例国人成年尸体头部标本,其中1例经明胶包埋和深低温冷冻后,采用铣削精度为0.001mmm的SKC500型数控铣床同样经连合间线制成层厚为0.1mm的连续薄层横断切片,然后对获取的图像进行解剖学观察并择取与齿状核相关的典型断面与活体MRI图像,以及相应标准化后的标本3.0T MRI图像对照。另外选取连续薄层断面数据及高分辨率的标本3DMRI数据中小脑核团相关的图像资料,利用Amira 5.0三维可视化软件,在二维断面上对小脑深部核团进行精确分割后,进行表面以及体积重建。 结果: 1.共获得与小脑相关的薄层断面图像620幅,其中齿状核、顶核、球状核以及栓状核出现的层面数分别约为145、12、25、20幅。 2.在连续横断面上观察到小脑核团出现的位置以及形态,齿状核最大且最先出现,位于最外侧,形似一个向内侧开口的折叠口袋状结构;顶核是最靠内侧的核团,紧邻第四脑室顶的外侧和上蚓前部的内侧面,在中线两侧对称分布;栓状核位齿状核内侧,不易与其区分,核团部分遮盖齿状核门;球状核由多个散在分布灰质团块组成,呈前后向伸长,出现在栓状核与顶核之间区域。 3.成功构建小脑核团的三维可视化模型,重建的结果能够清晰显示具有伪彩的小脑深部核团结构与周围未分割的真彩色的结构间的解剖毗邻关系。 结论: 本研究首次利用数控冷冻铣削和计算机三维可视化技术,结合高分辨率MRI,成功构建了中国人小脑深部核团的三维模型。连续薄层横断面,MRI数据及三维可视化模型能够较好的显示小脑深部核团的位置、形态以及与周围小脑结构的毗邻关系,为小脑深部核团的功能影像学研究和核团的立体定位提供了解剖学基础。 基于MRI数据分析人类小脑结构的性别差异及侧化 研究目的: 本研究利用大样本正常年轻中国人脑部高场强MRI数据,在小脑标准空间内,利用的全自动图像处理方法获取正常人小脑灰质体积的正常参考值,并分析小脑灰质整体和局部结构的性别差异、侧化、以及两者的交互作用。 研究对象和方法: 3.0TMRI获取112例年龄在18-33岁,年轻男女性的高分辨T1WI小脑数据,首先利用基于图谱的自动体积测定法获取了正常国人小脑灰质体积的正常参考值,然后在非偏倚小脑空间内,结合优化的基于体素形态测定法VBM (optimized voxel-based morphometry)分析小脑结构的性别差异。结果显示两种测量方法在分析性别差异上大体一致。最后,利用自定义的小脑灰质对称模板,分析了小脑半球的侧化及其与性别差异的交互作用。 结果: 1.整体上,男性小脑的绝对灰质体积值显著大于女性,但考虑男女性整脑差异后,两性小脑相对体积的差别不显著。 2.局部结果显示男性小脑前叶及后叶中部体积明显大于女性,包括:左侧V小叶、左侧袢状小叶CrusⅡ、左侧及右侧后叶Ⅷb小叶、小脑蚓CrusⅡ小叶。女性小脑后叶外侧的右侧CrusⅡ和左侧Ⅸ小叶大于男性。 3.小脑侧化性分析结果发现,小脑半球右侧明显大于左侧,但是小脑后叶外侧CrusⅡ小叶女性大于男性。 4.此外,性别因素对小脑结构对称性的影响,结果分析显示:男性相对于女性,在多个小叶表现出散在的左侧半球相对较大,在CrusⅡ小叶显示右侧较大。 结论: 本研究首次在小脑标准空间内,利用自动的基于图谱的体积测定法及基于体素的形态测量(VBM)分析了112例大样本MRI数据,提供了中国青年人(18-33岁)小脑灰质体积的正常参考值,及其两性异形和侧化性结果,为小脑功能及相关疾病的研究提供了详实的结构基础。 基于图论分析小脑结构网络及其性别差异研究 研究目的: 利用大样本量的MRI结构数据,通过测量小脑灰质体积值,分析小脑内部结构连接模式,以此构建小脑结构网络并分析其是否具有小世界网络属性。另外利用图论及非参数统计方法,研究了性别因素对男女性小脑结构网络的影响。研究对象和方法: 本研究利用3.0Tesla MRI获取112例年龄在18-33岁,年轻男女性的高分辨T1WI数据。采用基于图谱的自动体积测定法得到,包括小脑半球及蚓部在内的28个局部灰质结构的体积值。通过计算人群内,两两结构之间的Pearson相关系数的绝对值,利用控制多重检测错误的发现比率(false discovery rate, FDR)方法对相关系数矩阵取阈值,构建小脑结构二值化网络。然后利用图论分析方法,计算其网络测度,并验证构建的小脑结构网络是否具有小世界网络性质。最后,进一步对其网络属性进行分析,包括连接度及其分布类型,中枢节点区域。此外,通过基于形态学量度建立网络的方法,分别构建了男女性小脑的结构网络。利用非参数统计的方法,评估了性别因素对小脑结构网络属性的影响。 结果: 1.研究发现,在大尺度范围上构建的小脑结构网络具有小世界网络特征性的较高集聚系数和较短的特征路径长度,小脑结构网络的小世界属性测度值为:Cpreal=0.47, Lpreal=1.85。 2.分析其他网络属性发现,网络连接度的分布符合指数截断幂律分布;利用计算网络的平均度及标准化介数定义了9个小脑结构网络的中枢区域,这些结构分布在小脑不同的功能区内。 3.男性与女性小脑结构网络表现出类似的全局效能,另外较之男性,女性表现出较高的局部效能(高集聚系数),表明男女性小脑结构表现出类似的功能,但是功能区的分布男女性存在差异。 4.在稀疏度为21%是对两组小脑结构网络的节点介数进行差异分析,显著性差异的节点区域为:女性男性,左侧V和右侧VI;男性大于女性,蚓部CrusⅡ、右侧CrusⅡ、蚓部X小叶;男女性小脑网络的中枢节点区域分布在不同的小脑结构上。 结论: 本研究首次利用大样本MRI数据,成功构建了小脑结构网络,证实其具有小世界网络性质,详细分析了其网络属性,并且利用图论分析方法评估了性别差异对小脑结构网络的影响,为深入理解正常和疾病状态小脑结构与功能的联系提供了新的研究视角及结构基础。

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