核磁共振成像在脑连接方面探究

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1、核磁共振成像在脑连接方面探究摘要：大脑是人体最复杂的器官，担负着对所有高级认知活动的管理。而脑连接技术则是一种研究人脑结构和功能的最常用的、非常有效的手段。基于核磁共振成像技术获得的数据，介绍脑连接的研究进展。关键词：脑连接；核磁共振成像；多模态融合中图分类号：R310文献标识码：A文章编号：1671—7597(2012)1020027-010引言经过漫长历史岁月的进化，人类的大脑已非常的发达和复杂，其担负着个体运动、感觉、语言、思维、记忆等行为[1]。因此，研究人脑结构和功能便成为了人类探索世界的重要课题之一。由于人脑中约有一千多个

2、神经元，而这些神经元又通过大量神经突触相互连接，因此可以说人类大脑是宇宙间最复杂的系统之一。但是，要掌握大脑的工作规律可以采用两种基本原则，即：功能分离(functionalsegregation)和功能整合(functionalintegration)。功能分离是指构成大脑的每个脑区分别负责一个具体行为的管理功能；尽管特定的脑区负责某项独立的功能，但这些区域组成的网络以及它们相互之间的作用才是产生人类行为的原因[1],这种大脑工作方式称为功能整合，在功能整合中每个具体的行为是由多个脑区共同协调完成［2］。相异于功能分离，功能整合强调

3、不同脑部位之间的相互作用和信息交换［3］；在人脑完成某一行为或任务时，有多个并不相邻的脑区共同参与，促成此活动的完成，并且这些脑区之间的功能行为具有网络特征［3］。1脑连接技术简介脑连接技术是用于研究大脑功能整合的最主要的手段，具体可分为两大类：脑功能连接与脑结构连接。功能连接指空间上远距离的神经元的时间相关性，基于实现的数学统计算法的不同，又可以分为无向的功能连接及有向的效应连接；结构连接则通过连接脑区的白质纤维束重建来实现，也可依靠人脑数据的统计计算得到［2］。2核磁共振成像技术但是不管哪种脑连接技术都必须依存于某一种具体的脑成像

4、方式。人脑成像按原理可分三类：一是测量神经活动的电或磁信号，如事件相关电位(event-relatedpotential,ERP)、脑电图(electroencephalogram,EEG)以及脑磁图成像(magnetoencephalography,MEG)等。二是通过放射性核素衰变信号测量神经代谢水平从而反映脑的活动，如单光子发射型计算机断层显像技术(single-photonemissioncomputedtomography,SPECT)、正电子发射型断层显像技术(positronemissiontomography,PET)

5、等［3］。除了上述两种方式之外，还有利用氢原子核磁共振信号强弱反映大脑结构或功能信息的核磁共振成像，包括结构核磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)、基于血氧依赖水平的功能核磁共振成像(bloodoxygenleveldependentfunctionalmagneticresonanceimaging,BOLD-fMRI)以及弥散张量成像(diffusiontensorimaging,DTI)等。而其中的核磁共振成像由于具有：1)无创，对人体无害；2)多次，重复测量；3)小于毫米级的空间分辨率；4)时

6、间分辨率约在1秒等特点，近十年内被作为主要的研究手段广泛应用于人脑领域的研究，特别是脑连接方面的研究。3基于核磁共振成像的脑连接研究进展接下来，介绍三种不同的核磁共振成像技术在脑连接领域的研究进展：3.1结构核磁共振成像把人体放于磁场中，构成人体的氢原子核在一定条件下会吸收电磁波的能量，从而产生核磁共振现象：氢质子获得能量后从低能级跃迁到高能级，而处于高能级的质子由于状态的不稳定又会自发的向低能级跃迁，损伤的能量以电磁波的形式释放出来，此电磁波被称为MR信号，并被体外的线圈接收，获得人体图像。基于上述成像原理，由于可以得到大脑内的氢质

7、子的分布情况，从而结构核磁共振成像能够获取大脑的结构图像。基于大脑结构图像，采用形态学分析方法进一步可以得到一系列包括灰质密度、体积和厚度的形态学数据［3］。然后，将各脑区之间的形态学数据进行相关性或协调性分析，其结果便可作为脑区之间结构连接强弱的度量。利用此类思想,Mechelli等通过测量人脑灰质密度首次发现人脑特定区域之间具有高度协调性差异；He等利用获得的人脑灰质皮层厚度首次构建出各脑区之间的形态学结构网络模式，并发现该网络具有“小世界”特性，从而为研究脑连接提供了一种新的途径。这些研究成果，如今已广泛用于老年痴呆病、癫痫及精

8、神分裂症等疾病的研究，其研究成果可用于分析病患和正常人在大脑结构网络方面的差异，并且采用基于结构核磁共振成像的脑连接技术还可研究正常人大脑随着年龄的发育情况等等领域。3.2基于血氧依赖水平的功能性磁共振成像BOLD-fM