靜息態(tài)人腦否認(rèn)活動(dòng)假說(shuō)的fmri研究

靜息態(tài)人腦否認(rèn)活動(dòng)假說(shuō)的fmri研究

根據(jù)血液中的血氧化系統(tǒng)關(guān)系劑（bod）對(duì)損傷功能的磁共振成像（mri）已廣泛應(yīng)用于活動(dòng)化學(xué)和人類功能研究。這些研究大多以無(wú)任務(wù)的靜息狀態(tài)作為對(duì)照,所定義的腦功能活動(dòng)是任務(wù)狀態(tài)與無(wú)任務(wù)的靜息狀態(tài)數(shù)據(jù)相減所得。近年研究發(fā)現(xiàn),靜息狀態(tài)與任務(wù)反減,即靜息狀態(tài)減去任務(wù)數(shù)據(jù),也有腦活動(dòng)信號(hào),稱為負(fù)激活(deactivation)。負(fù)激活現(xiàn)象提示大腦在沒(méi)有任務(wù)的清醒、靜息狀態(tài)時(shí)存在功能活動(dòng)。Raichle總結(jié)前人及他們研究組的研究成果,提出人腦默認(rèn)活動(dòng)假說(shuō)(defaultmodeactivitynetwork)。該假說(shuō)認(rèn)為大腦在無(wú)任務(wù)的清醒、靜息狀態(tài)時(shí)就存在有組織的、主動(dòng)的腦區(qū)功能活動(dòng),這些功能由特定腦區(qū)組成的網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行。該網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特性是它的負(fù)激活程度隨認(rèn)知任務(wù)的難度增高而增大。本研究旨在對(duì)該假說(shuō)及其活動(dòng)特性進(jìn)行初步檢驗(yàn)。研究試圖回答三個(gè)問(wèn)題:①初步驗(yàn)證默認(rèn)腦活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)假說(shuō);②不同的刺激呈現(xiàn)通道(視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué))對(duì)默認(rèn)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的腦區(qū)組成是否有影響;③任務(wù)難度與負(fù)激活程度是否相關(guān)。1實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理1.1研究對(duì)象13健康受試者參加實(shí)驗(yàn),均為在校大學(xué)生或研究生,漢族,右利手,母語(yǔ)為漢語(yǔ)。其中男7例,女6例,年齡22~31歲,平均23.2歲。視力良好。聽(tīng)覺(jué)和語(yǔ)言功能正常,體內(nèi)無(wú)金屬植入物,既往無(wú)心、肺、肝、腎等重要臟器疾病史,無(wú)腦部腫瘤或其他顱腦疾患,無(wú)精神病史。受試對(duì)象簽署知情同意書(shū)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1.2fMRI實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1.2.1刺激模式刺激通過(guò)視覺(jué)呈現(xiàn)。采用“BlockDesign”設(shè)計(jì)。刺激期與靜息期均為10個(gè)時(shí)間點(diǎn)(scans),每個(gè)時(shí)間點(diǎn)為2秒,共采集130個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)。為使受試者適應(yīng)掃描環(huán)境,前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的基線靜息期在數(shù)據(jù)處理中除去。余120個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)任務(wù)期與靜息期各重復(fù)交替6次。1.2.2刺激任務(wù)進(jìn)行兩次fMRI實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1任務(wù)期要求被試看清顯示器呈現(xiàn)的雙字組成名詞(真詞),然后產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)詞。實(shí)驗(yàn)2任務(wù)期要求被試看清顯示器呈現(xiàn)的雙字組成的假詞詞組并默念,不需完成其他任務(wù),不要產(chǎn)生聯(lián)想。詞語(yǔ)構(gòu)成及產(chǎn)詞原則見(jiàn)文獻(xiàn)。1.3fMRI數(shù)據(jù)采集與掃描參數(shù)所有fMRI掃描均在上海同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院放射科磁共振室完成。MR機(jī)為美國(guó)Marconi1.5TEDGEECLIPSE超導(dǎo)型磁共振成像系統(tǒng)。掃描用線圈為標(biāo)準(zhǔn)頭部線圈。掃描時(shí)告知受試者放松、閉目,頭部勿動(dòng)。使用橡皮耳塞降低噪音,用泡沫墊固定頭部以減少頭動(dòng)偽影。