基于功能連接的邏輯計算認知任務腦默認功能網(wǎng)絡的研究

1、基于功能連接的邏輯計算認知任務腦默認功能網(wǎng)絡的研究                        作者：于海燕,錢志余,張志強,盧光明【摘要】  目前功能連通(functional connectivity)已經(jīng)為功能磁共振(functional MRI)研究腦認知活動的一個重要方法。我們采用時間相關方法，選取后扣帶回(posterior cingulate

2、d cortex, PCC)為感興趣區(qū)(regions of interest, ROI)，提取ROI所有體素的平均時間信號，并與其他腦區(qū)血氧依賴的磁共振(BOLD)信號進行相關，同時去除全局效應和頭動誤差，對14例志愿者的和靜息數(shù)據(jù)進行組內(nèi)分析和組間分析，研究邏輯計算任務下默認(default mode network)改變情況。結果表明默認網(wǎng)絡受到抑制，各腦區(qū)信號改變不一致，可能是由于邏輯計算狀態(tài)下各腦區(qū)BOLD信號變化不同，與PCC時間相關性發(fā)生改變所致。 【關鍵詞】  功能連通；時間相關；感興趣區(qū)；邏輯計算；默認網(wǎng)絡    Abstract：No

3、wadays functional connectivity has been an important method in the field of brain cognitive research by fMRI. In this paper, temporal correlation analysis is applied. The technique is to extract the blood-oxygenation level dependent(BOLD) time course from a region of interest  and determine the

4、 temporal correlation between this extracted signal and the time course from all other brain voxels regressing out global signal and head movement error.We carried intra-group analysis and inter-group analysis on 14 subjects data, performed during mental calculation and rest state, to research chang

5、es of defau mode network under calculation. The results suggest the default mode network is attenuated and changes in brain regions of the network arent coherent during performance of mental calculation, which may be caused by different change of BOLD signal in the brain regions and time correlation

6、 between PCC and other regions of default mode network.    Key words：Functional connectivity；Temporal correlation；Regions of inferest；Mental calculation；Default mode network    1  引  言    人腦在清醒靜息狀態(tài)下某些區(qū)域呈現(xiàn)較強的活動狀態(tài)1-2，這些區(qū)域形成一個連通的功能網(wǎng)絡；而在有認知任務的狀態(tài)下，又會

7、表現(xiàn)出負激活狀態(tài)。上述區(qū)域包括扣帶回后部(PCC)以及鄰近的楔前葉，前扣帶回腹側(vACC)、內(nèi)側前額葉(MPFC)、角回等，稱為默認網(wǎng)絡（default mode network)。靜息態(tài)功能磁共振成像(rest fMRI)通過采集靜息狀態(tài)下血氧依賴的磁共振信號(BOLD)的變化，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域有同步低頻震蕩(low frequency fluctuation，LFF)，波動范圍在0.010.08 Hz。    Friston3等定義功能連通性為“空間上的遠距神經(jīng)生理事件之間的時間相關性”。它表現(xiàn)為皮層中不同神經(jīng)模塊之間完成認知任務時的協(xié)調反應機制。自1995年B

8、iswal等利用fMRI發(fā)現(xiàn)不同腦區(qū)的BOLD信號中存在著LFF的相關性以來，利用LFF探索人腦的功能連接已成為腦功能成像領域的一個熱點。時間相關分析方法就是功能連通的一種常用方法。本研究分別對靜息狀態(tài)和持續(xù)邏輯計算狀態(tài)，采用時間相關分析方法，以PCC為感興趣區(qū)(regions of interest, ROI)，計算默認網(wǎng)絡各腦區(qū)與PCC相關性，得到邏輯計算任務狀態(tài)下默認網(wǎng)絡改變情況，并對計算引起的默認網(wǎng)絡各腦區(qū)相關性變化做初步的探索。    2  材料和方法    2.1  腦功能實驗設計  

9、;  實驗設計為持續(xù)刺激模式，依次進行靜息狀態(tài)和任務狀態(tài)，每個狀態(tài)持續(xù)4 min，共8 min。任務設計為4位數(shù)與2位數(shù)的有借位的減法，采用心實驗軟件E-prime編程實現(xiàn)。任務狀態(tài)設計每個計算式呈現(xiàn)7.5 s，畫面分為兩行，第一行是計算式，第二行是給出的兩個答案，要求被試者在7.5 s內(nèi)計算出答案，并按鍵選擇。如果第二行左邊答案正確，按左鍵，反之按右鍵。靜息狀態(tài)時，畫面呈現(xiàn)內(nèi)容與任務狀態(tài)相同，要求被試者不進行計算，雙眼注視屏幕。  2.2  數(shù)據(jù)采集   本實驗志愿者為14名學生，其中男性10人，年齡為2226歲，平均年齡24歲，身體健康，無

