靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)的磁共振成像研究進(jìn)展

靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)的磁共振成像研究進(jìn)展

靜息狀態(tài)腦功能的應(yīng)用進(jìn)展大腦是人體最重要的器官，包括12111個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)。在正常情況下，大腦消耗的能量約占人體總能耗的20%。然而，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，大腦能量消耗的增加很小，而且用于維持非任務(wù)狀態(tài)的神經(jīng)活動(dòng)也被認(rèn)為是一種合作的、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在這種非任務(wù)狀態(tài)下，也存在著動(dòng)態(tài)的、動(dòng)態(tài)的和靜態(tài)的活動(dòng)，這就充分體現(xiàn)了人類在執(zhí)行任務(wù)時(shí)只執(zhí)行特定的任務(wù)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。最具體地說(shuō)，靜態(tài)狀態(tài)是指受試者保持冷靜，不接受外部刺激，并執(zhí)行某些高級(jí)功能。近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越重視靜態(tài)福利狀態(tài)下的大腦功能研究。主要研究方法包括：功能磁共振成像（mri）、正電子傳輸段掃描（pe）、腦電圖（eg）、腦磁圖（meg）、擴(kuò)散光學(xué)成像（dot）等。其中，作為非損傷腦成像技術(shù)在靜態(tài)福利狀態(tài)下的大腦功能研究中發(fā)揮著不可替代的作用。本文總結(jié)了vmri在靜態(tài)休息狀態(tài)下研究腦功能的基本原理和最新發(fā)展。1總結(jié)1.1信號(hào)間發(fā)生散相目前使用最廣泛的fMRI方法是基于血氧水平依賴(blood-oxygen-leveldependent,BOLD)效應(yīng).生物體血液中的氧主要以與血紅蛋白結(jié)合(氧合血紅蛋白)的形式存在.氧合血紅蛋白釋放氧后形成的脫氧血紅蛋白具有順磁性,可在血管及周邊組織中產(chǎn)生局部不均勻磁場(chǎng).受該局部磁場(chǎng)不均勻性的影響,血管及周邊組織中不同水分子的磁共振信號(hào)間會(huì)發(fā)生散相(dephasing),造成所觀測(cè)到的宏觀磁共振信號(hào)強(qiáng)度的降低,且脫氧血紅蛋白含量越高,信號(hào)強(qiáng)度降低的幅度就越大;相反地,如果組織中脫氧血紅蛋白的含量降低,組織的磁共振信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)上升,這就是BOLD效應(yīng)的由來(lái).而事實(shí)上,當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)增強(qiáng)時(shí),其能量消耗增加,并隨即引發(fā)局部腦血流(rCBF)的上升,以補(bǔ)充能量代謝所需要的底物——葡萄糖和氧氣.神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)時(shí)耗氧量的增加與其所引發(fā)的rCBF的增加并不成比例.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:神經(jīng)細(xì)胞激活時(shí)所導(dǎo)致的rCBF增加(氧供給量的增加)幅度往往要大于氧氣消耗量的增加幅度.由此,激活腦區(qū)最終表現(xiàn)為局部氧合水平升高,去氧血紅蛋白濃度降低,在磁共振圖像上呈現(xiàn)亮信號(hào).特別需要指出的是,BOLD-fMRI中所采集的信號(hào)并不直接反應(yīng)神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng),而是度量由神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)所引發(fā)的腦區(qū)中去氧血紅蛋白濃度的改變.這種改變是局部腦血流,腦血容積(CBV)及氧代謝速率(CMRO2)變化共同作用的結(jié)果.BOLD信號(hào)的變化與其他功能成像信號(hào)改變之間既有相關(guān)而又有所區(qū)別.深刻理解其成像原理及信號(hào)來(lái)源,對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解,以及不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)所得數(shù)據(jù)的分析至關(guān)重要.1.2靜息狀態(tài)腦功能研究傳統(tǒng)的BOLD-fMRI研究主要關(guān)注由外部刺激或執(zhí)行任務(wù)所致的神經(jīng)活動(dòng)所引發(fā)的血氧水平的改變.其實(shí)驗(yàn)范式通常是通過(guò)不同任務(wù)和對(duì)比狀態(tài)的設(shè)計(jì),采集大腦在接收特定刺激或執(zhí)行相關(guān)任務(wù)期間的磁共振圖像;將圖像經(jīng)過(guò)一定的預(yù)處理后,用統(tǒng)計(jì)方法比較被試者在任務(wù)與對(duì)照狀態(tài)時(shí)或不同任務(wù)間各腦區(qū)磁共振信號(hào)強(qiáng)度的不同;最后將那些在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上有顯著信號(hào)強(qiáng)度改變的區(qū)域定位于解剖結(jié)構(gòu),并最終獲得可視化的激活圖像.