腦功能磁共振成像fmri技術(shù)的研究進(jìn)展

腦功能磁共振成像fmri技術(shù)的研究進(jìn)展

作為一種傳統(tǒng)的體表刺激療法，其腦功能機(jī)制尚不完全清楚。近年來,由于腦功能磁共振成像(fMRI)技術(shù)的普及,fMRI在針刺腦機(jī)制的研究已成為放射科的重要熱門課題之一。fMRI作為影像學(xué)研究新技術(shù),其應(yīng)用中涉及到影像學(xué)、針灸學(xué)、腦科學(xué)、統(tǒng)計(jì)科學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科知識的融合、交叉,因此,對其基本原理的理解、技術(shù)特點(diǎn)的掌握,將明顯影響到其在各應(yīng)用領(lǐng)域的可行性、研究過程的操控性、結(jié)果詮釋的合理性。一般而言,fMRI研究需要4個步驟:①實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì);②根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行腦功能成像數(shù)據(jù)采集,從而得到腦功能圖像數(shù)據(jù);③對功能圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;④對預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,最終得到功能定位圖像。預(yù)實(shí)驗(yàn)功能定位的結(jié)果還可以用來作為修訂各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的依據(jù)。1bold-fmri信號表現(xiàn)血氧水平依賴法(bloodoxygenationleveldependent,BOLD)fMRI技術(shù),是目前用于fMRI主要技術(shù)。人體血液中的氧主要以氧合血紅蛋白的形式存在。氧合血紅蛋白釋放氧后形成的去氧血紅蛋白具有順磁性,導(dǎo)致局部磁場不均勻,水分子離散、失相位,縮短T1、T2弛豫時間。當(dāng)刺激激發(fā)腦功能區(qū)內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞活動時,立即出現(xiàn)局部腦血流量和耗氧量不成比例地增加,腦血流量增加的幅度較耗氧量更為明顯,因此,激活腦區(qū)含氧血紅蛋白含量增多而去氧血紅蛋白相對減少,導(dǎo)致局部磁場發(fā)生變化,T2WI圖像顯示MRI信號增高。這種信號的變化是局部腦血流量、腦血容量及氧代謝速率變化共同作用的結(jié)果,能夠間接反映腦細(xì)胞功能變化。BOLD-fMRI信號預(yù)示的腦功能變化與其他腦功能成像的結(jié)果之間既相關(guān)而又有差別。fMRI和PET反映的是大腦哪些功能區(qū)域發(fā)生了血流動力學(xué)及能量代謝的改變,時間分辨率較低,分別為3～5s、數(shù)分鐘,但空間分辨率較高,fMRI達(dá)到1～2mm,PET為5～10mm;腦電圖(EEG)和腦磁圖(MEG)則反映了大腦神經(jīng)活動所體現(xiàn)的電磁特性,時間分辨率較高,達(dá)毫秒級,但空間分辨力低,只能探測到大腦皮層表面信號。以上4種技術(shù)均告訴我們在執(zhí)行任務(wù)時,大腦活動的功能狀態(tài)。2一般實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法2.1fmri功能分區(qū)基于心理學(xué)的“認(rèn)知相減原理”,即設(shè)計(jì)同時包含實(shí)驗(yàn)任務(wù)和對照任務(wù),除需要研究的特定認(rèn)知活動外,其他的認(rèn)知成分都盡量相同。在腦fMRI中同時采集2個狀態(tài)的數(shù)據(jù),分析時采用實(shí)驗(yàn)狀態(tài)與對照狀態(tài)任務(wù)相減的辦法,認(rèn)為相減后得到的BOLD信號增強(qiáng)/減低區(qū)域就是與特定認(rèn)知活動相關(guān)的腦區(qū)。任務(wù)可選擇圖片、文字、光線、聲音、電流、溫度、觸覺等感覺刺激形態(tài),針刺刺激屬于觸痛覺刺激方法。2.1.1針刺輔助研究組塊設(shè)計(jì)是經(jīng)典fMRI研究設(shè)計(jì)。以組塊的形式呈現(xiàn)刺激任務(wù),由實(shí)驗(yàn)者根據(jù)研究任務(wù)的特點(diǎn)和要求等因素綜合決定單個組塊的長度、數(shù)量和順序,為提高結(jié)果可行度,常需要多個組塊組合。組塊設(shè)計(jì)最初用于腦功能區(qū)的定位,逐漸應(yīng)用于探索功能區(qū)間連通性和諸如精神活動等高級腦功能的可視化研究。針刺的許多研究屬于此種設(shè)計(jì)。值得注意的是,在任務(wù)刺激時間較長時,血流動力學(xué)變化太明顯,可能導(dǎo)致BOLD信號變化范圍較大,影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,甚至?xí)斐蓴?shù)據(jù)的錯誤解讀,在針刺研究也是需考慮到的影響因素。一般針刺單穴試驗(yàn),fMRI掃描6～10min,采用2～3個刺激組塊,每個持續(xù)30s～2min,刺激手法有均勻捻針,電針需注意刺激儀位于室外,由長導(dǎo)線連接。也有研究采用掃描20min,其中捻針數(shù)次,每次10s,模擬臨床過程。