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人脑初级视皮层内事件相关型视觉刺激fMRIBOLD响应特性初步研究

波谱学杂志

第20卷第3期

2003年9月 Chinese Journal of Magnetic Resonance Vol.20No.3 Sep.2003

文章编号:100024556(2003)0320209206

人脑初级视皮层内事件相关型视觉刺激fMRI BOLD响应特性初步研究

吴义根1,田志雄2,黄 雄2,吴光耀2,李丽云3,

孙骏谟2,刘买利3,唐孝威1,43

(1.中国科学院高能物理研究所,中国科学院核分析开放实验室,北京918信箱,北京100039;

2.武汉大学附属中南医院,湖北武汉430071;

3.中国科学院武汉物理与数学研究所,

波谱与原子分子物理国家重点实验室,湖北武汉430071;4.浙江大学物理系,浙江杭州310027)

摘 要:基于脑血氧水平依赖(BOLD)对比的功能磁共振成像(fMRI)方法是研究脑功能活动的一种重要的无损伤探测手段,BOLD的机制及它与脑神经活动关系一直是国际上十分活跃的研究领域,尤其是在实验研究方面.视觉刺激所引起的脑的初级视皮层(V1)的BOLD响应的时间特性已有较多的研究,但是在这些研究中,有的结论认为BOLD对视觉刺激的响应是线性的,有的结论却是相反的.我们采用事件关联型核磁共振功能成像(ER2fMRI)方法,研究不同的短暂视觉刺激持续时间下的BOLD响应,得到了视觉刺激下的脑激活图.同时找出了视觉刺激时间分别是1、2、3、4、5和6s的V1区的BOLD响应曲线,并初步显示出BOLD 响应与刺激持续时间的线性关系.

关键词:核磁共振;事件关联型核磁共振功能成像;脑血氧水平依赖;视觉刺激;脑激活图;

线性关系

中图分类号:O482.53 文献标识码:A

引言

基于脑血氧水平依赖(BOLD)的对比方法是Ogawa等[1]首先在1990年建立的用于活体(i n vivo)脑功能核磁共振成像(fMRI)研究方法.十多年来BOLD对比fMRI作为脑

收稿日期:2002212220;收修改稿日期:2003203220

基金项目:国家重点基础研究规划“脑功能和脑重大疾病的基础研究”资助项目(1999054006)

作者简介:吴义根(19642),男,江苏东台人,硕士,副研究员,从事脑功能成像原理及应用专业.

3通讯联系人:唐孝威,E2mail:tangxw@http://www.wendangku.net/doc/90a3ee6aeff9aef8951e0605.html

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功能成像的主要方法已广泛用于脑的生理、病理及人的心理活动等研究领域[2~4],成为研究反映脑功能活动的一种重要的无损伤探测手段.正是由于它的这种重要性,BOLD 的机制及与脑神经活动关系一直是国际上十分活跃的研究领域,尤其是在实验研究方面.Ogawa等的研究[5]揭示:尽管BOLD/fMRI信号是慢的时间响应,但它们的幅度可以反映大脑中潜藏的神经活动过程并能够显露不同脑区或同一脑区中的神经活动的相互作用.Logothetis等[6]报道了他们对BOLD/fMRI神经生理学基础方面的研究工作,他们的结果表明BOLD信号直接反映了外部刺激引起的神经活动响应.

许多实验研究是寻找外部刺激(如视觉刺激、听觉刺激及手指运动等)引起的BOLD 响应时空特性[7,8],建立两者间的相互关系.外部刺激在时间上的变化(主要是有、无刺激的变化)或强度和频率随时间的变化首先引起脑的神经活动时空变化,然后引起脑血氧等的变化,如前所述,BOLD信号响应就是对这种变化的反映.视觉刺激是常用的一种重要刺激方法,对它所引起的脑的初级视皮层(V1)的BOLD响应的时间特性已有较多的研究[9~12],由于这些研究所用的实验条件不尽相同,所得的结论并不完全一致,且目前研究工作尚不完整,有的结论认为BOLD对视觉刺激的响应是线性的,有的结论却是相反的,因此需要有更细致深入和更完整的研究.而实验上能够证明BOLD响应与刺激持续时间为线性的,是确立这种线性关系的重要依据.我们采用事件关联型核磁共振功能成像(ER2fMRI)方法[8,9,11,12],研究不同的短暂视觉刺激持续时间下,初级视觉皮层区(V1)BOLD响应特性,初步显示出BOLD响应与刺激持续时间的线性关系.