在此類研究中,靜息狀態(tài)大多被選擇作為任務(wù)狀態(tài)的對(duì)照狀態(tài).而事實(shí)上,通過(guò)采集一系列靜息狀態(tài)腦的BOLD磁共振圖像并提取某一有意義體素信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線(圖1(a)),可以發(fā)現(xiàn)靜息狀態(tài)下腦的BOLD磁共振信號(hào)并不是一成不變的,而是隨時(shí)間有所漲落.1995年,Biswal等人首創(chuàng)性地提取了靜息態(tài)BOLD信號(hào)中的低頻成分(<0.1Hz,如圖1(a)所示)并對(duì)其進(jìn)行了分析.他們發(fā)現(xiàn):人腦左右半球的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的BOLD信號(hào)低頻漲落(lowfrequencyfluctuations,LFF)存在顯著的相關(guān)性(低頻漲落間的相關(guān)性如圖1(b)所示).Biswal等人認(rèn)為,這種相關(guān)性可以作為在靜息狀態(tài)下感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層間存在功能連接的一個(gè)證據(jù).功能連接被定義為“空間上遠(yuǎn)離的神經(jīng)生理活動(dòng)之間在時(shí)間上的相關(guān)性”,在腦功能研究中作為不相鄰腦區(qū)間功能活動(dòng)同步性的一種度量方式.在這個(gè)觀點(diǎn)提出后,更多的研究發(fā)現(xiàn)靜息狀態(tài)下BOLD低頻漲落信號(hào)的同步性廣泛地存在于運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)中.由此可以推測(cè):大腦在靜息狀態(tài)下的功能活動(dòng)并非是“噪聲”般雜亂無(wú)章的,而是有其特定的規(guī)律和組織方式.這些研究成果不僅使得靜息狀態(tài)下腦功能研究成為近20年來(lái)神經(jīng)影像學(xué)領(lǐng)域的熱門方向之一,也為腦科學(xué)研究的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向.1.3靜息態(tài)腦功能研究一些研究者發(fā)現(xiàn)靜息態(tài)下大腦中BOLD信號(hào)低頻漲落與呼吸、心跳以及動(dòng)脈血中二氧化碳分壓(PaCO2)的節(jié)律性變化有關(guān),從而認(rèn)為這些信號(hào)變化可能由生理噪聲引起.但更深入的研究發(fā)現(xiàn),雖然原始的靜息態(tài)BOLD信號(hào)時(shí)間序列中包含有生理噪聲,但生理噪聲并非BOLD信號(hào)低頻漲落及其在不同腦區(qū)中具有同步性的生理學(xué)基礎(chǔ).首先,靜息態(tài)腦功能研究關(guān)心的BOLD信號(hào)漲落的頻率一般在0.1Hz或0.08Hz以下,而人類呼吸和心跳的頻率分別約為0.1~0.5Hz和0.6~1.2Hz.Cordes等人定量分析了生理噪聲對(duì)BOLD信號(hào)低頻漲落的貢獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)其大小不足10%.此外,大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明:在減少或消除生理噪聲的影響后,靜息態(tài)下不同腦區(qū)中BOLD信號(hào)低頻漲落的相關(guān)性(即功能連接)依然顯著存在.這些都說(shuō)明,靜息態(tài)下大腦中BOLD信號(hào)的低頻漲落主要反應(yīng)了神經(jīng)細(xì)胞的自發(fā)活動(dòng),而其在不同腦區(qū)中的同步性則顯示了靜息態(tài)下腦功能的連接模式.2數(shù)據(jù)分析的方法2.1lff信號(hào)和呼吸的混疊消除生理噪聲的影響是準(zhǔn)確分析、理解靜息態(tài)下大腦中BOLD信號(hào)低頻漲落的前提.目前,已經(jīng)有研究從多個(gè)角度做出了嘗試.例如,從數(shù)據(jù)獲取的角度,Cordes等人通過(guò)使用較高的采樣頻率來(lái)避免LFF信號(hào)與呼吸及心跳信號(hào)的混疊;也有研究者在采集磁共振數(shù)據(jù)的過(guò)程中同時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄心跳和呼吸信號(hào),之后通過(guò)線性回歸的方法將它們的貢獻(xiàn)從BOLD信號(hào)的時(shí)間序列中去除.另一方面,數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展也為消除生理噪聲的影響提供了新思路.例如,使用獨(dú)立成分分析(ICA)方法可以將生理噪聲、神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)作為不同的獨(dú)立成分從原始數(shù)據(jù)中分離出來(lái),然后單獨(dú)進(jìn)行研究.總之,采用合理的數(shù)據(jù)獲取和處理方法,消除各種混淆因素的影響,提取神經(jīng)自發(fā)活動(dòng)的信號(hào),是研究靜息態(tài)功能連接的必要前提和基礎(chǔ).2.2靜息態(tài)fmri數(shù)據(jù)分析靜息態(tài)fMRI研究獲取數(shù)據(jù)的狀態(tài)單一,無(wú)法得到與基于任務(wù)的研究中類似的激活圖,因此具有其特定的數(shù)據(jù)分析方法.