1、背景介紹

我們的大腦可視為一個網(wǎng)絡(luò)。它是由空問上分離,但功能上相互關(guān)聯(lián)的腦區(qū)祖成,這些腦區(qū)持續(xù)的進(jìn)行信息交互。腦區(qū)之間功能上的交互可能在復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)中起到重要作用,其促進(jìn)了不同腦區(qū)間的信息整合。在過去三十年中,大量結(jié)構(gòu)和功能的神經(jīng)成像研究極大豐富了我們對靈長類動物和人類大腦的認(rèn)識,尤其是各個腦區(qū)扮演的角色和功能。功能成像領(lǐng)域的發(fā)展為測量和發(fā)掘腦區(qū)之間功能上的關(guān)聯(lián)提供了新的工具,推動了對大腦功能連接的研究。為理解功能連接的變異究竟是神經(jīng)活動抑或噪聲,需要同時記錄神經(jīng)活動以及生理信號。與此同時還需要比較這種變異性在個體間或是群體上的差異是否顯著。也有研究關(guān)注靜息態(tài)下功能連接的變異和自發(fā)電生理信號的相關(guān)性,結(jié)果表明功能連接的變異有神經(jīng)活動的貢獻(xiàn),并且還可能與認(rèn)知或警覺狀態(tài)的變化有關(guān)。也有研究發(fā)現(xiàn)功能連接的變異還和疾病引起的變化有關(guān),進(jìn)一步論證了其神經(jīng)基礎(chǔ),也提示我們功能連接的這種時間特性可能作為疾病的生物指標(biāo)。因此,即便我們目前的研究方法存在諸多不足,功能連接動態(tài)性的起源仍有很多疑問,但么不妨礙他們提出動態(tài)性的問題,從這個問題出發(fā),我們化能進(jìn)一步理解大腦的運(yùn)行機(jī)制。
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2、研究一:瞬態(tài)共變方法在真假指壓反饋任務(wù)中的應(yīng)用

2.1問題提出

現(xiàn)階段,大腦功能網(wǎng)絡(luò)的一種新的特性引起了研究人員的注意。這種特性稱之為動態(tài)功能網(wǎng)絡(luò),或是隨時間變化的功能連接,它將大腦的運(yùn)作看成是一種非穩(wěn)態(tài)的過程。大量算法被開發(fā)出來用于研究這一特性。其中,瞬態(tài)共變算法因其不依賴統(tǒng)計(jì)假設(shè)、受參數(shù)影響較小以及方法簡單明了而有優(yōu)勢。這一算法的核A、思想是:將種子點(diǎn)時間序列中,超過一定闊值的時刻點(diǎn)挑選出來,再根據(jù)這些時刻點(diǎn)全腦信號的空間相化性進(jìn)行分類,得到不同的活動模式。這些不同的模式可以被解擇為在不同時刻下,種子腦區(qū)和其他腦區(qū)短時程的相互作用。然而,在提出這一算法的文章中,作者只是將其應(yīng)用于靜息態(tài)功能構(gòu)共振數(shù)據(jù),對結(jié)果的解釋和生理意義的探究仍顯單薄。而在之后的文章中,作者做了方法上的改動,將所有的時刻點(diǎn)都納入到分類的過程中,而不依靠預(yù)設(shè)的種子點(diǎn)時間。這妨礙我們對這一方法背后機(jī)制以及生理意義的挖掘。據(jù)我們所知,該方法還未被應(yīng)用于任務(wù)態(tài)的實(shí)驗(yàn)中,方法所得到的動態(tài)模式也就無法在不同的任務(wù)條件下進(jìn)行比較,這些動態(tài)模式的具體功能也就無法進(jìn)一步理解。

2.2研究目的

在這一研究中,我們將這一方法應(yīng)用于一個持續(xù)的、狀態(tài)相關(guān)的任務(wù)態(tài)功能磁共振試驗(yàn)中,試圖發(fā)現(xiàn)在不同條件下動態(tài)特性的差異。我們假設(shè),通過8對實(shí)驗(yàn)條件的操控,可對一些棋式的動態(tài)特征進(jìn)行調(diào)控。具體地,我們在一組健康被試上進(jìn)行了持續(xù)指壓反饋實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)有真、假反饋兩種條件。在真反饋條件下,被試可以獲得本人指壓壓力的實(shí)時視覺反饋;在假反饋條件下,被試獲得的是非本人指壓壓為的實(shí)時視覺反饋。之前利用這一數(shù)據(jù)的研究已經(jīng),發(fā)現(xiàn),在不同實(shí)驗(yàn)條件下,默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的激活和比率低頻振幅有差異。另外,基于模塊設(shè)計(jì)的功核磁共振實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在多種運(yùn)動反饋任務(wù)中,對側(cè)運(yùn)動皮層的激活有差異。神經(jīng)反饋可以提高兒童的執(zhí)行功能,預(yù)示大腦執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的變化�；谝陨涎芯康慕Y(jié)論,我們選擇了PCC、LMC和DLPFC作為種子點(diǎn),它們分別是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、感覺運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

