腦磁共振成像fmri在神經(jīng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用

腦磁共振成像fmri在神經(jīng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用

根據(jù)血液中的血氧化性依賴（bod），功能磁共振成像（mri）已廣泛應(yīng)用于腦科學(xué)、認(rèn)知和心理學(xué)的臨床和基礎(chǔ)研究。該技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)傷性、無(wú)放射性、可重復(fù)性、較高的時(shí)間和空間分辨率,并可準(zhǔn)確定位腦功能區(qū)等特點(diǎn),為腦神經(jīng)科學(xué)提供了廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)典的fMRI研究的是任務(wù)相關(guān)的腦激活,即在特定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)條件下對(duì)大腦的活動(dòng)進(jìn)行分析,研究中所顯示的腦激活信號(hào)就是由任務(wù)狀態(tài)與無(wú)任務(wù)的對(duì)照狀態(tài)相減后得到,反映了與任務(wù)相關(guān)的局部腦神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng),無(wú)任務(wù)的靜息態(tài)定義為對(duì)照狀態(tài)。而近來(lái)的研究表明,將靜息態(tài)與任務(wù)反減,即靜息狀態(tài)減去任務(wù)數(shù)據(jù)也會(huì)有腦活動(dòng)信號(hào),稱為去激活(deactivation)。大量研究發(fā)現(xiàn)即使在清醒閉眼的靜息狀態(tài)下人腦也存在著大量自發(fā)的神經(jīng)元活動(dòng),并且這些自發(fā)活動(dòng)具有較強(qiáng)的低頻同步性,這些神經(jīng)元活動(dòng)分為兩類:任務(wù)依賴(task-dependent)的和非任務(wù)依賴(task-independent),前者與特定的任務(wù)密切相關(guān),其活動(dòng)腦區(qū)根據(jù)任務(wù)種類不同而異,后者則與研究的任務(wù)沒(méi)有密切關(guān)系,不同任務(wù)導(dǎo)致的去激活腦區(qū)基本一致。任務(wù)依賴型和非任務(wù)依賴型去激活的產(chǎn)生原理類似,但兩者的生理意義有較大的不同,前者僅在特定的任務(wù)狀態(tài)時(shí)出現(xiàn),后者在通常定義的靜息狀態(tài)時(shí)就存在有組織的代謝活動(dòng),但在某些任務(wù)狀態(tài)時(shí)卻會(huì)降低。Raichle等提出人腦默認(rèn)活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(defaultmodenetwork,DMN),該網(wǎng)絡(luò)的重要特性是在無(wú)任務(wù)的清醒、靜息狀態(tài)時(shí)就存在主動(dòng)性活動(dòng),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,去激活程度隨認(rèn)知任務(wù)的難度提高而增大。利用fMRI功能連接分析發(fā)現(xiàn):扣帶回后部皮層、楔前葉、前額葉內(nèi)側(cè)皮層腦區(qū)靜息態(tài)BOLD信號(hào)波動(dòng)表現(xiàn)出較高的時(shí)間相關(guān)性。之后大量研究進(jìn)一步補(bǔ)充、驗(yàn)證該假說(shuō),發(fā)現(xiàn)了與上述研究結(jié)果一致的去激活腦區(qū):扣帶回后部皮層、楔前葉、前額葉內(nèi)側(cè)皮層,并證實(shí)了DMN腦區(qū)在任務(wù)態(tài)與靜息態(tài)下均具有功能連接,DMN功能連接的紊亂可能會(huì)導(dǎo)致其所執(zhí)行的功能出現(xiàn)紊亂。基于任務(wù)無(wú)關(guān)去激活現(xiàn)象,研究人員提出了資源重分配的假說(shuō),該假說(shuō)認(rèn)為是外在任務(wù)引起的腦內(nèi)處理資源的重分配導(dǎo)致了去激活的出現(xiàn),出現(xiàn)任務(wù)無(wú)關(guān)去激活的腦區(qū)在靜息狀態(tài)下是活躍的,它們共同構(gòu)成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)維持著人腦在靜息狀態(tài)下的認(rèn)知功能,包括對(duì)外在環(huán)境、身體形象和狀態(tài)的注意、情感處理,還包括在靜息狀態(tài)下可能正在進(jìn)行的內(nèi)在的“思考”。