其中大多數(shù)分析方法從數(shù)據(jù)出發(fā),通過(guò)度量不同體素或區(qū)域之間腦信號(hào)的同步性來(lái)得到靜息狀態(tài)功能連接模式.同步性或功能連接的模式及強(qiáng)度的判據(jù)主要是時(shí)間序列的相關(guān)性/相關(guān)系數(shù)和協(xié)方差等信息,以下就這些分析方法做簡(jiǎn)單介紹.種子相關(guān)分析是最簡(jiǎn)單也是使用最廣泛的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)分析方法.其研究步驟通常為:1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定特定腦區(qū)作為靜息態(tài)研究的種子區(qū)域,提取該區(qū)域內(nèi)各體素的時(shí)間序列(如圖1(a)所示)并計(jì)算得到該種子區(qū)域的平均序列;2)計(jì)算該平均序列與全腦所有體素的時(shí)間序列之間的相關(guān)系數(shù),以其值作為功能連接強(qiáng)度,從而得到與該種子區(qū)域正負(fù)相關(guān)的所有體素信息;3)通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法選擇有統(tǒng)計(jì)意義的相關(guān)體素(如p<0.05),并將其定位于解剖結(jié)構(gòu)圖,從而得到種子區(qū)域的靜息態(tài)功能連接圖.其中種子區(qū)域的選取可通過(guò)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)時(shí)的激活圖獲得,也可利用先驗(yàn)解剖知識(shí)或標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜來(lái)確定.理論上,我們可以得到任一有意義體素或腦區(qū)在靜息態(tài)的功能連接信息,這對(duì)于感興趣腦區(qū)功能的研究尤其重要.該方法的局限性在于所獲得的腦功能連接信息對(duì)種子區(qū)域的選取具有一定依賴性,選取不同的種子點(diǎn)(區(qū)域)可能得到不同的結(jié)果,間接地增加了結(jié)果解釋的難度和可信度.另外,這種方法沒(méi)有考慮腦區(qū)間的間接相關(guān),但這可通過(guò)偏相關(guān)等方法進(jìn)行改進(jìn).等級(jí)聚類是一種模式分類的方法,同樣需要預(yù)先定義種子點(diǎn)或區(qū)域.與種子相關(guān)分析方法不同的是,等級(jí)聚類選取多個(gè)種子區(qū)域作為感興趣腦區(qū),通過(guò)計(jì)算各區(qū)域間的相關(guān)系數(shù),產(chǎn)生相關(guān)系數(shù)矩陣來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,之后建立一定的聚類準(zhǔn)則來(lái)定義和區(qū)分功能連接網(wǎng)絡(luò),最終形成等級(jí)樹(shù)或者拓?fù)鋱D來(lái)描述所有區(qū)域之間的連接信息.感興趣區(qū)域間關(guān)系的度量,除計(jì)算相關(guān)系數(shù)等相似性外,也可通過(guò)差異性等來(lái)表示.在一定程度上,種子相關(guān)方法和等級(jí)聚類方法可以結(jié)合使用,如先根據(jù)前者追蹤得到所需激活腦區(qū)網(wǎng)絡(luò),再利用等級(jí)聚類進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì),從而得到腦區(qū)間功能連接的合理描述.靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)分析另一種比較常用的方法是ICA.該方法假設(shè)靜息態(tài)下得到的BOLD信號(hào)時(shí)間序列是由相互獨(dú)立的不同信號(hào)分量構(gòu)成的,因此可以通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算將原始信號(hào)中的各種生理及系統(tǒng)噪聲信號(hào),以及各功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信號(hào)分別提取出來(lái),并定位于解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行各靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究.圖2所顯示的是用ICA的方法分析靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)而得到的多套腦網(wǎng)絡(luò),其中包括了外側(cè)(圖2(a))和內(nèi)側(cè)(圖2(b))視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)、工作記憶功能網(wǎng)絡(luò)(圖2(c)和2(d))、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(圖2(e)和2(f))、運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(圖2(g))、執(zhí)行功能網(wǎng)絡(luò)(圖2(h))、枕顳通路網(wǎng)絡(luò)(圖2(i))以及一些腦區(qū)所組成的功能連接網(wǎng)絡(luò)(圖2(j))等成分.