【摘要】： 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦功能主要包括完成某項(xiàng)任務(wù)的明顯的肢體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行(Motor execution,ME)和沒有明顯肢體運(yùn)動(dòng)的精神上對(duì)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行進(jìn)行排演的運(yùn)動(dòng)想象(Motor imagery,MI),是腦機(jī)接口(Brain computer interface,BCI)的理論基礎(chǔ)和腦功能研究的重要領(lǐng)域,已經(jīng)證實(shí)了在訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員、音樂(lè)家,以及恢復(fù)運(yùn)動(dòng)殘疾病人的運(yùn)動(dòng)功能障礙等方面起著重要的作用。當(dāng)前對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦功能的研究主要集中在功能磁共振成像(Functional magnetic resonance imaging,fMRI)實(shí)驗(yàn)、腦功能定位及腦功能區(qū)域之間的關(guān)系,而對(duì)腦功能動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究還很缺乏,特別是缺乏對(duì)動(dòng)態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)的定量分析與評(píng)價(jià)。 本文圍繞運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦功能的神經(jīng)機(jī)制,利用相關(guān)的分析方法及數(shù)學(xué)模型對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦功能網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)之間的連接關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究。制定了運(yùn)動(dòng)相關(guān)的fMRI實(shí)驗(yàn)方案,分析了左右利手運(yùn)動(dòng)腦區(qū)和下皮層結(jié)構(gòu)的功能不對(duì)稱性,以及運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象腦功能網(wǎng)絡(luò)及其差異。主要工作如下: 1.提出了利用Gauss卷積模型分析初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(Primary motor cortex, M1)的fMRI信號(hào)在時(shí)間域不對(duì)稱性的方法,對(duì)左右利手手指序列運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)的定量研究。發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行動(dòng)手任務(wù)時(shí),利手運(yùn)動(dòng)與非利手運(yùn)動(dòng)相比較,對(duì)應(yīng)了更長(zhǎng)的神經(jīng)元簇的平均響應(yīng)延遲和更大的響應(yīng)延遲的標(biāo)準(zhǔn)差,并證實(shí)了這一結(jié)果與利手性和雙手動(dòng)或單手動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式無(wú)關(guān)。進(jìn)一步,通過(guò)比較雙手運(yùn)動(dòng)和單手運(yùn)動(dòng)兩種不同的運(yùn)動(dòng)條件下Gauss函數(shù)的兩個(gè)參數(shù)的變化,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)參數(shù)在雙手運(yùn)動(dòng)中都顯著變小,顯示了非利手運(yùn)動(dòng)對(duì)利手運(yùn)動(dòng)的影響作用。研究結(jié)果將左右利手動(dòng)手功能在空間域的不對(duì)稱性擴(kuò)展到了時(shí)間域,顯示了Gauss模型的參數(shù)可以定量地刻畫這種時(shí)間域上的差異。 2.利用fMRI信號(hào)研究了左右利手性對(duì)腦功能活動(dòng)的影響,分析了雙手運(yùn)動(dòng)和單手運(yùn)動(dòng)在M1和小腦(Cerebellum,CRB)激活區(qū)的定位上的不對(duì)稱性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了左右M1的激活最大值點(diǎn)的坐標(biāo)沒有統(tǒng)計(jì)顯著性差異,并且激活位置關(guān)于利手性不敏感,說(shuō)明在M1的利手偏利性不是由位置體現(xiàn)而是通過(guò)激活強(qiáng)度和激活區(qū)域的大小來(lái)體現(xiàn)的。在小腦皮層,發(fā)現(xiàn)了左右利手被試在雙手運(yùn)動(dòng)和單手運(yùn)動(dòng)中小腦激活位置的統(tǒng)計(jì)顯著差異性,發(fā)現(xiàn)了小腦的利手不對(duì)稱性具有同側(cè)偏利性,而且把結(jié)論推廣到了左利手。 3.提出了利用時(shí)不變Granger因果(Granger causality,GC)分析探測(cè)左側(cè)M1和其他腦區(qū)的有效連接的方法,選取左側(cè)M1作為種子,對(duì)右利手執(zhí)行的經(jīng)典雙手運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的fMRI信號(hào)進(jìn)行分析,研究大腦和下皮層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)。