【摘要】：丘腦及其與大腦皮層廣泛連接而形成的丘腦皮層環(huán)路在感覺運動和高階認知功能中扮演關鍵角色。又由于其與多種神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)(如多巴胺、谷氨酸)存在相互作用,丘腦及其相關的回路在大腦疾病(如癲癇和精神分裂癥等)的理論中也占有重要地位。因此,對此回路的研究,有助于了解人類各種認知能力的解剖基礎以及各種相關疾病的病理學機制。神經(jīng)生理學的研究表明,此環(huán)路主要依托于丘腦皮層白質(zhì)纖維輻射傳導信息。隨著磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)的腦部成像序列的進步以及數(shù)據(jù)分析方法的發(fā)展,使得無創(chuàng)地研究丘腦皮層回路成為了可能。本論文主要使用彌散磁共振成像(diffusion MRI,dMRI)構建丘腦皮層連接通路,并探索其與認知及疾病的關系。本文各項工作總結如下:首先,我們回顧使用MRI數(shù)據(jù)構建丘腦皮層回路的數(shù)種經(jīng)典手段,對比了通過細分考察丘腦皮層回路的各個方法,提出了丘腦皮層回路構建的基本框架,創(chuàng)新性地結合了dMRI和靜息態(tài)功能磁共振(functional MRI,fMRI)的優(yōu)勢,分別使用兩種多模態(tài)融合的方法,實現(xiàn)了對特定被試群組丘腦的分割以及相應回路的構建;并使用結構調(diào)制功能連接的方法構建了丘腦皮層功能回路,探討了其神經(jīng)生理意義。隨后,由于丘腦與感覺運動皮層的結構連接參與運動功能,我們推測,此連接的空間模式可能與頭皮腦電的信號有關聯(lián),也可能是腦電信息個體差異的根源。因此,我們將體感運動皮層細分,創(chuàng)新性地聚焦皮層腦溝腦回尺度,在考察丘腦皮層回路對運動功能作用的同時,探索了此回路通過白質(zhì)連接投射在大腦皮層的空間分布模式和對腦電信號的潛在影響。簡要地說,基于個體的高分辨率解剖圖像,我們將個體的體感運動皮層劃分為腦溝和腦回兩大部分。使用基于dMRI的白質(zhì)纖維束示蹤的方法,構建了基底節(jié)-丘腦-體感運動皮層的白質(zhì)通路。通過考察上述通路在腦回和腦溝上的白質(zhì)連接強度的比值,首次提出了丘腦白質(zhì)連接強度“回溝比”這一指標。這一指標能夠反映出此白質(zhì)通路與皮層連接強度的空間分布模式。通過結合相關分析和支持向量回歸的方法,我們發(fā)現(xiàn)白質(zhì)連接特征與EEG指標存在顯著的相關性,且白質(zhì)連接特征的結合能夠?qū)CI的正確率進行預測。本研究揭示了丘腦皮層白質(zhì)通路與運動想象誘發(fā)的腦電信號之間的聯(lián)系。同時,此研究的結論體現(xiàn)出皮層的細分對丘腦皮層白質(zhì)連接回路考察的重要性。最后,我們使用了新的手段,分別采取純數(shù)據(jù)驅(qū)動和目標驅(qū)動兩種方法,構建了丘腦皮層回路的各個子成份,并考察了此回路在兩種疾病模型(精神分裂癥和全面特發(fā)性癲癇)上的特異改變。具體來說,一方面,由于精神分裂癥患者伴隨有全腦彌漫性的連接改變,且無明晰的病理模型,因此我們采用了數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法,規(guī)避了人為的干預,通過結合結構和功能連接的信息,基于精神分裂癥患者及相應對照組的MRI數(shù)據(jù),將丘腦分為了左右對稱的6個子區(qū)。通過丘腦子區(qū)尺度的功能連接分析,我們發(fā)現(xiàn)上前丘腦-感覺運動、腹內(nèi)丘腦-前扣帶和上前丘腦-小腦的功能連接在患者組存在顯著改變。且連接的改變與臨床量表的評估存在顯著的相關性�；颊呓M功能連接發(fā)生改變的丘腦子區(qū)被定位于丘腦的內(nèi)側背核和腹側核。這些發(fā)現(xiàn)揭示出精神分裂癥患者丘腦皮層回路功能連接的改變可能來自丘腦內(nèi)不同的核團,并且提示了小腦-丘腦-皮層回路可能是研究精神分裂癥患者病理學機制的關鍵通路。另一方面,由于小腦和基底節(jié)通過丘腦的中繼對皮層進行調(diào)制,形成了丘腦皮層投射回路的重要組成部分。此回路對癲癇的發(fā)作及傳播起重要作用。但在全面特發(fā)性癲癇患者中,小腦和基底節(jié)對于此回路的調(diào)節(jié)作用尚未被完全了解。因此,我們采用了目標驅(qū)動的方法,基于dMRI數(shù)據(jù)獲取小腦和基底節(jié)在丘腦內(nèi)部的投射子區(qū)域,并將丘腦皮層回路拆分為基底節(jié)丘腦皮層回路(Basal ganglia-thalamocortical,BTC)和小腦丘腦皮層回路(Cerebellum-thalamocortical,CTC)兩個子部分。隨后,在癲癇患者中考察了BTC和CTC兩條回路功能和結構連接的改變。本研究結果展示了兩種丘腦皮層回路對癲癇患者感覺運動和認知系統(tǒng)的協(xié)同作用,為了解基底節(jié)和小腦在丘腦皮層回路中的作用提供了新的線索,這可能有助于理解癲癇患者的病理機制和臨床表現(xiàn)之間的關系。綜上所述,通過本研究,我們探討了使用MRI特別是dMRI對丘腦皮層回路進行構建的手段,對比了各種基于連接的丘腦分割方法,提出了對此回路研究的具體方案。通過應用細分手段,在皮層端,探索了丘腦皮層白質(zhì)連接空間模式的個體差異,以及此空間模式對腦電信號的影響;在丘腦端,定位了精神分裂癥患者以及癲癇患者發(fā)生病理改變的丘腦子區(qū),揭示了丘腦不同子區(qū)與皮層連接改變的特異性。本論文的研究過程為精細化地考察丘腦皮層環(huán)路在認知過程以及病理狀態(tài)下的作用提供了創(chuàng)新性的思路,本論文的結果結論為探究認知過程,特別是運動相關認知過程的起源、精神及神經(jīng)疾病的病理機制提供了更多的信息。此外,本論文中的各項研究均從影像學的角度提供了證據(jù)支持丘腦皮層回路是支持大腦高級認知功能以及參與疾病病理過程的核心通路。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN911.7;R445.2

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