【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(yùn)動(dòng)和高階認(rèn)知功能中扮演關(guān)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(guān)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(rèn)知能力的解剖基礎(chǔ)以及各種相關(guān)疾病的病理學(xué)機(jī)制。神經(jīng)生理學(xué)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(dǎo)信息。隨著磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)的腦部成像序列的進(jìn)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(gòu)建丘腦皮層連接通路,并探索其與認(rèn)知及疾病的關(guān)系。本文各項(xiàng)工作總結(jié)如下:首先,我們回顧使用MRI數(shù)據(jù)構(gòu)建丘腦皮層回路的數(shù)種經(jīng)典手段,對比了通過細(xì)分考察丘腦皮層回路的各個(gè)方法,提出了丘腦皮層回路構(gòu)建的基本框架,創(chuàng)新性地結(jié)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(shí)現(xiàn)了對特定被試群組丘腦的分割以及相應(yīng)回路的構(gòu)建;并使用結(jié)構(gòu)調(diào)制功能連接的方法構(gòu)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(yùn)動(dòng)皮層的結(jié)構(gòu)連接參與運(yùn)動(dòng)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(guān)聯(lián),也可能是腦電信息個(gè)體差異的根源。因此,我們將體感運(yùn)動(dòng)皮層細(xì)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(yùn)動(dòng)功能作用的同時(shí),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(gè)體的高分辨率解剖圖像,我們將個(gè)體的體感運(yùn)動(dòng)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(gòu)建了基底節(jié)-丘腦-體感運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度的比值,首次提出了丘腦白質(zhì)連接強(qiáng)度“回溝比”這一指標(biāo)。這一指標(biāo)能夠反映出此白質(zhì)通路與皮層連接強(qiáng)度的空間分布模式。通過結(jié)合相關(guān)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(biāo)存在顯著的相關(guān)性,且白質(zhì)連接特征的結(jié)合能夠?qū)CI的正確率進(jìn)行預(yù)測。本研究揭示了丘腦皮層白質(zhì)通路與運(yùn)動(dòng)想象誘發(fā)的腦電信號之間的聯(lián)系。同時(shí),此研究的結(jié)論體現(xiàn)出皮層的細(xì)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(dòng)和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)兩種方法,構(gòu)建了丘腦皮層回路的各個(gè)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(dòng)的方法,規(guī)避了人為的干預(yù),通過結(jié)合結(jié)構(gòu)和功能連接的信息,基于精神分裂癥患者及相應(yīng)對照組的MRI數(shù)據(jù),將丘腦分為了左右對稱的6個(gè)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(yùn)動(dòng)、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(guān)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(cè)背核和腹側(cè)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(tuán),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(xué)機(jī)制的關(guān)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(jìn)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(biāo)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jié)構(gòu)連接的改變。本研究結(jié)果展示了兩種丘腦皮層回路對癲癇患者感覺運(yùn)動(dòng)和認(rèn)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(jī)制和臨床表現(xiàn)之間的關(guān)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(jìn)行構(gòu)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(yīng)用細(xì)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(gè)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(xì)化地考察丘腦皮層環(huán)路在認(rèn)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(jié)果結(jié)論為探究認(rèn)知過程,特別是運(yùn)動(dòng)相關(guān)認(rèn)知過程的起源、精神及神經(jīng)疾病的病理機(jī)制提供了更多的信息。此外,本論文中的各項(xiàng)研究均從影像學(xué)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(rèn)知功能以及參與疾病病理過程的核心通路。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN911.7;R445.2

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本文編號：2660316