這種方法不僅可有效消除生理噪聲的干擾,也為全腦中不同功能網(wǎng)絡(luò)的單獨(dú)分析提供了很好的途徑.然而利用ICA分析靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)也面臨一些問(wèn)題.首先,ICA假設(shè)各功能網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立,而實(shí)際中腦網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)卻更可能使得不同來(lái)源的信號(hào)分量之間存在交疊.這種情況下,ICA方法無(wú)法對(duì)它們進(jìn)行完全分離;其次,ICA結(jié)果分量的個(gè)數(shù)是由使用者決定的,各分量分別代表的意義也來(lái)自于主觀判斷,使得該方法一定程度上依賴于主觀假設(shè)和先驗(yàn)知識(shí);最后,對(duì)該方法獲得的結(jié)果在理解或解釋上也存在困難,我們無(wú)法判定ICA結(jié)果中某個(gè)分量的變化是由于其自身信號(hào)隨時(shí)間波動(dòng)的改變所引起,還是來(lái)自于它與其他分量之間連接強(qiáng)度的改變.其他的分析方法還包括自組織網(wǎng)絡(luò)(SOM)、互信息、小波分析以及局部一致性(ReHo)等.總之,發(fā)展新的分析方法,或者將現(xiàn)有方法結(jié)合應(yīng)用,充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢(shì),對(duì)靜息態(tài)腦功能連接的研究具有重要的意義.2.3靜息態(tài)功能連接的“小世界”屬性與單一網(wǎng)絡(luò)的研究不同,靜息態(tài)fMRI的全腦分析主要關(guān)注腦網(wǎng)絡(luò)的整體屬性,提供全腦組織模式的相關(guān)信息.在全腦分析中常借用圖論的知識(shí),將研究的腦區(qū)或像素視為節(jié)點(diǎn),兩兩之間的連接信息用加權(quán)矢量或標(biāo)量來(lái)表示,進(jìn)而研究全腦網(wǎng)絡(luò)屬性.研究表明,將圖論相關(guān)知識(shí)應(yīng)用于全腦分析是描述和定量分析腦區(qū)間功能連接的一種直觀有效的方法.研究發(fā)現(xiàn),靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)顯示出與“小世界”網(wǎng)絡(luò)(small-worldnetwork)類似的拓?fù)湫再|(zhì),這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有高的聚集系數(shù)和短的路徑長(zhǎng)度,結(jié)合了鄰近區(qū)域模塊化和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整合的特點(diǎn).Salvador等人的研究利用解剖知識(shí)將大腦分為90個(gè)腦區(qū),用偏相關(guān)的方法估計(jì)了這些區(qū)域fMRI數(shù)據(jù)在靜息態(tài)的功能連接情況,用圖論的分析方法發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)的聚集系數(shù)是隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的2倍,而平均的全局路徑長(zhǎng)度與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)近似,提示靜息態(tài)全腦功能連接具有“小世界”性質(zhì).Achard等人則運(yùn)用離散小波變換的方法得出了類似的結(jié)果,并認(rèn)為其中存在一些重要的連接節(jié)點(diǎn),可能構(gòu)成了信息加工的基礎(chǔ).還有研究則更完整地將分析定位于體素水平,近萬(wàn)個(gè)體素的分析為靜息態(tài)功能連接的“小世界”屬性提供了重要的依據(jù).對(duì)靜息態(tài)全腦網(wǎng)絡(luò)的研究與各分屬網(wǎng)絡(luò)的研究相互聯(lián)系而又有所區(qū)別,綜合分析不同尺度下的腦連接網(wǎng)絡(luò),對(duì)于更全面地了解大腦功能具有重要的作用.3冥想狀態(tài)下的大腦功能網(wǎng)絡(luò)3.1靜息態(tài)功能連接網(wǎng)絡(luò)通過(guò)選擇不同的分析方法和設(shè)置不同的分析參數(shù),可以得到靜息態(tài)腦功能連接的大量信息.如利用種子相關(guān)方法,不僅可以獲得運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等各任務(wù)執(zhí)行時(shí)激活的區(qū)域間的靜息態(tài)功能連接模式,還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康墨@取任意腦區(qū)如杏仁核等的連接信息,后者對(duì)了解特定腦區(qū)的靜息態(tài)功能結(jié)構(gòu)具有重要的意義.值得一提的是,靜息態(tài)某個(gè)腦區(qū)的功能連接網(wǎng)絡(luò)幾乎囊括了各種任務(wù)中與該腦區(qū)同時(shí)激活的腦區(qū)信息,并且更全面地顯示出其可能存在的所有功能連接模式,因此靜息態(tài)的功能連接可以為各腦區(qū)在任務(wù)中的表現(xiàn)提供解釋和提示.例如,有研究發(fā)現(xiàn)靜息狀態(tài)海馬區(qū)的功能連接網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)示各腦區(qū)在情景記憶當(dāng)中的反應(yīng).