【摘要】：人腦功能網(wǎng)絡(luò)存在巨大個(gè)體差異,準(zhǔn)確獲取個(gè)體水平的大腦功能信息,是成功利用影像數(shù)據(jù)來研究大腦的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制的一個(gè)先決條件。靜息態(tài)功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)能夠定量分析各個(gè)腦區(qū)之間的功能連接,在神經(jīng)科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用和重視。但是,目前的大多數(shù)研究均是基于群組水平的分析,低估了影像研究中的個(gè)體差異,使得這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果更多的是反映腦功能網(wǎng)絡(luò)在人群中的總體趨勢(shì),限制了臨床上個(gè)性化治療的指導(dǎo)意義。根據(jù)每位受試者的個(gè)體化腦影像特征研究其腦功能活動(dòng),揭示疾病患者大腦的異常腦區(qū),是功能影像技術(shù)得到廣泛的臨床應(yīng)用,并真正成為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的決定因素。但是,個(gè)體水平的影像研究才剛剛起步,并沒有解決從個(gè)體水平上認(rèn)識(shí)大腦認(rèn)知活動(dòng)這一難題。針對(duì)上述問題,本論文首先研究了腦連接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩耘c大腦體積、左右利手的關(guān)系,探測了大腦體積以及利手在個(gè)體間變異性的重要性。其次,繪制了個(gè)體水平上的腦功能圖譜,識(shí)別了個(gè)體間功能一致的腦區(qū),為在個(gè)體水平上進(jìn)行腦功能分析提供了一項(xiàng)重要的功能定位新技術(shù)。最后,通過不同精神疾病的研究,開創(chuàng)了基于個(gè)體功能圖譜的腦連接分析方法,為探究精神疾病的異常功能位點(diǎn)提供了有效的影像學(xué)標(biāo)記。本論文的工作主要包含以下3個(gè)部分:(1)左右利手的腦結(jié)構(gòu)以及功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠跋穹治鋈四X是一個(gè)高效能整合信息的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),而大腦體積是塑造神經(jīng)系統(tǒng)的重要因素并解釋了個(gè)體間行為和認(rèn)知的變異性。我們檢測了功能連接網(wǎng)絡(luò)的效能與大腦體積大小的關(guān)系,并基于結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)分析了大腦左/右半球偏側(cè)化受利手的影響。我們發(fā)現(xiàn)大腦體積越小其局部效能越高,大腦體積越大其全局效能越高,表明大腦體積變化的同時(shí)會(huì)調(diào)整局部和全局效能從而達(dá)到高效地傳輸信息。另一方面,右利手的“小世界”屬性顯著的不對(duì)稱,而左利手則相對(duì)對(duì)稱,并且左利手在語言網(wǎng)絡(luò)存在非典型的連接情況,其中顳上回起著非常重要的作用。我們的發(fā)現(xiàn)從大尺度腦網(wǎng)絡(luò)的角度有助于理解與利手以及優(yōu)勢(shì)半球相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),同時(shí)說明大腦體積以及利手是個(gè)體間變異性的影響因素。(2)基于個(gè)體分割的功能一致性腦區(qū)的功能影像分析組水平分割得到的腦區(qū)提高了信噪比,但是嚴(yán)重?fù)p害了個(gè)體間的功能差異。為了能夠更準(zhǔn)確地進(jìn)行組水平分析,在進(jìn)行組分析之前就應(yīng)該在個(gè)體水平上建立功能腦區(qū)的對(duì)應(yīng)信息。我們提出了一種個(gè)體水平的具有高敏感的腦功能定位技術(shù),去捕捉個(gè)體的大腦功能活動(dòng)狀態(tài)。我們基于人腦連接組項(xiàng)目(human connectome project,HCP)的正常人的功能影像數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地建立了個(gè)體之間的功能同源性腦區(qū)。