10、神經(jīng)系統(tǒng)疾病史和精神病藥物服用史，均為右利手。采用GE公司Signa 1.5T 超導磁共振成像儀，受試者實驗時仰臥，頭部加用軟海綿固定于線圈內(nèi)以減少頭部運動。與計算機連接的投影儀將設計的任務內(nèi)容投影到屏幕上，受試者通過安裝在掃描線圈上的反光鏡可以觀看。實時功能成像序列(real-time imaging process，RTIP)采集T2*功能像，采集參數(shù)：TR=2 000 ms，TE=40 ms，反轉角度為90°，體素大小為3.75×3.75×5.00 mm3，共23層，隔行掃描。    2.3  數(shù)據(jù)預處理 &

11、#160;  fMRI數(shù)據(jù)采用SPM2軟件在Matlab 7.0的平臺上進行預處理。對每個被試的功能數(shù)據(jù)首先進行時間校正，然后進行頭動校正，排除頭部平動大于1 mm，轉動大于1.5°的被試對象；而后將校正后的圖像進行標準化，采用SPM自帶歸一化到標準的MNI系統(tǒng)，并將每個體素重采樣至3×3×3 mm3；最后使用高斯核函數(shù)進行平滑，降低空間噪聲，全寬半高值為8 mm。    2.4  數(shù)據(jù)的功能連接分析    數(shù)據(jù)處理流程見圖1。    對預處理過的數(shù)據(jù)做截

12、止頻率為0.010.08 Hz的帶通濾波，去除信號的高頻干擾和低頻漂移，主要是呼吸和心跳等與神經(jīng)細胞活動無關的生理學參數(shù)；對于每個被試預處理過的fMRI數(shù)據(jù)，計算ROI和其他腦區(qū)BOLD信號的時間相關性。即定義PCC以坐標點（0,-52,30）為中心，半徑10 mm的球體為ROI，分別提取靜息和計算狀態(tài)ROI內(nèi)所有體素的平均時間信號r(t)，并以r(t)作為回歸量輸入到SPM2中，利用SPM中的GLM模型做相關分析。具體步驟為：    (a)計算ROI內(nèi)所有體素的平均時間信號；    (b)全腦各腦區(qū)所有體素時間信號求平均，得到全局時

13、間信號；    (c)去全局效應和頭動誤差即每個體素的時間信號減去全局時間信號和頭動誤差的影響；    (d)根據(jù)式(1)逐體素計算與ROI的相關性。    cci=mt=1r(t)-R)Si(t)-Simt=1r(t)-R)2mt=1Si(t)-Si2(1)    其中，cci表示相關系數(shù)；m表示時間點；r(t)表示ROI中所有體素的平均時間信號；Si(t)表示第i個體素的時間信號；R表示r(t)平均值；Si表示Si(t)的平均值。    (e

14、)根據(jù)式(1)構建相關系數(shù)cci的檢驗統(tǒng)計量t；    t=cci×n-21-cci2t(n-2)(2)    式中n為自由度，即實驗中數(shù)據(jù)的采樣點數(shù)。    (f)確定顯著性水平P，如果ttp/2，可以認為該體素與PCC有同步的低頻振蕩。將檢測到的所有相關體素映射到其相應的空間位置，可以得到相關映射圖，即PCC的功能連通網(wǎng)絡。    對14名被試的靜息數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)分別做組內(nèi)分析，得到兩種狀態(tài)下默認網(wǎng)絡各腦區(qū)與PCC同步相關的情況；做配對t檢驗的組間分析，得到相對

15、于靜息狀態(tài)各腦區(qū)與PCC的連接增強或減弱的結果,分別取閾值P小于0.01，并去除聚類少于10個體素的區(qū)域，得到每組被試默認功能網(wǎng)絡腦圖的統(tǒng)計結果。    3  實驗結果    圖2中A組和B組分別是計算狀態(tài)、邏輯計算狀態(tài)下默認網(wǎng)絡的組內(nèi)分析結果，C組是組間分析結果，表明邏輯計算相對于靜息狀態(tài)下默認網(wǎng)絡各腦區(qū)與PCC連接增強或減弱的情況。    圖2  計算狀態(tài)與靜息狀態(tài)腦默認功能網(wǎng)絡的組內(nèi)、組間分析結果    A組  靜息狀態(tài)腦默認網(wǎng)絡；B組&#