而使用ICA方法得到的則是靜息態(tài)大腦多套相互獨(dú)立的功能網(wǎng)絡(luò),如Damoiseaux等人利用概率ICA方法分析了靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù),得到10套功能網(wǎng)絡(luò)(其中9套為所有數(shù)據(jù)集共有),這些網(wǎng)絡(luò)包括運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò),視覺(jué)加工網(wǎng)絡(luò),聽(tīng)覺(jué)網(wǎng)絡(luò),記憶網(wǎng)絡(luò),執(zhí)行功能網(wǎng)絡(luò),外側(cè)紋狀體網(wǎng)絡(luò),默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)等,證明了多種任務(wù)相關(guān)的功能連接網(wǎng)絡(luò)在靜息狀態(tài)的普遍存在.而根據(jù)ICA方法特點(diǎn),以及目前對(duì)于腦區(qū)細(xì)分和整合的進(jìn)一步要求,靜息態(tài)功能連接網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量可根據(jù)ICA假設(shè)和參數(shù)不同而得到與實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆系慕Y(jié)果.大量的研究結(jié)果表明,靜息狀態(tài)的腦功能網(wǎng)絡(luò)在一定程度上具有穩(wěn)定性.在被試者睜眼或閉眼時(shí)的靜息狀態(tài),以及睡眠狀態(tài)、麻醉狀態(tài)等類似狀態(tài)甚至植物狀態(tài)下,腦功能連接網(wǎng)絡(luò)都具有雖然不盡相同卻及其相似的組織模式,且這些連接只有在腦死亡的情況下才會(huì)消失;另外通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的bootstrap分析,可以發(fā)現(xiàn)在不同個(gè)體/實(shí)驗(yàn)間的靜息態(tài)腦功能連接結(jié)果具有高度的一致性.因此靜息態(tài)功能連接網(wǎng)絡(luò)模式是成年大腦的固有屬性,具有統(tǒng)計(jì)意義上的穩(wěn)定特征,對(duì)了解腦的自發(fā)活動(dòng)和組織模式具有非常重要的意義.而另外一方面,不同個(gè)體以及同一個(gè)體在不同條件和狀態(tài)下的功能連接網(wǎng)絡(luò)又有所差別,并且顯示出個(gè)體差異性.有研究發(fā)現(xiàn),靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)的整體效率與個(gè)體表現(xiàn)出的智商(IQ)之間存在顯著的正相關(guān),且連接狀態(tài)可以引起被試者在工作記憶任務(wù)中的個(gè)體差異性;另外一些研究則表明實(shí)驗(yàn)前的焦慮程度、認(rèn)知功能等都有可能影響之后被試者在靜息狀態(tài)中的功能連接.以上結(jié)果表明,靜息態(tài)大腦功能網(wǎng)絡(luò)雖然具有統(tǒng)計(jì)意義上的相對(duì)穩(wěn)定性,但是也與獨(dú)立個(gè)體自身屬性和環(huán)境具有顯著相關(guān)性,因此可為預(yù)測(cè)和衡量個(gè)體行為及狀態(tài)提供有力的參考.綜上,經(jīng)由不同分析方法得到的靜息狀態(tài)任意腦區(qū)的功能連接模式,以及全腦的多套功能網(wǎng)絡(luò),在不同狀態(tài)及研究間具有統(tǒng)計(jì)的相對(duì)穩(wěn)定性,同時(shí)又在個(gè)體水平上與被試者特性及能力表現(xiàn)的差異性定量相關(guān),因此靜息狀態(tài)腦功能連接網(wǎng)絡(luò)的研究可以為了解腦的固有組織模式以及個(gè)體差異提供非常重要的信息.3.2認(rèn)同網(wǎng)絡(luò)的存默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(defaultmodenetwork)是在靜息狀態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)研究中引起最廣泛關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)之一.1997年,Shulman等人發(fā)現(xiàn)在不同任務(wù)下獲取的PET中,有一些特定的腦區(qū)持續(xù)地顯示負(fù)激活,表明這些區(qū)域在靜息狀態(tài)下相對(duì)任務(wù)執(zhí)行時(shí)活動(dòng)增加.Mazoyer等通過(guò)元分析的方法研究大量數(shù)據(jù)也得到了類似的結(jié)果,并且認(rèn)為這些腦區(qū)組成了工作記憶和執(zhí)行功能網(wǎng)絡(luò).2001年,Raichle等人用氧攝取指數(shù)(OEF)作為度量標(biāo)準(zhǔn),首次在靜息狀態(tài)下研究了Shulman實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的任務(wù)狀態(tài)下持續(xù)負(fù)激活腦區(qū)的活動(dòng),并將結(jié)果腦區(qū)所組成的網(wǎng)絡(luò)定義為“默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)”.