我們發(fā)現(xiàn),這些個(gè)性化的功能區(qū)在大小,位置和功能連接強(qiáng)度方面表現(xiàn)出顯著的個(gè)體間變異性,并且功能連接的個(gè)體間變異性主要受腦區(qū)位置的變異的影響。其次,利用靜息態(tài)的個(gè)體功能分區(qū)提高了任務(wù)態(tài)激活的統(tǒng)計(jì)效能。最后,相較于從群組水平的腦功能圖譜獲得的功能連接,這些個(gè)體水平上的功能同源的區(qū)域能夠捕捉受試者的個(gè)體特質(zhì),并能更好地預(yù)測流體智力(fluid intelligence,gF)。重要的是,個(gè)體功能定位能更豐富地描述大腦功能區(qū),不僅個(gè)體的功能連接,個(gè)體功能區(qū)的大小和位置也都能表征個(gè)體特質(zhì)。這些結(jié)果表明,利用個(gè)體水平定位的功能區(qū)對(duì)受試者進(jìn)行功能配準(zhǔn),對(duì)研究靜息態(tài)功能連接,任務(wù)態(tài)激活以及大腦認(rèn)知行為都有極為關(guān)鍵的改善作用�？紤]人腦個(gè)體差異,是個(gè)性化醫(yī)療的一個(gè)重要基礎(chǔ)和前提,而這正是當(dāng)前大多數(shù)基于組水平的腦功能“模板”分區(qū)的研究忽略的。因此,個(gè)體化精準(zhǔn)定位技術(shù)提取個(gè)體本身的連接/網(wǎng)絡(luò)的影像學(xué)特征,敏感地評(píng)估受試者大腦認(rèn)知-影像學(xué)特征關(guān)系,為靜息態(tài)fMRI提供了潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。(3)個(gè)體特異性的功能連接能識(shí)別精神疾病的癥狀與類別精神分裂癥(schizophrenia,SZ)、分裂情感障礙(schizoaffective disorder,SZA)以及雙向情感障礙(bipolar disorder with psychosis,BP)等非器質(zhì)性病變的精神疾病,其大腦異常更多的表現(xiàn)在功能信息的連接異常和局部結(jié)構(gòu)信息的微弱變化。在對(duì)個(gè)體的腦功能網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確定位的基礎(chǔ)上,我們將個(gè)體水平的分割方法應(yīng)用到SZ/SZA以及BP患者的靜息態(tài)影像數(shù)據(jù)上,得到每個(gè)受試者的腦功能圖譜。利用功能區(qū)之間的功能連接作為影像學(xué)特征,構(gòu)建回歸預(yù)測模型去識(shí)別與臨床癥狀相關(guān)的影像學(xué)特征。我們發(fā)現(xiàn),利用個(gè)體水平的功能連接能穩(wěn)定地識(shí)別到與患者陽性(PANSS positive)、陰性(PANSS negative)以及躁狂(Mania)等核心臨床癥狀相關(guān)的特異性功能連接。重要的是,使用常規(guī)的定義功能區(qū)的方法即基于群組水平的“模板”腦區(qū)之間的功能連接并不能預(yù)測患者癥狀的嚴(yán)重程度。我們的結(jié)果揭示了基于個(gè)性化功能腦區(qū)的影像特征能敏感地識(shí)別到與特定癥狀以及特定精神疾病有關(guān)的連接。目前為止,還沒有針對(duì)精神疾病患者的個(gè)體水平上的功能連接異常的研究,此工作填補(bǔ)了這一空白,并為系統(tǒng)地理解精神分裂癥以及雙向情感障礙的病理生理機(jī)制提供了新的啟示。
【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】：2018
【分類號(hào)】：R741
【圖文】：