這些“思考”過(guò)程通常是自發(fā)開始和自參考的,并且與特定的外在任務(wù)需求無(wú)關(guān)。當(dāng)大腦從事外在任務(wù)時(shí),這些有組織的進(jìn)程受到干擾或被打斷,相關(guān)區(qū)域的處理資源供應(yīng)就會(huì)減少,轉(zhuǎn)移到與外在任務(wù)相關(guān)的區(qū)域,此時(shí)處理資源減少的區(qū)域就會(huì)表現(xiàn)為去激活,增加的區(qū)域則表現(xiàn)為激活。1靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)的功能激活研究對(duì)于任務(wù)相關(guān)的腦功能成像的數(shù)據(jù)處理,最常用的研究方法是模型驅(qū)動(dòng)法,此類方法多采取兩種不同的狀態(tài)(任務(wù)與靜息)間腦區(qū)活動(dòng)信號(hào)的差值確定激活區(qū),一般意義上的激活信號(hào)即為任務(wù)減去靜息狀態(tài)所得的信號(hào),它反映了與任務(wù)相關(guān)的局部腦神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)。另外一種處理方法是將靜息狀態(tài)減去任務(wù)狀態(tài)的數(shù)據(jù),也可得到激活信號(hào),它反映了大腦在無(wú)任務(wù)時(shí)仍然存在相關(guān)的活動(dòng)。但對(duì)于靜息狀態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)的研究多采用功能連接的方法來(lái)測(cè)量功能腦區(qū)之間的關(guān)系。功能連接定義為兩個(gè)空間上遠(yuǎn)離的腦區(qū)之間的時(shí)域相關(guān)性。首先選擇腦區(qū)中的一個(gè)或若干個(gè)體素作為“種子”體素,然后把大腦中的所有其他體素的時(shí)間序列與“種子”體素的時(shí)間序列作互相關(guān),最后返回空間點(diǎn)得到功能連接圖。利用這個(gè)方法,如有腦區(qū)與“種子”腦區(qū)顯示出高度時(shí)域一致性,則認(rèn)為這些腦區(qū)與“種子”腦區(qū)共同構(gòu)成了一個(gè)與大腦某種功能有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。靜息態(tài)下,大腦神經(jīng)元活動(dòng)伴隨著腦血流的增加,局部腦血流的增加改變了血氧水平,進(jìn)而改變了fMRI過(guò)程中BOLD信號(hào)。大腦神經(jīng)元的自發(fā)活動(dòng)在大腦功能連接的區(qū)域存在同步的低頻振蕩,表現(xiàn)出高度的時(shí)間一致性。因此可以根據(jù)功能區(qū)域時(shí)間過(guò)程的相關(guān)性來(lái)研究腦區(qū)的功能連接。利用靜息腦功能成像還可以研究不同腦區(qū)之間的功能相關(guān)性(functionalconnectivity),利用功能相關(guān)分析,可以測(cè)量各個(gè)腦區(qū)與被研究區(qū)的相關(guān)系數(shù),與其他腦區(qū)顯示不正常功能相關(guān)連接的腦區(qū)其自己本身并不一定不正常,利用不同的方法研究阿爾茨海默病(Alzheimerdisease,AD)、注意缺陷多動(dòng)癥、精神分裂癥和老年抑郁等患者的靜息態(tài)默認(rèn)功能網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)這些患者存在異常的默認(rèn)功能網(wǎng)絡(luò)。1.1ADAD的靜息態(tài)腦功能改變是目前臨床研究較為集中的領(lǐng)域,記憶功能損傷和高級(jí)認(rèn)知功能的逐漸下降是AD患者最初的臨床表現(xiàn),而顳葉內(nèi)側(cè),特別是海馬,是人腦記憶功能的中樞,也是AD早期靜息狀態(tài)代謝活動(dòng)減弱的區(qū)域之一。Greicius等研究結(jié)果表明,AD患者的靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)低于健康的老年人,海馬作為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,對(duì)了解AD病情的發(fā)展具有重要的作用。Greicius等,Lustig等及Rombouts等在有關(guān)AD去激活的腦功能成像研究中均發(fā)現(xiàn),輕度認(rèn)知障礙或AD扣帶回后部和鄰近楔前葉的去激活減少或消失,扣帶回后部皮層及鄰近的楔前葉的異常改變可作為敏感且特異的診斷AD的指標(biāo)。