2、研究一:瞬態(tài)共變方法在真假指壓反饋任務(wù)中的應(yīng)用.....8

2.1問題提出........8
2.2研究目的.......8
2.3材料和方法.........9
2.4結(jié)果........12
3、研究二:基于獨(dú)立成分分析對瞬態(tài)共變方法的改進(jìn)..........19
3.1問題提出.....19
3.2研究目的.......19
3.3材料和方法........20
4、總結(jié)和展望.........27

3、研究二:基于獨(dú)立成分分析對瞬態(tài)共變方法的改進(jìn)

3.1問題提出

瞬態(tài)共變研究基于預(yù)先定義的種子點(diǎn),去探究大腦動態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)。在提出該方法的文章中,作者將后扣帶回和頂內(nèi)溝作為種子點(diǎn),把種子點(diǎn)活動高的時刻點(diǎn)上的全腦信號做動態(tài)分類。這種分類實(shí)際上是基于某一種子點(diǎn),而非整個網(wǎng)絡(luò),盡管該種子點(diǎn)可能為網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。但是,從功能整合的角度看,單一腦區(qū)不能代表整個網(wǎng)絡(luò)。只基于單一種子點(diǎn)而非網(wǎng)絡(luò),分類便不夠徹底,生理意義化更不明確。獨(dú)立成分分析在腦成像光其是功能磁共振領(lǐng)域是比較常用的方法�；谠摲椒�,大腦可被認(rèn)為是多種成分的組合,相互之間是空間上獨(dú)立的。每種成分對應(yīng)一條時間序列,反映該成分的活動情況。這些成分在空間上獨(dú)立,但在時間上會有依存性,可以用來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接。

3.2研究目的

我們認(rèn)為,如果關(guān)鍵時刻點(diǎn)是依據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)的波動提取出來的,那么動態(tài)時間點(diǎn)的分類會更完全,也更有生理意義�；诖�,我們提出了基于網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)功能連接的方法,即利用獨(dú)立成分分析的方法提取出目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的波動信號,再根據(jù)此信號找到關(guān)鍵時刻點(diǎn),進(jìn)行動態(tài)分類。該方法避免了單一種子點(diǎn)帶來的偏差,同時因?yàn)楠?dú)立成分分析固有的分離噪聲的能為,也使得結(jié)果受噪聲和偽跡的影響。功能連接網(wǎng)絡(luò)可以分成不同模式的出現(xiàn)能夠反映出模式之間的層級關(guān)系。在上一個研究中,為探究不同反饋任務(wù)對大腦的調(diào)節(jié)差異,他們比較了真、假指壓反饋任務(wù)下各模式出現(xiàn)次數(shù)的差異。而在本研究中,被試都在睜眼和閑暇兩種狀態(tài)下進(jìn)行了掃描,各模式在這兩種狀態(tài)間出現(xiàn)次數(shù)的差異也值得探究,可以反映出睜眼對大腦動態(tài)活動的影響。
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4、總結(jié)和展望

大腦動態(tài)特性是近期研究的熱門話題。與傳統(tǒng)某一時間段內(nèi)大腦整體活動不同,動態(tài)性關(guān)注在更短時間窗甚至具休時刻點(diǎn)上大腦的活動情況。本論文中,我們從己有的動態(tài)分析方法入手,首次將瞬態(tài)共變方法應(yīng)用于任務(wù)態(tài),觀察并比較在真、假指壓反債條件下,大腦不同網(wǎng)絡(luò)之間的相互關(guān)系。結(jié)果表明,任務(wù)態(tài)下大腦不同網(wǎng)絡(luò)之間需要協(xié)調(diào)配合,而且是以幾種不同的配合模式存在。同時,不同任務(wù)條件對大腦動態(tài)功能有調(diào)節(jié)作用,具體體現(xiàn)在同一模式出現(xiàn)的頻率上。為突出大腦功能網(wǎng)絡(luò)之間的動態(tài)性,我們利用獨(dú)立成分分析算法對原方法做了改進(jìn)。具體地,即以ICA得到的網(wǎng)絡(luò)時間序列代替原有種子點(diǎn)時間序列,提取出網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部腦區(qū)活動一致性高的時刻點(diǎn)。從原理上排,這種改進(jìn)得到的結(jié)果真正體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)間的相互關(guān)系。隨著更高分辨率的磁共振機(jī)器的出現(xiàn),大腦動態(tài)特性的研究方興未艾。將來給我們可以在更精細(xì)的時間與空間層面上分析腦區(qū)活動,我們對于大腦功能的理解會來到一個新的層面。

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參考文獻(xiàn)（略）

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本文編號：148738