1 緒論

1.1 功能磁共振研究簡介
神經(jīng)元內(nèi)部并無糖和氧氣儲(chǔ)存著作為能量使用，因此神經(jīng)元的放電需要從外界迅速的輸入能量來保證正常運(yùn)作。通過血液輸入的氧氣會(huì)大于神經(jīng)元所需要的，從而會(huì)使得氧合血紅蛋白升高，去氧血紅蛋白相對(duì)減少。氧合血紅蛋白為逆磁性物質(zhì)，而去氧血紅蛋白為順磁性物質(zhì)。在 1990 年，Ogawa 的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了三篇文章，說明血紅蛋白的兩種形式：氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白均可以通過磁共振機(jī)器測(cè)得。因此，通過磁共振測(cè)量氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白，，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)腦活動(dòng)（思考，行動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)）的間接探測(cè)。

1.2意識(shí)的神經(jīng)科學(xué)簡介

另外還有一些研究也表明，通過功能磁共振(Monti etal., 2010)或者腦電圖(Cruse et al., 2012)，能發(fā)現(xiàn)大約有 16–19%被診斷為植物人的病人，能通過感覺語言命令來改變他們的腦活動(dòng)，預(yù)示著這些病人可能存在一定的意識(shí)水平。因此，這些技術(shù)和任務(wù)的使用，將有助于發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)行為測(cè)量所不能探測(cè)到的意識(shí)狀態(tài)水平(Giacino, Kalmar, & Whyte, 2004; Shiel et al., 2000;Wijdicks, Bamlet, Maramattom, Manno, & McClelland, 2005)。然而，一些因素比如生理狀態(tài)的起伏，認(rèn)知功能的損傷或者聽從命令能力的減弱都可能因?yàn)槟X損傷而出現(xiàn)，從而使得無論是傳統(tǒng)臨床上的行為測(cè)量(Majerus, Gill-Thwaites, Andrews, &Laureys, 2005)或者通過腦成像實(shí)驗(yàn)范式的測(cè)量(Casali et al., 2013)，都存在一定的誤診可能。因此，在健康被試上的麻醉或者鎮(zhèn)靜狀態(tài)的研究將有助于克服這些腦損傷對(duì)意識(shí)探究的干擾，并找到特定的和意識(shí)相關(guān)的生理指標(biāo)。
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2 問題的提出

本研究的總體目標(biāo)為通過功能磁共振(fMRI)，研究麻醉狀態(tài)下腦活動(dòng) BOLD信號(hào)的長程相關(guān)性(LRTC)和時(shí)間變異性相對(duì)于清醒狀態(tài)的差異（清醒狀態(tài)數(shù)據(jù)包括病人的清醒狀態(tài)和一組獨(dú)立的健康被試清醒狀態(tài)）。第一個(gè)主要目標(biāo)為研究麻醉狀態(tài)下長程相關(guān)性和時(shí)間變異性的全局變化。我們假設(shè)長程相關(guān)性和時(shí)間變異性在全腦都會(huì)發(fā)生下降。第二個(gè)主要目標(biāo)是研究這兩者之間的關(guān)系對(duì)于意識(shí)水平的反應(yīng)。我們預(yù)期在清醒狀態(tài)下這兩個(gè)指標(biāo)將會(huì)是顯著正相關(guān)，而這種相關(guān)隨著意識(shí)水平的減弱將會(huì)消失。第三個(gè)主要目標(biāo)為通過邏輯回歸(LR)和受試者工作特征曲線(ROC)來確定 BOLD 信號(hào)的長程相關(guān)性和時(shí)間變異性是否能夠在個(gè)體水平上區(qū)分出受試者所屬的意識(shí)水平狀態(tài)，即被試者是否為意識(shí)狀態(tài)或者無意識(shí)狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)方法和流程 .........................14

3.1 被試 ..................................14 
3.2 麻醉和清醒被試組流程 ......................14
3.3 功能磁共振數(shù)據(jù)采集 ....................17 
3.4 磁共振數(shù)據(jù)預(yù)處理 ......................17
3.5 感興趣區(qū)的定義 ............................................18
3.6 冪律指數(shù)的計(jì)算 ............................................18
3.7 BOLD 信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差(SD)計(jì)算 .................................19
3.8 邏輯回歸(LR)和受試者工作特征曲線(ROC)分析 .................19
3.9 棄一法測(cè)試 .......................20
3.10 統(tǒng)計(jì)分析 .................20
4 結(jié)果 ......22
4.1 麻醉狀態(tài)下 PLE 和 SD 全局降低 ...............................22
4.2 PLE 和 SD 的相關(guān)分析 .......................................24
4.3 使用 PLE 和 SD 來鑒別被試的臨床上的意識(shí)狀態(tài) .................25
5 討論 ........................28
5.1 腦活動(dòng)的長程相關(guān)性和意識(shí)程度之間的關(guān)系 ....................28
5.2 長程相關(guān)性和時(shí)間變異性 ....................................28
5.3 方法學(xué)議題 ...................29

