任務態(tài)下注意網(wǎng)絡執(zhí)行功能的磁共振成像研究

任務態(tài)下注意網(wǎng)絡執(zhí)行功能的磁共振成像研究

隨著對大腦功能的深入研究，越來越多的研究人員認為eeg是一個網(wǎng)絡化的組織，并提出了計算腦網(wǎng)之間效應連接的方法。其中,結構方程模型(structuralequationmodeling,SEM)是將皮層的信息加工過程建模為由一個區(qū)域A指向另一個區(qū)域B的連接;動態(tài)因果模型(dynamiccausalmodeling,DCM)則考查一個神經(jīng)區(qū)域的激活是否通過連接導致其他神經(jīng)區(qū)域激活水平的變化,同時通過自連接改變自己的激活水平。這些方法都需要假設考查的兩個區(qū)域之間存在影響。這種預先假設的模型在驗證一些有關大腦系統(tǒng)之間的連接假設時是起作用的,但如果出現(xiàn)了對模型的錯誤假定,就會導致錯誤的結論。Granger因果分析(GrangerCausalityAnalysisGCA)可以確定不同腦區(qū)之間的連接性和連接的方向,其原理為:如果一個時間序列A導致或影響時間序列B,那么使用A的信息就可以預測B的值。Granger因果關系早期被用于分析不同頻段腦電信號的因果關系[5~7]。近年來有學者將該方法與fMRI技術相結合探討不同腦區(qū)之間的相互作用、相互影響[8~10]。注意網(wǎng)絡理論是Posner等提出的,他認為注意網(wǎng)絡由警覺(alerting)、定向(orienting)、執(zhí)行(executive)功能3個子模塊構成。Fan于2002年設計出一個研究范式用于同時考查注意網(wǎng)絡的3個子系統(tǒng),并被應用于注意網(wǎng)絡的研究[13~15]。目前研究認為,警覺是指維持大腦的靈敏狀態(tài)以接受信息的傳入,定向是指從傳入的感覺中選擇信息,執(zhí)行控制是指解決反應中的沖突。目前注意網(wǎng)絡已被應用于多種疾病的研究,比如注意缺陷多動障礙(attentiondeficithyperactivitydisorder,ADHD)、老年癡呆癥(Alzheimer’sdisease,AD)、高血壓(hypertension)等。我們以往的實驗考查了高溫下注意網(wǎng)絡的變化,發(fā)現(xiàn)僅在執(zhí)行子系統(tǒng)的反應存在差異,而執(zhí)行系統(tǒng)的涉及腦區(qū)包括前扣帶回、背外側前額葉皮質、右頂上小葉、右頂下小葉。Posner等的理論認為,執(zhí)行功能并不單一依賴于前扣帶回,而是有賴于多個腦區(qū)間的神經(jīng)網(wǎng)絡聯(lián)系,相互協(xié)作完成。MacDonald等人通過任務切換方式的Stroop任務進行fMRI分析得到與其他學者相似的結論:前扣帶回主要功能為發(fā)現(xiàn)沖突而背外側前額葉主要功能為解決沖突[22~24]。綜合文獻和我們的研究結果,我們認為執(zhí)行子系統(tǒng)在注意網(wǎng)絡中是容易受到外界因素影響的,而這個子系統(tǒng)是由幾個腦區(qū)共同組成的,這幾個腦區(qū)之間的關系對理解執(zhí)行子系統(tǒng)的構成和功能劃分有一定的意義,我們采用Granger因果分析方法對注意網(wǎng)絡的執(zhí)行子系統(tǒng)進行研究,對執(zhí)行系統(tǒng)的激活部位進行效應連通性和前后影響的因果關系進行分析,探討前扣帶回、背外側前額葉皮質、右頂上小葉、右頂下小葉在執(zhí)行網(wǎng)絡中的相互關系。1數(shù)據(jù)和方法1.1實驗總結和告知方案被試者選用15例(男性8例,女7例)健康受試者,年齡21~30歲,平均年齡(25.2±2.8)歲。視力或矯正視力正常,之前均未參加過類似實驗且沒有長期服用影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物史。被試者實驗前均被詳細告知實驗內容并取得書面知情同意。要求被試者參加實驗前24h內避免劇烈運動。1.2方法1.2.1掃描參數(shù)及掃描機理功能磁共振(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)掃描參數(shù):使用GE1.5THD磁共振成像系統(tǒng)(GeneralElectric,Milwaukee,Wisconsin)進行掃描,采用8通道相控陣線圈。1.2.2tionnet犯罪率ant采用Fan等人設計的注意網(wǎng)絡實驗范式(attentionnetworktest,ANT)。刺激流程如圖1。通過實驗設計可以計算注意網(wǎng)絡,其執(zhí)行網(wǎng)絡的計算方法如下:執(zhí)行網(wǎng)絡=箭頭不一致-箭頭一致1.3數(shù)據(jù)分析1.3.1fmri數(shù)據(jù)分析我們使用SPM8(statisticalparametricmapping8,SPM8)分析軟件對從實驗中獲取的fMRI數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理和統(tǒng)計參數(shù)分析。