刺激由軟件控制,并呈現(xiàn)在無(wú)磁液晶屏上。待被試熟悉掃描室內(nèi)環(huán)境后開(kāi)始正式實(shí)驗(yàn)。采集序列與參數(shù):首先進(jìn)行矢狀位定位像采集。T1加權(quán)像(SE序列,TR/TE/FA300ms/11.5ms/90°;FOV24cm×24cm;Thickness7mm;Gap1mm;Matrix128×128,NEX=1)掃描。BOLD-fMRI數(shù)據(jù)采集:單次激發(fā)-EPI序列,層厚/間距(THK/GAP)=6/1mm,像素大小3.75mm×3.75mm。重復(fù)時(shí)間/回波時(shí)間/反轉(zhuǎn)角(TR/TE/FA)=1930ms/40ms/90°,FOV24cm×24cm。Matrix64×64,NEX=1。1.5數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析用SPM99軟件進(jìn)行預(yù)處理和統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頭動(dòng)校正,以每組實(shí)驗(yàn)第一幀有用圖像做基準(zhǔn),其他每幀都變換到這一幀上。數(shù)學(xué)變換包括坐標(biāo)原點(diǎn)平移(三個(gè)變量)和坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)(也是三個(gè)變量);然后將圖像標(biāo)準(zhǔn)化到Talairach空間,再用兩倍像素大小為Gauss卷積核做圖像平滑處理以減少空間噪聲。分別選用濾波器和血流響應(yīng)函數(shù)(hrf)卷積濾除呼吸、心跳產(chǎn)生的生理噪聲。采用廣義線性模型的模型估計(jì)時(shí),靜息期定義為正參數(shù),任務(wù)期定義為負(fù)參數(shù),獲得基于單個(gè)像素分析的負(fù)激活圖。檢驗(yàn)P值小于0.001,未作校正。少于3個(gè)像素的激活團(tuán)簇認(rèn)定為偽激活(spike)從而被排除。2結(jié)果2.1小鼠海馬區(qū)24/32、左上回、左下回負(fù)激活的強(qiáng)度及范圍實(shí)驗(yàn)1(注視>動(dòng)詞產(chǎn)生)與實(shí)驗(yàn)2(注視>默讀假詞)負(fù)激活腦區(qū)大部分相同,包括扣帶回后部/楔前葉(31/30)、扣帶回前部(24/32)、右側(cè)顳上回(8)、左側(cè)顳上回(8)、右顳下回前部(20)、左顳下回前部(20)、右側(cè)頂下小葉(39/40)、左側(cè)頂下小葉(39/40)、橋腦背部、中腦、右側(cè)小腦半球、左側(cè)小腦半球。但是,負(fù)激活的強(qiáng)度及范圍實(shí)驗(yàn)1明顯強(qiáng)于實(shí)驗(yàn)2。右側(cè)海馬區(qū)負(fù)激活只見(jiàn)于實(shí)驗(yàn)1,左右側(cè)額上回負(fù)激活僅見(jiàn)于實(shí)驗(yàn)2(圖1A、2A)。各腦區(qū)SPM坐標(biāo)及t值見(jiàn)表1。2.2扣帶回前后bold反應(yīng)曲線兩次實(shí)驗(yàn)中,各負(fù)激活腦區(qū)的平均BOLD反應(yīng)均呈負(fù)性變化,刺激任務(wù)呈現(xiàn)后,BOLD信號(hào)從基線狀態(tài)開(kāi)始下降,達(dá)到負(fù)值最大后再逐漸恢復(fù)到基線水平。表現(xiàn)為負(fù)BOLD反應(yīng)。圖1B、2B分別顯示實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中平均的扣帶回后部BOLD反應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)1負(fù)激活程度強(qiáng)于實(shí)驗(yàn)2,最大值分別為-0.62和-0.46。3負(fù)激活的強(qiáng)度和范圍本研究結(jié)果初步驗(yàn)證了默認(rèn)腦活動(dòng)假說(shuō)。首先BOLD信號(hào)反映特征均呈負(fù)性變化。相對(duì)于對(duì)照狀態(tài)(被動(dòng)注視“+”),受試者執(zhí)行外在的認(rèn)知任務(wù)時(shí)BOLD信號(hào)降低,相反,對(duì)照狀態(tài)時(shí)BOLD信號(hào)升高。這說(shuō)明對(duì)照狀態(tài)時(shí)有關(guān)腦區(qū)的基線腦活動(dòng)水平較高,處在主動(dòng)性活躍狀態(tài)。其次,發(fā)生負(fù)激活的腦區(qū)與以往大樣本研究結(jié)果一致。這些腦區(qū)包括:扣帶回后部/楔前葉(BA31/7),左側(cè)(BA40和39/19)及右側(cè)(BA40)頂下小葉,額葉背外側(cè)(BA8),額下回外側(cè)面(BA10/47),左顳下回(BA20),前額葉中部腹側(cè)及背側(cè)腦區(qū)(BA8,9,10及32)以及右側(cè)杏仁核等。默認(rèn)腦活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特性是當(dāng)執(zhí)行外在的認(rèn)知任務(wù)時(shí),該網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)受到抑制,活動(dòng)水平下降(相對(duì)于基線水平)。