1 实验材料和方法

实验所用的设备为美国Marconi医疗公司1.5T超导磁共振成像仪,梯度场为23 m T/m,软件版本V IA2.0,使用的线圈是相控阵头颈联合线圈,线圈上装有自制的玻璃反光镜.先行矢状T1加权像做定位像,然后根据矢状位定位像,经前、后联合连线(AC2 PC线)的平面做T1加权像作为解剖像,扫描参数是TR/TE:400/10(ms),翻转角: 90°,层厚:6mm,层间距:1mm,采样矩阵192×256(相位×频率,下同),FOV24cm,扫描层数15,信号平均采样2次.视觉刺激功能像使用T32加权单激发EPI序列,根据轴向T1加权像确定视皮层相应层面,并选取3层作为功能成像扫描层面,扫描参数为TR/TE:930/40(ms),翻转角:90°,层厚:6mm,层间距:1mm,采样矩阵79×94, FOV24cm,平均次数1次,脂肪抑制.对每一位受试者进行二组实验,每组实验又分为3部分.其中一组的各部分实验视觉刺激持续时间分别为1、2、3s,另一组为4、5、6s.为减小实验误差,每组实验的前7帧无刺激扫描数据没有用于统计分析,后面每种视觉刺激持续时间实验重复12次,每次采集20帧,每帧的扫描时间为1s.因此,每种视觉刺激持续时间共采集240帧.

视觉刺激装置由合成动态视觉刺激光源的微机、位于机房磁屏蔽窗外的21寸黑白显示器及位于核磁成像扫描仪头线圈上被试眼睛上方的反光镜组成.实验中,8Hz交替闪烁的黑白棋盘格呈现在显示器上,再由反光镜反射到受试者眼里,完成视觉刺激过程.浅灰色的小十字始终位于显示屏的中央,用以吸引被试的注意,尽量减少实验过程中眼球眨动的影响.实验取数时,除了来自显示屏的光线外,被试所处环境中无其它光源.

被试者是3名在校大学生(年龄均为22岁,1男2女)和1名医生(年龄为42岁,男性),均为右利手者,他们视力正常,都在1.2以上.被试者受试前均接受扫描前训练,扫描时头部用垫圈固定在线圈内,以尽量减少头动影响.

2 数据处理方法

我们采用SPM99b 软件(Wellcome Department of Cognitive Neurology ,http ://http://www.wendangku.net/doc/90a3ee6aeff9aef8951e0605.html/spm )分析数据,首先对实验数据做头动校正,以每组实验第一帧有用图像做基准,其它每帧都变换到这一帧上,数学变换包括坐标原点平移(3个变量)和坐标轴旋转(也是3个变量);然后用G auss 函数卷积做图像平滑处理以减低噪声,其中选择两倍像素大小为卷积核(G auss 函数的半高全宽);最后用广义线性模型估计参数,用F

检验找出每个被试对视觉刺激在某个显著性水平(

α)下的激活图,图1是其中一个被试的脑激活图(

α为99.9999%)

人脑初级视皮层内事件相关型视觉刺激fMRIBOLD响应特性初步研究

.图1 1个被试的视觉刺激脑激活图.统计检验(99.9999%显著性下)激活区域(图中白色部分)叠加在平行于AC 2PC 线的T 1加权解剖像上,从左到右依次是大脑自上而下的的3幅图.↑所指位置为初级视皮层(V1区).

Fig.1 A volunteer ’s brain activation maps under visual stimulation.Activation areas (white part in figure )after statistic test (99.9999%C.L.)are overlapped on the T 12weighted anatomic image along AC 2PC line ,from left to right are three slices of brain.The area labelled by ↑is the primary visual cortex (V1).