16、160; 邏輯計算狀態(tài)腦默認網(wǎng)絡；C組  邏輯計算與靜息相比功能連接增強或減弱結果,其中a-g表示振幅減弱部分 從圖2中，我們發(fā)現(xiàn)邏輯計算與靜息狀態(tài)具有類似默認功能網(wǎng)絡模式；由圖2（C）和表1可以發(fā)現(xiàn)，計算狀態(tài)下，默認網(wǎng)絡中雙側PCC及其相鄰的楔前葉明顯減弱；雙側MPFC與PCC的連接增強，雙側ACC與PCC的連接有少量不明顯的增強；而雙側角回卻未發(fā)生明顯的變化。表1  邏輯計算狀態(tài)和靜息狀態(tài)對照組間分析結果    4  結果    我們研究了邏輯計算任務下的腦默認網(wǎng)絡。采用時間相關的功能連通分析方法，分

17、析了邏輯計算狀態(tài)和靜息狀態(tài)下的腦默認網(wǎng)絡，同時將兩組被試的結果以配對t檢驗進行對照分析。數(shù)據(jù)表明，計算狀態(tài)與靜息狀態(tài)對照，具有類似默認網(wǎng)絡模式，但是PCC及相鄰的楔前葉正相關的區(qū)域較??；其中雙側MPFC和ACC與PCC的連接較靜息狀態(tài)增強。研究結果表明，邏輯計算狀態(tài)下，腦部的默認網(wǎng)絡沒有消失，而是由于計算認知任務的負載受到抑制，各腦區(qū)在與PCC的低頻振蕩信號相關性發(fā)生改變，可能是在計算任務中參與程度不同，信號改變不均衡所致。    大量PET及fMRI研究證實，靜息狀態(tài)如閉目清醒、無特定任務執(zhí)行下的大腦，默認區(qū)域呈高代謝狀態(tài)4；而在任務執(zhí)行，尤其需要注意認知加工任

18、務時，這些區(qū)域的活動則明顯減弱1，這種現(xiàn)象在fMRI上表現(xiàn)為伴隨特定任務相關腦區(qū)的激活，默認腦區(qū)出現(xiàn)負激活。現(xiàn)在認為該網(wǎng)絡反映“靜息”狀態(tài)下，大腦用來維持對內(nèi)外環(huán)境警覺監(jiān)測，以及持續(xù)的認知情感相互作用而表現(xiàn)出來的高反應狀態(tài)。Fransson認為默認腦區(qū)任務導致的活動抑制與內(nèi)在、自發(fā)的腦活動是由于認知任務的負載而被調制5-7。在圖2(A)與(B)的比較中，邏輯計算狀態(tài)下默認網(wǎng)絡中腦區(qū)相比靜息狀態(tài)規(guī)模有所減少，在定量做組間分析后，我們發(fā)現(xiàn)大腦在執(zhí)行任務時，默認網(wǎng)絡區(qū)域中PCC及相鄰的楔前葉區(qū)域明顯減少，說明腦默認網(wǎng)絡在計算任務狀態(tài)下受到了抑制。    組間分析結果表明

19、，邏輯計算任務下，雙側MPFC和ACC與PCC的連接較靜息狀態(tài)增強，而雙側角回沒有明顯變化，顳葉區(qū)域變化不一致，有增強也有減弱的部分。這種默認網(wǎng)絡模式不一致的變化在以前的研究中也有發(fā)現(xiàn)7，我們認為導致這種變化的原因是在具體的認知任務下，各個腦區(qū)參與程度不同，與PCC同步信號改變不一致。有研究表明MPFC和vACC參與了自我引導的智力活動8-9，即外部的認知任務會引起大腦內(nèi)部網(wǎng)絡即默認網(wǎng)絡中相應腦區(qū)信號的改變10。本研究對于腦默認網(wǎng)絡各腦區(qū)在邏輯計算任務任務下與PCC的低頻振蕩信號相關性不一致的結果，也為默認網(wǎng)絡在特定的認知任務下發(fā)生重組提供有效的證明。    本研