統(tǒng)計閾值概率設定為P<0.05,激活范圍閾值設定為25個體素(圖2),見表1。1.3.2roi時間序列本研究中,在已激活區(qū)域選取與激活區(qū)峰值點相鄰的85個體素做為興趣區(qū)(regionsofinterest,ROI),分別設定前扣帶回為ROI1、背外側前額葉皮質為ROI2、右頂上小葉ROI3、右頂下小葉為ROI4(圖3),一個ROI內時間序列為參考函數(shù)時間序列x(t),另一個時間序列為y(t),采用1階向量自回歸(vectorautoregressive,VAR)模型,我們用系數(shù)的方法分別計算每2個ROI的Fx2y和Fy2x。其值正值表示從x(t)到y(tǒng)(t)的影響,負值表示從x(t)到y(tǒng)(t)的影響。1.3.3統(tǒng)計學處理利用SPSS18.0軟件對數(shù)據(jù)結果進行統(tǒng)計分析,把Fx2y和Fy2x的結果分別進行單樣本T檢驗,定義P<0.05為具有統(tǒng)計學意義。2結果2.1mr掃描過程數(shù)據(jù)15例受試者注意網(wǎng)絡任務的正確率為(92.6±14.0)%,大于85%。2例被試數(shù)據(jù)因MR掃描過程中,頭動大于0.5mm或轉動大于0.5°而被舍棄。最終采用13例被試數(shù)據(jù)進行分析。2.2系統(tǒng)的規(guī)模效應MRI結果顯示參與執(zhí)行功能的腦區(qū)主要包括前扣帶回、背外側前額葉皮質、右頂上小葉和右頂下小葉。2.3系統(tǒng)格林威治分析的結果對選取的ROI進行Granger因果分析,見表2(圖4)。3運行結果分析執(zhí)行子系統(tǒng)的激活腦區(qū)位于前扣帶回、背外側前額葉皮質、右頂上小葉、右頂下小葉,這與文獻報道的執(zhí)行子系統(tǒng)的定位腦區(qū)基本一致。本實驗的行為學結果正確率為(92.6±14.0)%證實我們的fMRI結果是可靠的。Silton等人采用情緒字Stroop任務和顏色字Stroop任務實驗范式,并利用腦電結合fMRI的方法,研究發(fā)現(xiàn)額葉的激活先于頂上小葉。在我們的研究中也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象,這表明Granger因果分析方法可以應用于ANT實驗腦功能連接的研究。本研究利用Granger因果分析對注意網(wǎng)絡中執(zhí)行功能的激活腦區(qū)進行研究,結果表明:在執(zhí)行注意網(wǎng)絡任務時前扣帶回首先激活然后背外側前額葉、頂上小葉、頂下小葉依次激活。這說明前扣帶回可能為首先發(fā)現(xiàn)沖突的腦區(qū),而背外側前額葉、右頂上小葉、右頂下小葉為解決沖突的腦區(qū)。Posner認為,執(zhí)行功能并不單一依賴于前扣帶回,而是有賴于多個腦區(qū)間的神經(jīng)網(wǎng)絡聯(lián)系,相互協(xié)作完成;而腦區(qū)的作用并不是均等的,可能存在某一腦區(qū)的激活優(yōu)先于另一腦區(qū)的現(xiàn)象。MacDonald等人[22~24]的研究也認為前扣帶回主要功能為發(fā)現(xiàn)沖突而背外側前額葉主要功能為解決沖突。本研究的結果支持上述前扣帶回主要功能為發(fā)現(xiàn)沖突而背外側前額葉主要功能為解決沖突的理論;同時,我們的研究首次發(fā)現(xiàn)了執(zhí)行功能所涉及的腦區(qū)存在一個由背外側前額葉、右頂上小葉、右頂下小葉所形成的單向回路。該單向回路的激活時間順序從背外側前額葉到右頂上小葉再到右頂下小葉最后回到背外側前額葉。這個其單向環(huán)路的發(fā)現(xiàn)提示頂葉也參與了執(zhí)行功能并且可能對背外側額葉有反饋作用。有的研究發(fā)現(xiàn)前扣帶回在時間上晚于背側前額葉。Markela-Lerenc等人利用腦電實驗對真假顏色字Stroop任務的結果進行分析,認為前扣帶回負責控制而背外側前額葉對其具有調節(jié)的作用,前扣帶回活動時間晚于背外側前額葉并在出現(xiàn)時間上存在交集。我們認為結果存在差異的原因是因為實驗范式和研究方法不同。腦電分析的缺陷是空間分辨率很低,而我們的實驗范式在保證了fMRI較高的空間分辨率的同時,也保證了時間分辨率。同時腦電既不能準確反映腦區(qū)上的激活也很難處理神經(jīng)元不同步的現(xiàn)象,而諸如此類問題利用fMRI和Granger因果分析的方法可以得到很好的解決。本研究首先利用fMRI確定了執(zhí)行功能的實際的激活區(qū)域,然后對每個激活區(qū)進行Granger因果分析,相比其他腦功能效應連接分析方法而言,我們無需事先假設不同腦區(qū)之間存在解剖或功能上連接性,同時選取激活位置做為ROI比手工畫取ROI更具有準確性,分析時考慮了所有變量之間的相互影響,更為立體地體現(xiàn)了兩個ROI之間的因果關系,能更準確地反映功能腦區(qū)的連接方式。通過Granger因果分析的方法計算執(zhí)行網(wǎng)絡中前扣帶回與其他腦區(qū)的關系在認知研究中有著重要的作用,可以