5 討論

5.1腦活動(dòng)的長程相關(guān)性和意識(shí)程度之間的關(guān)系

腦活動(dòng)的長程相關(guān)性通過腦活動(dòng)的時(shí)間序列的自相似性來體現(xiàn)，因此，靜息態(tài)的腦活動(dòng)可能存在特定的時(shí)間結(jié)構(gòu)(Bullmore et al., 2001; He et al., 2010)。這種時(shí)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)制可能是由于腦的低頻活動(dòng)和高頻活動(dòng)之間的耦合，如 HE 在2010 年的文章中提到的低頻信號(hào)的相位和高頻信號(hào)的能量之間存在的耦合關(guān)系。在麻醉狀態(tài)下的長程相關(guān)性的減弱，可能和這種低頻相位和高頻能量間耦合程度的改變相關(guān)，比如，這種耦合程度在麻醉狀態(tài)下變?nèi)�。為了測(cè)試該假設(shè)，今后的研究需要通過 EEG/MEG 或者顱內(nèi)電極記錄來測(cè)試�；诒狙芯康慕Y(jié)果，我們預(yù)期長程相關(guān)性的減弱，將于高頻和低頻腦活動(dòng)間的減弱有關(guān)，并可用此來預(yù)測(cè)意識(shí)程度。

5.2長程相關(guān)性和時(shí)間變異性

然而，這種在清醒狀態(tài)下兩屬性之間的相關(guān)性在麻醉狀態(tài)下就消失了。這兩者之間的關(guān)系似乎被打破，不再與對(duì)方相關(guān)聯(lián)。我們的研究表明這種關(guān)聯(lián)的消失很可能和意識(shí)水平的減弱相關(guān)。然而，我們的研究依然無法說明這種關(guān)聯(lián)的消失是否只是麻醉藥的一個(gè)副作用，而和意識(shí)水平無關(guān)。因此后續(xù)的研究需要在其他的意識(shí)障礙被試中進(jìn)行研究，如植物人。同時(shí)，我們的邏輯回歸，ROC 曲線分析和棄一法分析也支持長程相關(guān)性和時(shí)間變異性之間存在關(guān)系。結(jié)合PLE和SD能達(dá)到最高的分類結(jié)果，這預(yù)示著PLE，SD 和他們之間的關(guān)系很可能與麻醉導(dǎo)致的無意識(shí)有關(guān)。在臨床上，如果能有大樣本數(shù)據(jù)的研究，PLE 和 SD 的結(jié)合很可能能提供一種基于生理信號(hào)來判斷被試意識(shí)狀態(tài)的診斷標(biāo)準(zhǔn)(MacDonald, Naci, MacDonald, & Owen, 2015)。這種基于生理指標(biāo)的診斷標(biāo)準(zhǔn)若能用于比如植物人的意識(shí)的臨床診斷，將產(chǎn)生很大的臨床應(yīng)用價(jià)值。

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6 結(jié)論

本研究首次研究了在麻醉狀態(tài)下的靜息態(tài)腦活動(dòng)的長程相關(guān)性的減弱，以及其與時(shí)間變異性之間的失耦合。結(jié)合已發(fā)表的其他研究，我們認(rèn)為全局腦活動(dòng)的長程相關(guān)性以及其與時(shí)間變異性的關(guān)系對(duì)于意識(shí)狀態(tài)的變化具有重要的作用。此外，我們發(fā)現(xiàn)長程相關(guān)性和時(shí)間變異性的結(jié)合能夠達(dá)到對(duì)被試意識(shí)狀態(tài)很高的預(yù)測(cè)率。如果這項(xiàng)指標(biāo)能在大樣本數(shù)據(jù)中進(jìn)行研究，將為臨床上通過靜息態(tài)腦活動(dòng)的生理指標(biāo)預(yù)測(cè)意識(shí)水平提供可能性。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：34891