20、究通過設計靜息實驗和持續(xù)計算實驗，采用時間相關的功能連通方法，對邏輯認知負載導致大腦默認網(wǎng)絡改變進行初步探索。我們發(fā)現(xiàn)在有外部邏輯計算任務引導時，大腦內(nèi)部缺省網(wǎng)絡沒有消失，而是自發(fā)活動受到抑制和改變，各腦區(qū)與PCC的同步相關性改變不一致，這可能導致了默認網(wǎng)絡的重新組合?！尽?#160; 1Raichle ME, MacLeod AM, Snyder AZ, et al.A default mode of brain functionJ. PNAS, 2001,98:676-682.2Greicius MD, Krasnow B, Reiss AL, et al.Functional conne

21、ctivity in the resting brain: a network analysis of the default mode hypothesisJ. PNAS, 2003, 100:253-258.3Friston K J, Frith C D, Liddle P F. Functional connectivity: the principal component ananlysis of large(PET) data setsJ.J Cereb Blood Flow Metab, 1993, 13(1): 5-14.4Gusnard D A, & Raichle M

22、 E. Searching for a baseline: Functional imaging and the resting human brainJ. Nature Reviews Neuroscience ,2001，(10):685-694.5McKiernan K A, Kaufman J N, Kucera-Thompson J,et al.A parametrical manipulation of factors affecting task-induced deactivation in functional neuroimagingJ. Journal of Cognit

23、ive Neuroscience,2003，15(3):394-408.6McKiernan K A, DAngelo B R,Kaufman J N,et al.Interrupting the “stream ofconsciousness”: an fMRI investigationJ.Neuroimage,2006，29(4):1185-1191.7Fransson P. How default is the default mode of brain function? Further evidence from intrinsic BOLD signal fluctuations

24、J.Neuropsycholgia, 2006,44:2836-2845.8Gusnard DA, Akbudak E, Shulman GL, et al. Medial prefrontal cortex and self-referential mental activity: relation to a default mode of brain functionJ. Proc Natl Acad Sci USA，2001，98:4259-4264.9Fransson P. Spontaneous low-frequency BOLD signal fluctuations: an f

25、MRI Investigation of the resting-state default mode of brain function hypothesisJ.Human Brain Mapping,2005,26:15-29.10Greicius M D,Krasnow B,Reiss A L,et al. Functional connectivity in the resting brain: A network analysis of the default mode hypothesisJ.PNAS,2003,100(1):253-258.1    

26、         (d)根據(jù)式(1)逐體素與ROI的相關性。    cci=mt=1r(t)-R)Si(t)-Simt=1r(t)-R)2mt=1Si(t)-Si2(1)    其中，cci表示相關系數(shù)；m表示時間點；r(t)表示ROI中所有體素的平均時間信號；Si(t)表示第i個體素的時間信號；R表示r(t)平均值；Si表示Si(t)的平均值。    (e)根據(jù)式(1)構建相關系數(shù)cci的檢驗統(tǒng)計量t；  

27、;  t=cci×n-21-cci2t(n-2)(2)    式中n為自由度，即實驗中數(shù)據(jù)的采樣點數(shù)。    (f)確定顯著性水平P，如果ttp/2，可以認為該體素與PCC有同步的低頻振蕩。將檢測到的所有相關體素映射到其相應的空間位置，可以得到相關映射圖，即PCC的功能連通。    對14名被試的靜息數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)分別做組內(nèi)分析，得到兩種狀態(tài)下默認網(wǎng)絡各腦區(qū)與PCC同步相關的情況；做配對t檢驗的組間分析，得到相對于靜息狀態(tài)各腦區(qū)與PCC的連接增強或減弱的結果,分別取閾值P小于0.01，

28、并去除聚類少于10個體素的區(qū)域，得到每組被試默認功能網(wǎng)絡腦圖的統(tǒng)計結果。    3  實驗結果    圖2中A組和B組分別是計算狀態(tài)、邏輯計算狀態(tài)下默認網(wǎng)絡的組內(nèi)分析結果，C組是組間分析結果，表明邏輯計算相對于靜息狀態(tài)下默認網(wǎng)絡各腦區(qū)與PCC連接增強或減弱的情況。    圖2  計算狀態(tài)與靜息狀態(tài)腦默認功能網(wǎng)絡的組內(nèi)、組間分析結果    A組  靜息狀態(tài)腦默認網(wǎng)絡；B組  邏輯計算狀態(tài)腦默認網(wǎng)絡；C組  邏輯計算與靜息相比功能