2.1.2事件相關(guān)設(shè)計(jì)1996年Buckner等首次提出,任務(wù)為單一刺激(或事件),而不是組塊,在短時間(如1s)內(nèi)一次只給一個刺激,經(jīng)過一段時間間隔(數(shù)秒)再進(jìn)行下一次相同或不同的刺激,其核心是關(guān)注單次刺激或行為事件所引起血流動力學(xué)變化。刺激呈現(xiàn)后,BOLD信號逐漸增強(qiáng),達(dá)到峰值后又緩慢降到基線水平。研究者根據(jù)特定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)置刺激的持續(xù)時間和間隔時間。單一事件誘發(fā)的BOLD信號較弱,實(shí)際應(yīng)用中常采用多個事件誘發(fā)的BOLD信號進(jìn)行疊加。目前,較常采用快速事件相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),優(yōu)點(diǎn)是能夠減少練習(xí)和疲勞效應(yīng),減少頭動造成的信號干擾,可用于無法避免輕微頭動的認(rèn)知任務(wù)(如吞咽和大聲說話等),且效果顯著。但這就必須要考慮前后2個刺激引發(fā)的BOLD信號的疊加和相互干擾等問題。從本質(zhì)上來說,組塊設(shè)計(jì)是事件相關(guān)設(shè)計(jì)的特例。在事件相關(guān)設(shè)計(jì)中,把幾個任務(wù)刺激的刺激間隔時間減少到零,就成為組塊設(shè)計(jì)。Buckner等將慢速事件相關(guān)設(shè)計(jì)與區(qū)塊設(shè)計(jì)相比較,發(fā)現(xiàn)2種實(shí)驗(yàn)條件下的結(jié)果非常類似,從而論證了事件相關(guān)設(shè)計(jì)的可行性。在針灸實(shí)驗(yàn)中,對點(diǎn)刺的針灸研究可能采用此模式,但實(shí)驗(yàn)中需要使用同步刺激儀。2.2靜息狀態(tài)的功能連接網(wǎng)絡(luò)Biswal等首先發(fā)現(xiàn)在靜息狀態(tài)(restingstate)下人腦左右半球的感覺運(yùn)動皮層的BOLD信號低頻震蕩存在顯著相關(guān)性,這種相關(guān)性又被證實(shí)廣泛存在于運(yùn)動、語言、聽覺、視覺等系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)中。因此,推測大腦在靜息狀態(tài)下的功能活動并非是“噪聲”般雜亂無章,而是有其特定的規(guī)律和組織方式。靜息狀態(tài)下可見占主導(dǎo)地位的腦默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(defaultmodenetwork)。靜息狀態(tài)是指被試者保持清醒、不接收任何外部刺激或執(zhí)行任何高級功能的狀態(tài),消除了任務(wù)態(tài)研究中受試個體執(zhí)行任務(wù)情況差異對研究結(jié)果的影響。大量研究表明,大腦中的神經(jīng)細(xì)胞在非任務(wù)狀態(tài)也存在協(xié)同活動,并保持著傳統(tǒng)認(rèn)為只有在執(zhí)行任務(wù)時才出現(xiàn)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。功能連接(functionalconnectivity,fcMRI)是指空間分離的腦區(qū)之間在神經(jīng)生理學(xué)上的功能聯(lián)系,即檢驗(yàn)2個腦功能區(qū)之間是否存在聯(lián)系或有無交互信息,它強(qiáng)調(diào)神經(jīng)活性的空間、時間同步性。fMRI可通過選擇不同的分析方法和設(shè)置不同的分析參數(shù),得到靜息狀態(tài)腦功能連接的大量信息。靜息狀態(tài)某個腦區(qū)的功能連接網(wǎng)絡(luò)幾乎包括各種任務(wù)中與該腦區(qū)同時激活的其他腦區(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,因此靜息狀態(tài)的功能連接網(wǎng)絡(luò)可以幫助詮釋任務(wù)態(tài)下各腦區(qū)的信息交互影響。在針刺即時后效應(yīng)的研究中,靜息態(tài)是較好的研究方法。常為拔針后再掃描6～10min,如斷開掃描,需記錄任務(wù)態(tài)與靜息態(tài)之間的間隔時間,保持間隔時間的一致。3針刺后效應(yīng)研究一定要堅(jiān)持在主題上符合激發(fā)內(nèi)驅(qū)力的要求實(shí)驗(yàn)方案的選擇在很大程度上取決于研究目的。EPI采集的數(shù)據(jù)由于成像速度快,信噪比低,需反復(fù)調(diào)整參數(shù),達(dá)到全腦EPI圖像信號、均勻。有時通過犧牲一個指標(biāo),可以達(dá)到對另一指標(biāo)的更好優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)總體效果的最優(yōu),如掃描時間、任務(wù)長短、刺激的多少。一個實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,任務(wù)的數(shù)量、刺激呈現(xiàn)的方式、刺激的間隔、刺激的種類以及掃描參數(shù)的設(shè)置等都會影響到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的效果,同時針對特定的研究目的,優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)也可能各有側(cè)重,需要在綜合考慮多個因素