1 緒論

1.1 功能磁共振研究簡介
神經元內部并無糖和氧氣儲存著作為能量使用，因此神經元的放電需要從外界迅速的輸入能量來保證正常運作。通過血液輸入的氧氣會大于神經元所需要的，從而會使得氧合血紅蛋白升高，去氧血紅蛋白相對減少。氧合血紅蛋白為逆磁性物質，而去氧血紅蛋白為順磁性物質。在 1990 年，Ogawa 的團隊發(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器測得。因此，通過磁共振測量氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白，，即可實現(xiàn)對腦活動（思考，行動和經驗）的間接探測。

1.2意識的神經科學簡介

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，預示著這些病人可能存在一定的意識水平。因此，這些技術和任務的使用，將有助于發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)行為測量所不能探測到的意識狀態(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，認知功能的損傷或者聽從命令能力的減弱都可能因為腦損傷而出現(xiàn)，從而使得無論是傳統(tǒng)臨床上的行為測量(Majerus, Gill-Thwaites, Andrews, &Laureys, 2005)或者通過腦成像實驗范式的測量(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意識探究的干擾，并找到特定的和意識相關的生理指標。
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2 問題的提出

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

3 實驗方法和流程 .........................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)預處理 ......................17
3.5 感興趣區(qū)的定義 ............................................18
3.6 冪律指數(shù)的計算 ............................................18
3.7 BOLD 信號的標準差(SD)計算 .................................19
3.8 邏輯回歸(LR)和受試者工作特征曲線(ROC)分析 .................19
3.9 棄一法測試 .......................20
3.10 統(tǒng)計分析 .................20
4 結果 ......22
4.1 麻醉狀態(tài)下 PLE 和 SD 全局降低 ...............................22
4.2 PLE 和 SD 的相關分析 .......................................24
4.3 使用 PLE 和 SD 來鑒別被試的臨床上的意識狀態(tài) .................25
5 討論 ........................28
5.1 腦活動的長程相關性和意識程度之間的關系 ....................28
5.2 長程相關性和時間變異性 ....................................28
5.3 方法學議題 ...................29

5 討論

5.1腦活動的長程相關性和意識程度之間的關系

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

5.2長程相關性和時間變異性

然而，這種在清醒狀態(tài)下兩屬性之間的相關性在麻醉狀態(tài)下就消失了。這兩者之間的關系似乎被打破，不再與對方相關聯(lián)。我們的研究表明這種關聯(lián)的消失很可能和意識水平的減弱相關。然而，我們的研究依然無法說明這種關聯(lián)的消失是否只是麻醉藥的一個副作用，而和意識水平無關。因此后續(xù)的研究需要在其他的意識障礙被試中進行研究，如植物人。同時，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性和時間變異性之間存在關系。結合PLE和SD能達到最高的分類結果，這預示著PLE，SD 和他們之間的關系很可能與麻醉導致的無意識有關。在臨床上，如果能有大樣本數(shù)據(jù)的研究，PLE 和 SD 的結合很可能能提供一種基于生理信號來判斷被試意識狀態(tài)的診斷標準(MacDonald, Naci, MacDonald, & Owen, 2015)。這種基于生理指標的診斷標準若能用于比如植物人的意識的臨床診斷，將產生很大的臨床應用價值。

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6 結論

本研究首次研究了在麻醉狀態(tài)下的靜息態(tài)腦活動的長程相關性的減弱，以及其與時間變異性之間的失耦合。結合已發(fā)表的其他研究，我們認為全局腦活動的長程相關性以及其與時間變異性的關系對于意識狀態(tài)的變化具有重要的作用。此外，我們發(fā)現(xiàn)長程相關性和時間變異性的結合能夠達到對被試意識狀態(tài)很高的預測率。如果這項指標能在大樣本數(shù)據(jù)中進行研究，將為臨床上通過靜息態(tài)腦活動的生理指標預測意識水平提供可能性。

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參考文獻（略）

本文編號：34891