29、連接增強或減弱結果,其中a-g表示振幅減弱部分 從圖2中，我們發(fā)現(xiàn)邏輯計算與靜息狀態(tài)具有類似默認功能網(wǎng)絡模式；由圖2（C）和表1可以發(fā)現(xiàn)，計算狀態(tài)下，默認網(wǎng)絡中雙側PCC及其相鄰的楔前葉明顯減弱；雙側MPFC與PCC的連接增強，雙側ACC與PCC的連接有少量不明顯的增強；而雙側角回卻未發(fā)生明顯的變化。表1  邏輯計算狀態(tài)和靜息狀態(tài)對照組間分析結果    4  結果    我們研究了邏輯計算任務下的腦默認網(wǎng)絡。采用時間相關的功能連通分析方法，分析了邏輯計算狀態(tài)和靜息狀態(tài)下的腦默認網(wǎng)絡，同時將兩組被試的結果以配對t檢驗

30、進行對照分析。數(shù)據(jù)表明，計算狀態(tài)與靜息狀態(tài)對照，具有類似默認網(wǎng)絡模式，但是PCC及相鄰的楔前葉正相關的區(qū)域較??；其中雙側MPFC和ACC與PCC的連接較靜息狀態(tài)增強。研究結果表明，邏輯計算狀態(tài)下，腦部的默認網(wǎng)絡沒有消失，而是由于計算認知任務的負載受到抑制，各腦區(qū)在與PCC的低頻振蕩信號相關性發(fā)生改變，可能是在計算任務中參與程度不同，信號改變不均衡所致。    大量PET及fMRI研究證實，靜息狀態(tài)如閉目清醒、無特定任務執(zhí)行下的大腦，默認區(qū)域呈高代謝狀態(tài)4；而在任務執(zhí)行，尤其需要注意認知加工任務時，這些區(qū)域的活動則明顯減弱1，這種現(xiàn)象在fMRI上表現(xiàn)為伴隨特定任務相

31、關腦區(qū)的激活，默認腦區(qū)出現(xiàn)負激活。現(xiàn)在認為該網(wǎng)絡反映“靜息”狀態(tài)下，大腦用來維持對內(nèi)外環(huán)境警覺監(jiān)測，以及持續(xù)的認知情感相互作用而表現(xiàn)出來的高反應狀態(tài)。Fransson認為默認腦區(qū)任務導致的活動抑制與內(nèi)在、自發(fā)的腦活動是由于認知任務的負載而被調制5-7。在圖2(A)與(B)的比較中，邏輯計算狀態(tài)下默認網(wǎng)絡中腦區(qū)相比靜息狀態(tài)規(guī)模有所減少，在定量做組間分析后，我們發(fā)現(xiàn)大腦在執(zhí)行任務時，默認網(wǎng)絡區(qū)域中PCC及相鄰的楔前葉區(qū)域明顯減少，說明腦默認網(wǎng)絡在計算任務狀態(tài)下受到了抑制。    組間分析結果表明，邏輯計算任務下，雙側MPFC和ACC與PCC的連接較靜息狀態(tài)增強，而雙側

32、角回沒有明顯變化，顳葉區(qū)域變化不一致，有增強也有減弱的部分。這種默認網(wǎng)絡模式不一致的變化在以前的研究中也有發(fā)現(xiàn)7，我們認為導致這種變化的原因是在具體的認知任務下，各個腦區(qū)參與程度不同，與PCC同步信號改變不一致。有研究表明MPFC和vACC參與了自我引導的智力活動8-9，即外部的認知任務會引起大腦內(nèi)部網(wǎng)絡即默認網(wǎng)絡中相應腦區(qū)信號的改變10。本研究對于腦默認網(wǎng)絡各腦區(qū)在邏輯計算任務任務下與PCC的低頻振蕩信號相關性不一致的結果，也為默認網(wǎng)絡在特定的認知任務下發(fā)生重組提供有效的證明。    本研究通過設計靜息實驗和持續(xù)計算實驗，采用時間相關的功能連通方法，對邏輯認知負載導致大腦默認網(wǎng)絡改變進行初步探索。我們發(fā)現(xiàn)在有外部邏輯計算任務引導時，大腦內(nèi)部缺省網(wǎng)絡沒有消失，而是自發(fā)活動受到抑制和改變，各腦區(qū)與PCC的同步相關性改變不一致，這可能導致了默認網(wǎng)絡的重新組合。【】  1Raichle ME, MacLeod AM, Snyder AZ, et al.A default mode of brain functionJ. PNAS, 2001,98:676-682.2Greicius MD, Krasnow B, Reiss AL, et al.Functional connectivity in the resting b