受到PET相關(guān)結(jié)果的啟發(fā),Greicius等人首次研究了靜息狀態(tài)的fMRI數(shù)據(jù)并得到了相似的網(wǎng)絡(luò),證明了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的存在,并認(rèn)為后扣帶回是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn).之后的各種研究結(jié)果表明,默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)主要包括后扣帶回皮層/楔前葉、外側(cè)頂葉、以及內(nèi)側(cè)前額葉皮層等腦區(qū).我們從默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)2個(gè)不同腦區(qū)的種子點(diǎn)出發(fā)所得到的該網(wǎng)絡(luò)如圖3所示,可以看出二者網(wǎng)絡(luò)模式基本相同,側(cè)面證明了該網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性以及后扣帶回和內(nèi)側(cè)前額葉是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中重要組成部分和主要結(jié)點(diǎn):默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)所執(zhí)行和維持的腦功能與其他靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)相比并不明朗,因此也引起了人們更多的興趣.從單個(gè)腦區(qū)的研究結(jié)果來(lái)看,默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的楔前葉與自身意識(shí),自我中心的精神意象,情景記憶的提取等密切相關(guān),并且是持續(xù)植物狀態(tài)的病人最早恢復(fù)意識(shí)的腦區(qū);后扣帶是全腦皮層結(jié)構(gòu)的中心結(jié)點(diǎn);而內(nèi)側(cè)前額葉則與認(rèn)知功能相關(guān)并可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)情緒加工過(guò)程.值得注意的是,與其他靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)不同,默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)隨年齡的增長(zhǎng)有一個(gè)變化的過(guò)程:嬰兒腦中幾乎不存在默認(rèn)網(wǎng)絡(luò),在7~9歲幼年兒童腦內(nèi)也僅顯示少量間斷的連接,而9~12歲年齡段被試者的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的連接有所增強(qiáng),成年個(gè)體的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)則顯示出相對(duì)穩(wěn)定的模式,此外老年人的腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)明顯的改變,且這種改變伴隨著認(rèn)知功能的下降.同時(shí)結(jié)合默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)在植物狀態(tài)存在的特征以及在不同個(gè)體和狀態(tài)間的連續(xù)性,可以推測(cè)雖然靜息狀態(tài)腦不可避免地會(huì)執(zhí)行一些隨機(jī)的“任務(wù)”,如自指示的精神活動(dòng)或游離的思緒等,但并不構(gòu)成默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)形成的主因.綜上,默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)并不是隨機(jī)“任務(wù)”的反應(yīng),而是隨年齡變化又具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性的大腦功能結(jié)構(gòu),反應(yīng)大腦神經(jīng)細(xì)胞自發(fā)活動(dòng)的組織模式,可能與大腦的學(xué)習(xí)記憶、認(rèn)知功能等相關(guān);而隨機(jī)意識(shí)在多大程度上參與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及如何將其有效的避免和分離,則需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探索.3.3個(gè)體在工作任務(wù)中反應(yīng)的關(guān)鍵因素與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)地,存在一些在認(rèn)知任務(wù)中顯示正激活的腦區(qū),包括背外側(cè)前額葉皮層、下頂葉和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)等,稱為正激活網(wǎng)絡(luò).