第一章 緒論著性激活的腦區(qū)被認(rèn)為是與大腦當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的活動(dòng)有關(guān)的功能區(qū)。這樣不僅可以確定從事特定任務(wù)的腦區(qū)，理解特定腦區(qū)的功能，還可以探索大腦在相同任務(wù)以及不同任務(wù)下協(xié)同合作的功能網(wǎng)絡(luò)，從而更好地理解大腦在不同認(rèn)知以及行為活動(dòng)下的工作機(jī)制。目前，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家采用 fMRI 技術(shù)進(jìn)行了一系列諸如感覺運(yùn)動(dòng)、聽覺、視覺、語言、情緒與記憶任務(wù)等大腦核心而基礎(chǔ)的功能研究，并取得了重要的進(jìn)展（見圖 1-1）。這些研究對(duì)理解個(gè)體間實(shí)驗(yàn)過程的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)、驗(yàn)證基于結(jié)構(gòu)以及靜息態(tài)功能分析結(jié)果都具有重大意義。但是，任務(wù)態(tài)功能磁共振由于任務(wù)設(shè)計(jì)范式以及被試完成效率的不同，導(dǎo)致任務(wù)的相關(guān)激活腦區(qū)在個(gè)體間差異非常大，并且通常采集的任務(wù)態(tài)數(shù)據(jù)不夠長（幾分鐘），故任務(wù)態(tài)功能磁共振離穩(wěn)定可靠的功能定位還有一定的距離。

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文動(dòng)、生理噪聲、機(jī)械噪聲、技術(shù)噪聲等信號(hào)的綜合反映。但是，更多研究態(tài)的這種自發(fā)的低頻振蕩信號(hào)是大腦靜息狀態(tài)下固有的各種認(rèn)知過程的能對(duì)大腦將要運(yùn)作的模式進(jìn)行篩選[8]。隨著腦影像技術(shù)的發(fā)展，越來越多腦網(wǎng)絡(luò)（restingstate network, RSN）被定義[9]，即這些腦網(wǎng)絡(luò)是空間模式度分布并且 BOLD 信號(hào)高度相關(guān)的功能區(qū)的集合（圖 1-2）。它們被認(rèn)為經(jīng)元群體的內(nèi)在能量需求，這些神經(jīng)元群體為了完成常見的功能目的而[10]。重要的是，大量研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)的改變與受試者為差異[6]，疾病狀態(tài)[11-13]以及藥物控制有關(guān)[14, 15]。因此，RSN 是研究人腦認(rèn)知功能活動(dòng)的關(guān)鍵功能網(wǎng)絡(luò)，為大腦的區(qū)域化了可參考的生物學(xué)指標(biāo)，使得研究者以及臨床工作者可以更全面的對(duì)大進(jìn)行刻畫，促進(jìn)人們對(duì)大腦神經(jīng)活動(dòng)機(jī)理的深入理解，從而有助于腦疾病治療。RSN 也由于其多功能、分布式、反映大腦動(dòng)態(tài)活動(dòng)模式[16]、重復(fù)勢(shì)成為神經(jīng)科學(xué)、精神疾病領(lǐng)域的一種重要研究手段。

圖 1-5 基于個(gè)體水平的全腦功能圖譜。（a）兩例受試者的腦區(qū)峰值密度圖；（b）一個(gè)腦區(qū)在 2 例受試者的分布；（c）兩例受試者的 18 個(gè)網(wǎng)絡(luò)分布1.5 精神分裂癥的磁共振研究精神分裂癥（schizophrenia, SZ）是一組病因未明的反復(fù)發(fā)作的精神障礙綜合疾病。臨床上主要表現(xiàn)為偏執(zhí)的妄想、幻覺，以及伴有感知、情感、注意、記憶和執(zhí)行控制等多方面的障礙，以精神活動(dòng)的不協(xié)調(diào)或脫離現(xiàn)實(shí)為特征。目前認(rèn)為多巴胺系統(tǒng)功能異常假說是精神分裂癥主要的神經(jīng)機(jī)制[41, 42]。多巴胺在精神分裂癥中發(fā)揮作用的早期證據(jù)表明，多巴胺功能亢進(jìn)與精神疾病的發(fā)生或者導(dǎo)致緩解患者的癥狀惡化有關(guān)[43, 44]。具體表現(xiàn)為多巴胺合成增加[45, 46]、多巴胺的釋放增加[47]、多巴胺受體 D2 水平升高[48]，從而可能導(dǎo)致患者產(chǎn)生急性的幻覺、妄想等精神病癥狀。多巴胺在精神分裂癥中的病理作用被稱為“引發(fā)精神分裂癥之火的風(fēng)-Dopamine is the wind of the psychotic fire”[49]。隨后，提出了另一個(gè)精神分裂癥病理學(xué)的主要理論：谷氨酸系統(tǒng)功能異常假說[50]。大腦中的興奮性神經(jīng)[51]

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本文編號(hào)：2772644