聯(lián)合利用fMRI和正電子斷層掃描(positionemissiontomography,PET)研究發(fā)現(xiàn),在AD患者這一默認(rèn)功能網(wǎng)絡(luò)的腦區(qū)出現(xiàn)淀粉樣物質(zhì)的沉積,AD進(jìn)展的早期階段,扣帶回后部和鄰近楔前葉即可出現(xiàn)明顯的萎縮及代謝異常,提示這些靜息態(tài)高代謝的部位是AD患者最容易受累的部位。Wang等發(fā)現(xiàn)AD患者左、右側(cè)海馬與其他腦區(qū)的功能連接存在異常,而且正常人海馬功能連接的雙側(cè)不對(duì)稱現(xiàn)象在AD患者中消失。1.2老年抑郁癥有研究表明靜息態(tài)下抑郁癥患者存在默認(rèn)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的異常。MRI研究表明精神壓抑、精神失調(diào)患者中出現(xiàn)某些腦區(qū)的不正常激活。激活減弱腦區(qū)主要表現(xiàn)在腦皮層區(qū),包括后側(cè)前額葉皮質(zhì)和前扣帶皮層。但是邊緣區(qū)的腦激活反而增加,如丘腦內(nèi)側(cè)、紋狀體、扁桃體;Anand等發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者前扣帶回與邊緣系統(tǒng)(杏仁核、蒼白球和丘腦)間功能連接降低,與正常對(duì)照者比較,抑郁癥患者雙側(cè)前額中部與楔前葉、雙側(cè)后扣帶回與前額中部、右后扣帶回與楔前葉、雙側(cè)前扣帶回腹側(cè)與前額中部的功能連接減低,靜息態(tài)下抑郁癥患者默認(rèn)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)腦區(qū)間的連接效能存在異常。Yuan等研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者與健康人相比,其額葉、顳葉和頂葉功能區(qū)的激活降低,而扣帶回和丘腦功能區(qū)的激活增強(qiáng)。也有研究認(rèn)為靜息態(tài)下抑郁癥患者前額中部代謝增強(qiáng)。抑郁癥患者前額中部的代謝異?？赡軙?huì)表現(xiàn)為前額中部與楔前葉、后扣帶回、前扣帶回腹側(cè)之間的功能連接異常,靜息態(tài)下這種功能協(xié)調(diào)性的紊亂可能與抑郁癥患者具有持續(xù)的情緒負(fù)擔(dān)、情感整合異常等癥狀特征密切相關(guān),靜息態(tài)下抑郁癥默認(rèn)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連接效能降低、協(xié)調(diào)性紊亂。1.3精神分裂癥在精神分裂癥、焦慮癥等精神疾病的研究中已顯示,患者DMN的功能連接存在異常。精神分裂癥患者兩側(cè)海馬與其他腦區(qū)如后扣帶皮層、視皮層、中側(cè)前額葉皮質(zhì)和海馬旁回的功能連接減少,而這些腦區(qū)與事件記憶和情景記憶有關(guān)。海馬與其他腦區(qū)的功能連接表明海馬在記憶尤其是時(shí)間記憶中起重要作用。穹窿是連接海馬和其他功能腦區(qū)的最主要的通道,這些神經(jīng)細(xì)胞通過(guò)視丘下部通向海馬區(qū)。穹窿神經(jīng)細(xì)胞受到損傷毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)導(dǎo)致海馬與其他腦區(qū)間的結(jié)構(gòu)連接。Garrity等發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的高頻部分相對(duì)于正常人存在異常;Liang等發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者全腦范圍內(nèi)皮層間的功能連接相對(duì)于正常人顯著降低,與小腦有關(guān)的功能連接顯著增加。1.4兒童注意缺陷多動(dòng)障礙(attentiondeficithyperactivitydisorder,ADHD)ADHD表現(xiàn)為腦部某些特定功能區(qū)比正常對(duì)照組體積縮小,包括前額葉、尾葉、小腦、小腦蚓部。Tian等在注意缺陷多動(dòng)障礙兒童的fMRI研究中發(fā)現(xiàn)背外側(cè)前扣帶回(DACC)與其他腦區(qū)的功能連接顯著增強(qiáng)。ADHD的fMRI研究表明ADHD患者前額葉較正常兒童功能低下。Schulz等發(fā)現(xiàn)ADHD患者左上扣帶皮層的腦激活明顯增強(qiáng),而Tamm等用相同的激活任務(wù)發(fā)現(xiàn)其右上扣帶皮層的激活減弱。2靜息態(tài)認(rèn)同功能網(wǎng)絡(luò)任務(wù)相關(guān)的fMRI腦功能成像研究以無(wú)任務(wù)的靜息狀態(tài)作為對(duì)照進(jìn)行研究,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)相減所得。而近來(lái)研究發(fā)現(xiàn),大腦在沒(méi)有任務(wù)