認(rèn)知任務(wù)的難度越大,負(fù)激活的程度越高。我們的研究結(jié)果支持這一觀點(diǎn)。受試者在執(zhí)行產(chǎn)詞任務(wù)(實(shí)驗(yàn)1)和注視并默讀無(wú)意義假詞(實(shí)驗(yàn)2)時(shí),產(chǎn)生負(fù)激活的腦區(qū)位置基本相同,但是負(fù)激活的程度有較明顯差異。受試者執(zhí)行認(rèn)知難度較大的產(chǎn)詞任務(wù)時(shí)負(fù)激活的強(qiáng)度和范圍都明顯大于認(rèn)知需求較小的假詞默讀任務(wù)。這說(shuō)明負(fù)激活的程度與認(rèn)知任務(wù)的認(rèn)知難度有明顯相關(guān)性。該網(wǎng)絡(luò)的另一重要特性是,簡(jiǎn)單的視覺(jué)及運(yùn)動(dòng)等不需要較多認(rèn)知參與的任務(wù)不影響該網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)水平。本實(shí)驗(yàn)的受試者均為大學(xué)生或研究生,有較高的文化水平,我們預(yù)想完成假詞默讀任務(wù)對(duì)這些受試者而言可能較為簡(jiǎn)單,其任務(wù)難度與簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)任務(wù)相似。但是實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果出乎預(yù)料,我們發(fā)現(xiàn)了許多負(fù)激活腦區(qū),檢測(cè)到默認(rèn)腦活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。這說(shuō)明假詞默讀任務(wù)并不像我們常規(guī)認(rèn)為的那樣簡(jiǎn)單,完成該任務(wù)時(shí)仍然需要一定的認(rèn)知需求(至少超過(guò)了簡(jiǎn)單視覺(jué)或運(yùn)動(dòng)任務(wù))。關(guān)于負(fù)激活的機(jī)制目前有幾種解釋。注意資源再分配理論是目前較為公認(rèn)的觀點(diǎn)。該理論認(rèn)為,人腦的信息加工系統(tǒng)是一個(gè)資源有限的系統(tǒng),注意資源用于完成某一特定任務(wù)時(shí),其總的注意資源需要進(jìn)行再分配,以滿足該任務(wù)的特定需求。執(zhí)行任務(wù)認(rèn)知難度越大,所需要的注意資源就越多。人腦在無(wú)外在任務(wù)的清醒、靜息狀態(tài)時(shí)持續(xù)進(jìn)行的、內(nèi)在的認(rèn)知活動(dòng)與外界給予的任務(wù)具有競(jìng)爭(zhēng)性。因此與特定外在任務(wù)相關(guān)的腦區(qū)就出現(xiàn)活動(dòng)(激活),而與持續(xù)進(jìn)行的、內(nèi)在認(rèn)知活動(dòng)有關(guān)的基態(tài)腦活動(dòng)就會(huì)下降,fMRI表現(xiàn)為負(fù)激活。該理論可以解釋我們的研究結(jié)果。產(chǎn)詞任務(wù)的認(rèn)知需求及任務(wù)難度高于假詞默讀任務(wù),需要有更多的注意資源分配至任務(wù)相關(guān)腦區(qū),因而產(chǎn)生負(fù)激活的程度較大。本研究發(fā)現(xiàn)的負(fù)激活腦區(qū)大部分與前人研究提出的默認(rèn)腦活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)組成重疊,但是也有不一致之處。Shulman等對(duì)PET研究結(jié)果的大樣本原分析(meta-analysis)發(fā)現(xiàn)了14個(gè)非任務(wù)依賴的負(fù)激活腦區(qū)。本研究發(fā)現(xiàn)的兩側(cè)小腦半球、橋腦及中腦負(fù)激活在Shulman的研究中未見(jiàn)報(bào)道。我們認(rèn)為這可能與研究手段不同有關(guān)。Shulman分析的是PET研究結(jié)果,PET的空間分辨率較差,可能不太容易顯示腦干這樣較小的解剖結(jié)構(gòu),而fMRI有較高的空間分辨率,可清楚顯示這些部位。另一個(gè)原因可能是這些PET研究采樣時(shí)沒(méi)有包括腦干等區(qū)域。另外,Shulman等人報(bào)告左側(cè)顳下回負(fù)激活,本研究發(fā)現(xiàn)兩側(cè)顳葉下回負(fù)激活。但是他們的研究結(jié)果圖顯示右側(cè)顳下回有負(fù)激活。因此我們認(rèn)為本研究發(fā)現(xiàn)的兩側(cè)顳葉下回負(fù)激活與Shulman的結(jié)果一致。深入研究表明負(fù)激活存在兩種現(xiàn)象:一種為任務(wù)依賴性負(fù)激活(task-dependentdecrease),另一種為非任務(wù)依賴性負(fù)激活(task-independentdecrease)。前者與特定任務(wù)密切相關(guān),活動(dòng)腦區(qū)隨不同的任務(wù)而不同。后者則與研究任務(wù)的關(guān)系不太密切,不同任務(wù)其負(fù)激活腦區(qū)的解剖位置變化甚小,如在視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)注意、語(yǔ)言處理、記憶等任務(wù)時(shí)均可在某些相同腦區(qū)出現(xiàn)負(fù)