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基于功能磁共振成像的脑功能网络模式研究与应用

【摘要】: 大脑是自然界最复杂的信息处理系统,它通过不断地组织和重塑功能连接来实现一系列的复杂功能。本文以功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)实验数据集为研究对象,从功能整合角度研究了脑功能的某些内部组织机制,考察了病理条件下大脑网络异常,探索合适的数据分析方法来深入研究脑功能网络,并为精神分裂症发病机理研究及判别标准提供有参考价值的结果。本文工作可以归纳为以下四方面: 以口香糖咀嚼运动为实验范式,研究脑功能网络的基本特点。本文采用激活区检测和复杂网络理论,探索口香糖咀嚼运动脑功能网络中信息处理与传递机制。通过标记咀嚼任务中显著激活的体素,构建脑功能网络,证实了该网络具有小世界特性和无标度特性。通过进一步分析网络中心化和社团结构发现:1)具有网络集线器功能的节点位于大脑感觉皮层和运动皮层区域;2)最大介值的节点,即信息传递最短路径上的关键节点,位于丘脑和豆状核;3)除了有与运动和节律有关的中央回、小脑、豆状核等功能社团外,还有与认知功能相关的脑岛、额叶等脑区的功能社团参与了咀嚼运动。据此推断,口香糖咀嚼运动主要是通过大脑皮层-丘脑-小脑的神经回路来完成相应的信息处理和传递。 研究纯静息状态下人脑功能网络特点。本文采用复杂网络方法进行建模,考察纯静息状态下脑功能网络结构和拓扑特性。研究结果表明,该静息网络不仅具有小世界特性,而且具有无标度特性。通过计算网络中心化指标,我们还发现楔前叶和扣带回不仅和许多节点存在广泛连接,而且在节点间最短路径中处于枢纽地位。此外,本文还引入概率混合模型分析网络社团结构,得到了10个相关的子网络,其中包含视觉系统、听觉系统、运动系统、默认网络以及与执行和工作记忆相关的脑区。因此,我们认为静息状态脑功能网络是由这些相对独立又彼此关联的子网络组成,其中楔前叶和扣带回作为网络的关键节点,在信息传递中占据重要地位。 采用相应脑网络分析手段,分别考察了以阴性和阳性症状为主两类精神分裂症脑功能非对称性和相应的网络拓扑特性。从功能连接角度,研究了阴性和阳性精神分裂症患者脑功能非对称性方面的差异。首先构造出额叶背外侧、颞上回、颞中回和海马相关功能连接映射图,然后提出一种新的组内和组间功能非对称分析方法,以检测阳性组、阴性组和正常组之间的差异,由此发现阳性组显著左偏而阴性组显著右偏,并且额叶、颞叶、扣带回和右侧楔前叶的不对称强度与PANSS(Positive and Negative Syndrome Scale,阳性症状与阴性症状评定量表)中症状打分存在显著相关性。另外,本文还从整体角度,采用复杂网络模型,研究了阴性和阳性精神分裂症患者脑功能网络拓扑差异。发现三组被试在静息状态下脑功能网络都具有小世界特性。与正常组相比,阴性组和阳性组静息状态脑功能网络的小世界特性均有所下降,其中阴性组比阳性组下降更多。这些研究结果证实精神分裂症患者脑功能网络的结构发生了变化,并且阴性与阳性精神分裂症存在不同脑功能网络拓扑结构,表明阴性和阳性精神分裂症可能具有不同神经生物学基础。 结合功能磁共振成像和弥散张量成像(Diffusion tensor imaging, DTI)研究功能连接与结构连接的关系,并结合一组早发性精神分裂症的实验数据,提出由DTI分析结果来定位功能连接感兴趣区域的新思路。本文先利用DTI数据计算出每个被试的各向异性(fractional anisotropy, FA)图像,引用拟优化体素形态学方法构造出白质模板,由此对FA图像进行归一化。然后提取FA异常脑区对应的灰质区域,构造功能连接映射图,以考察早发性精神分裂症患者在静息状态下脑网络的功能连接性。研究结果表明,在早发性精神分裂症中同时存在结构和功能异常,该研究结果支持白质受损可能破坏额叶到其他脑区的神经回路,同时也影响额叶内部皮层之间功能连接的结论。

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