靜息狀態(tài)的研究結(jié)果表明,默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和正激活網(wǎng)絡(luò)低頻漲落信號(hào)存在顯著的負(fù)相關(guān),且其靜息態(tài)負(fù)相關(guān)程度與個(gè)體在任務(wù)中的應(yīng)答反應(yīng)變化相聯(lián)系,即負(fù)相關(guān)越顯著,個(gè)體在任務(wù)中的反應(yīng)變化幅度越低,表現(xiàn)越穩(wěn)定;在基于任務(wù)的研究中則發(fā)現(xiàn),隨著任務(wù)難度和所需注意力的增加,默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)進(jìn)一步降低,而正網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)則相對(duì)升高,且二者正負(fù)激活的程度存在關(guān)聯(lián).關(guān)于2套網(wǎng)絡(luò)這種相互作用的解釋,有研究認(rèn)為正網(wǎng)絡(luò)的存在可能與任務(wù)執(zhí)行前的警覺(jué)、準(zhǔn)備及選擇相關(guān),反應(yīng)一種腦對(duì)突發(fā)狀況的外部警覺(jué)狀態(tài),而默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)則代表大腦的內(nèi)省狀態(tài),二者相互轉(zhuǎn)換;而在任務(wù)中的表現(xiàn)則尤其顯示出2套網(wǎng)絡(luò)之間的一種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,當(dāng)任務(wù)中注意減少時(shí),正網(wǎng)絡(luò)激活與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)激活程度均明顯降低,使得任務(wù)執(zhí)行效果較差.這種拮抗機(jī)制已被用于抑郁和焦慮的治療中,通過(guò)任務(wù)難度的升高,利用2套網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制來(lái)轉(zhuǎn)移注意力達(dá)到治療的效果.綜上,默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)與正激活網(wǎng)絡(luò)在靜息和任務(wù)狀態(tài)中的負(fù)相關(guān),可能進(jìn)一步揭示了大腦功能組織和動(dòng)力學(xué)的一些信息,對(duì)此的研究可能比單獨(dú)研究默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)更加重要.4主要應(yīng)用4.1靜息功能結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)最新的研究發(fā)現(xiàn),靜息狀態(tài)很多功能連接有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),表明靜息態(tài)功能連接與解剖連接之間可能存在密切的聯(lián)系.對(duì)于這種聯(lián)系的研究可以從幾個(gè)方面進(jìn)行.首先,可以利用腦損傷患者作為研究對(duì)象,有人發(fā)現(xiàn)胼胝體發(fā)育不良者雙側(cè)運(yùn)動(dòng)和聽(tīng)覺(jué)皮層之間的功能連接顯著降低,提示解剖連接的破壞可導(dǎo)致功能連接的缺失,暗示了二者之間的相關(guān)性.其次成像方法的發(fā)展為活體檢測(cè)解剖連接提供了重要途徑,VandenHeuvel等人使用擴(kuò)散張量成像(DTI)與fMRI相結(jié)合的方法,同時(shí)研究了靜息狀態(tài)作為腦結(jié)構(gòu)通路的白質(zhì)纖維束的分布和功能連接網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)至少有8套靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部腦區(qū)之間存在結(jié)構(gòu)連接.如默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)各腦區(qū)間有扣帶白質(zhì)束,上額-枕白質(zhì)束,胼胝體膝部白質(zhì)束等構(gòu)成了功能連接的解剖基礎(chǔ);Honey等人用則擴(kuò)散譜成像(DSI)方法得出了類似的結(jié)論,并認(rèn)為靜息態(tài)的功能連接特性受到大腦皮層解剖連接的限制.圖4顯示了我們得到的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)主要結(jié)點(diǎn)PCC和ACC/MPFC之間的靜息態(tài)功能連接與DTI顯示的纖維結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系.另外,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的相關(guān)研究也可為此提供一定依據(jù).雖然目前的研究方法對(duì)于解剖和功能連接的檢測(cè)大多是間接的,結(jié)果也不盡完整,但是靜息態(tài)功能連接與解剖連接之間存在相關(guān)的理論正漸漸成為趨勢(shì)和共識(shí),各種技術(shù)的發(fā)展和更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有望為此提供更有力的證據(jù).綜上所述,目前的研究認(rèn)為,靜息態(tài)功能連接很可能反應(yīng)大腦的解剖連接,同時(shí)在一定程度上受限于解剖連接的模式,二者之間相互聯(lián)系并彼此影響.