SPM 软件中采用广义线性模型作为其统计分析基础,这里的广义线性模型是假设同一任务的时间序列或不同任务序列的实验数据Y i 是一些未知参数βj (j =1,2,…,m )

的线性组合:Y i =x i 1β1+x i 2β2+…+x im βm +εi ,i =1,2,…,n ,式中m 是未知参数个

数,n 是实验测量次数,x ij 是与任务或时间有关但与具体像素无关的已知参数,它组成的矩阵通常又称为设计矩阵.拟合实验数据可求得未知参数βj ,再对这些参数做统计检验就可得到激活图.我们所用广义线性模型为Fourier 级数,所取阶数N f 为4.理论上,为了模型独立,N f 应取无穷阶,但实际上这是不可能的,SPM 的缺省值为4,我们也比较了5、6、7等值,发现结果没有变化,考虑到模型独立参数个数是2N f +1(模型中包含N f 个sine 函数和N f 个cosine 函数及1个常数),在不影响结果前提下尽量减少参数个数以提高回归拟合速度,所以这里选了4.

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3 结果和讨论

选出每个被试在初级视皮层(V1)脑区内显著性最大的像素,可以得到在该点处单个像素的BOLD 的时间变化,将4个被试的结果做平均可求得初级视皮层对视觉刺激的响应.图2显示了视觉刺激时间分别是1、4、和6s 的显著性最大的像素处4个被试的平均响应曲线,从图上可以看出,随着刺激时间的增加,响应曲线到达最高点的时间也相应增加.对响应曲线积分(A )与视觉刺激持续时间(T d )作线性拟合,得到A =k T d +b ,其中k =2.89±0.44,b =1.16±1.70,同时计算得到线性相关系数r =0.86,可以看出A 与T d 有着很好的线性关系,这在图3上也可以明显地看出(图3是A 与T d 的关

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系图以及线性回归直线).

我们采用事件关联型核磁共振功能成像(Event 2Related fMRI )方法,进行了短暂视觉刺激实验,给出了此视觉刺激下的脑激活图.进一步找出了初级视觉皮层区(V1)的BOLD 响应曲线,初步显示出BOLD 响应与刺激持续时间的线性关系.这种线性关系的确定是检验BOLD 信号是否是视觉刺激的线性响应的第一步,更多的检验有待于今后大量的实验来完成.

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参考文献:

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ON PROPERTIES OF EVENT2RE LATED f MRI BOLD RESPONSE IN PRIMAR Y VISUAL CORTEX OF

HUMAN BRAIN D URING VISUAL STIMU LATION

W U Yi2gen1,TIA N Zhi2xiong2,HUA N G Xiong2,W U Guang2yao2,

L I L i2yun3,S U N J un2mo2,L IU M ai2li3,TA N G Xiao2wei1,43

(1.Institute of High Energy Physics and Laboratory of Nuclear Analysis Techniques,

The Chinese Academy of Sciences,P.O.Box918,Beijing100039,China;

2.Zhongnan Hospital,Wuhan University,Wuhan430071,China;

3.State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics,Wuhan Institute of

Physics and Mathematics,The Chinese Academy of Sciences,Wuhan430071,China;

4.Department of Physics,Zhejiang University,Hangzhou310027,China)

Abstract:Functional magnetic resonance imaging(fMRI)using the blood oxygenation level dependent(BOLD)contrast is an important noninvasive method to study the functional ac2 tivities of the brain.Many fMRI studies,especially the experimental studies,have focused on the mechanisms of the BOLD effect and its relationship with brain functions.Properties of fMRI BOLD response in the primary visual cortex of human brain during visual stimula2 tion have been investigated previously,however the results obtained have been contradictory in terms of whether there is a linear relationship between the response and the stimulus.In this study,we applied event2related fMRI to study the BOLD response in human primary vi2 sual cortex to the short visual stimuli with durations of1、2、3、4、5and6seconds re2 spetively.The results show that generally there is a linear relationship between the BOLD response and the duration of the stimulus.

K ey w ords:NMR,event2related fMRI,BOLD,visual stimulation,brain activation map, linear relationship

 3Correspondence author:Tang Xiao2wei,E2mail:tangxw@http://www.wendangku.net/doc/90a3ee6aeff9aef8951e0605.html