研究結(jié)果表明在Granger因果動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,右利手被試的左側(cè)M1也在手指運(yùn)動(dòng)中起主導(dǎo)性作用,并證實(shí)了雙手運(yùn)動(dòng)中雙側(cè)M1的信息交換;結(jié)果同時(shí)發(fā)現(xiàn)了左側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(Supplementary motor area,SMA)在動(dòng)手運(yùn)動(dòng)中對(duì)左側(cè)M1的顯著性因果連接,證實(shí)了在右利手被試中,SMA關(guān)于左側(cè)M1是一個(gè)"因"且對(duì)其有主導(dǎo)作用。另外,組分析結(jié)果證實(shí)了蚓體(Vermis)和小腦在雙手運(yùn)動(dòng)中對(duì)左側(cè)M1活動(dòng)的影響并把結(jié)果推廣到了大數(shù)目的被試群體。 4.提出了利用去除偽因果關(guān)系的條件Granger因果(Conditional Granger causality,CGC)方法,基于fMRI數(shù)據(jù)來(lái)研究利手和非利手運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象過(guò)程的腦有效連接功能網(wǎng)絡(luò)及其差異。通過(guò)選擇對(duì)側(cè)M1,雙側(cè)SMA和雙側(cè)背側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)(Premotor cortex dorsal,PMd)作為感興趣區(qū)域,發(fā)現(xiàn)了右手任務(wù)比左手任務(wù)出現(xiàn)了更多的有效連接的閉合回路;運(yùn)動(dòng)執(zhí)行比運(yùn)動(dòng)想象出現(xiàn)了更多的有效連接。結(jié)果進(jìn)一步表明,無(wú)論是左右手任務(wù),還是運(yùn)動(dòng)執(zhí)行或運(yùn)動(dòng)想象的實(shí)驗(yàn)條件,SMA和M1之間的前饋和反饋的有效連接回路是發(fā)生在對(duì)側(cè)的腦半球,PMd和SMA之間的信息交換也主要發(fā)生在同一個(gè)腦半球中。特別發(fā)現(xiàn)了左側(cè)PMd對(duì)右側(cè)M1和右側(cè)PMd都有直接的影響,而不是經(jīng)由右側(cè)PMd對(duì)右側(cè)M1產(chǎn)生影響。本研究揭示了運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象網(wǎng)絡(luò)的異同點(diǎn),表明了在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象過(guò)程中,大腦運(yùn)動(dòng)腦區(qū)之間的相互連接是與利手相關(guān)的。 5.利用神經(jīng)元水平的動(dòng)力學(xué)因果模型(Dynamic causal model,DCM),對(duì)右利手被試?yán)趾头抢诌\(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象的fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,來(lái)研究?jī)煞N實(shí)驗(yàn)條件下相關(guān)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)腦區(qū)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)和實(shí)驗(yàn)刺激模式對(duì)激活腦區(qū)及之間有效連接的影響,并比較運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象腦動(dòng)態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)的差異。研究結(jié)果顯示在四種動(dòng)態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)中都存在雙側(cè)SMA之間的信息傳遞回路,以及對(duì)側(cè)SMA對(duì)對(duì)側(cè)M1的有效連接。在運(yùn)動(dòng)想象過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了對(duì)側(cè)SMA對(duì)對(duì)側(cè)M1的抑制作用。另外,結(jié)果表明了在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象兩種不同的動(dòng)態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)驗(yàn)刺激模式對(duì)相關(guān)腦功能區(qū)的活動(dòng)存在抑制或促進(jìn)作用,并且在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行或運(yùn)動(dòng)想象這兩種不同的條件下,這種抑制或促進(jìn)作用在某些激活腦區(qū)存在相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：R445.2

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 林沖宇;翁旭初;;運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言和學(xué)習(xí):小腦的功能磁共振成像研究[J];心理科學(xué)進(jìn)展;2006年04期

本文編號(hào)：2766229