在此基礎(chǔ)上,二者的分析方法及研究結(jié)果便可互為參考,使得一方面可以通過(guò)靜息態(tài)的研究更精確地提供解剖連接的信息,另一方面在靜息狀態(tài)下大腦活動(dòng)的相關(guān)性質(zhì),如默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)隨年齡變化的特征等,也可以結(jié)合解剖連接的發(fā)展給出更全面的解釋.4.2靜息態(tài)功能連接在臨床上的應(yīng)用及相關(guān)研靜息狀態(tài)下腦功能網(wǎng)絡(luò)的研究摒棄了復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),因此在各種神經(jīng)和精神疾病患者,尤其是無(wú)法執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)患者的腦功能研究中發(fā)揮了重要的價(jià)值.其相關(guān)理論成果,包括特定腦區(qū)的功能連接,各功能網(wǎng)絡(luò)尤其是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì),全腦效率的分析等,都被廣泛用于疾病診斷、病程檢測(cè)、療效評(píng)價(jià)等方面,為疾病的研究和治療提供了很大幫助.目前靜息態(tài)功能連接的分析已應(yīng)用于多種疾病,如研究發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默癥(AD)患者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的后扣帶回和海馬的活動(dòng)與正常老年人相比顯著降低;同時(shí)作為AD前兆的輕度認(rèn)知障礙(MCI)患者的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)及執(zhí)行注意網(wǎng)絡(luò)的功能連接也出現(xiàn)缺損,提示靜息網(wǎng)絡(luò)的功能連接可作為一種敏感而特殊的早期AD的生物學(xué)標(biāo)記為臨床分析使用;對(duì)精神分裂患者的腦功能研究則發(fā)現(xiàn),病人全腦范圍的功能連接均出現(xiàn)活動(dòng)降低,證實(shí)精神分裂是一種全腦范圍的神經(jīng)元活動(dòng)紊亂;抑郁癥患者的大腦則顯示與情緒相關(guān)的邊緣系統(tǒng)丘腦和亞扣帶回活動(dòng)的升高,而皮層和邊緣系統(tǒng)間信號(hào)同步性在靜息和任務(wù)狀態(tài)均降低,推測(cè)皮層對(duì)于邊緣系統(tǒng)的失調(diào)控可能是導(dǎo)致抑郁的主要原因.靜息狀態(tài)fMRI腦功能研究還被應(yīng)用于其他如多發(fā)性腦硬化、癲癇、注意力缺陷多動(dòng)癥、自閉癥等多種疾病.這些結(jié)果均顯示出疾病患者靜息態(tài)腦功能連接網(wǎng)絡(luò)的改變和缺損,且多與病程,疾病嚴(yán)重程度,治療效果及恢復(fù)程度等密切相關(guān),表明靜息態(tài)腦功能連接的研究可為某些疾病的預(yù)測(cè)、診斷以及治療提供參考和依據(jù).4.3腦靜息態(tài)的研究靜息狀態(tài)低頻漲落信號(hào)的研究在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面也取得了一定成果.作為生物學(xué)研究的重要手段,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)具有被試對(duì)象獲取容易、可操作性強(qiáng)(手術(shù)和造模)、研究對(duì)象(動(dòng)物腦)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有針對(duì)性(可最大限度減少干擾因子)、以及實(shí)驗(yàn)成本較低等諸多優(yōu)點(diǎn).然而由于客觀原因和技術(shù)限制,動(dòng)物的靜息態(tài)腦功能研究多在麻醉狀態(tài)進(jìn)行,以減少頭動(dòng)和使動(dòng)物鎮(zhèn)靜,常被稱為基線狀態(tài).研究發(fā)現(xiàn),與人腦靜息態(tài)的研究類似,在猴的眼球運(yùn)動(dòng),體感運(yùn)動(dòng)和視覺(jué)3套已知網(wǎng)絡(luò)以及與人腦對(duì)應(yīng)的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中都發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞的自發(fā)活動(dòng)具有同步性,并且這種功能連接凌駕于意識(shí)水平之上,可能反映了對(duì)于腦功能結(jié)構(gòu)進(jìn)化的一種保存;同樣對(duì)于輕度麻醉的大鼠腦BOLD信號(hào)的研究也顯示出感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和視覺(jué)系統(tǒng)內(nèi)部活動(dòng)存在同步性.此外,研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)物腦的靜息態(tài)功能連接模式隨所使用麻醉藥劑類型和劑量會(huì)有所不同,因此對(duì)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的控制,以及數(shù)據(jù)和結(jié)果的分析都相對(duì)嚴(yán)格.事實(shí)上,由于動(dòng)物腦與人腦在結(jié)構(gòu)和功能上的差異,以及靜息狀態(tài)定義的不同等原因,動(dòng)物靜息態(tài)功能連接的研究不只是為了確認(rèn)動(dòng)物腦網(wǎng)絡(luò)組織模式,更大的作用在于解釋同步信號(hào)的神經(jīng)活動(dòng)機(jī)