数字记忆和加减计算的脑功能磁共振成像研究

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1、南方医科大学博士学位论文数字记忆和加减计算的脑功能磁共振成像研究姓名：张增强申请学位级别：博士专业：神经生物学指导教师：舒斯云;刘振华20080421博士学位论文数字记忆和加减计算的脑功能磁共振研究博士研究生：张增强指导教师：舒斯云指导小组：刘振华周光斗吴永明摘要研究背景在对人脑解剖学和形态组织学有了比较充分了解的今天，研究大脑活动的工作机制，正成为本世纪人们迫切探索和最具挑战性的课题。无创性脑功能成像是对大脑活动时真实信息的直观的观测，能可靠地揭示大脑生理和精神运动规律，是研究脑功能的可视化工具。到目前，主要的脑功能成像方法有事件相关

2、电位(event-relatedpotential，ERP)、脑磁图(magneticencephalography,MEG)、正电子发射断层成像(positronemissiontomography,PET)、单光子断层成像(singlephotonemissioncomputedtomo鲫hy，SPECT)和功能磁共振成像(functionalmagneticresonalIccimaging，flVlRI)。早期的fiVIR／对大脑的观测需要引入顺磁性造影剂，将有无造影剂两种图像相减得到脑激活时血流变化数据。1992年，血氧水平依

3、赖性对比度的概念提出后，才标志着用MRI完全无损地测量脑激活信息实验时代的开始。血氧水平依赖性(bloodoxygenleveldependent，BOLD)这一现象术语最早由Ogawa等人在1992年发现和命名。基本原理是当大脑受到某种刺激后，神经组织的集体活动引起了周围毛细血管内脱氧血红蛋白(顺磁性)与氧和血红蛋白(抗磁性)浓度比先上升后下降，而代谢率增加又使得局部血流增多，总效应是局部含氧量增加，磁化率增加导致T*2信号增强。通过一定的实验刺激，使被试的大脑处于交替“静息"和“任务"状态，用快速成像序列一回波平面成像技术(echo

4、planarimaging，EPI)对各层面进行摘要T*2加权成像，得到功能像。由于BOLD．flVIRI融合了MRI和EPI技术中的高时、空间分辨率和高信噪比的成分，可以同时获得形态和功能图像，并且较PET和脑磁图相对更易普及，因此，flVIRI成为当今在认知神经科学研究中脑功能成像的主流技术。数字记忆和数字计算是人脑的基本认知功能，探索其神经解剖基础是人类生命科学研究的重要课题。删可以对数字加工和计算相关神经网络进行深入研究和脑功能区定位。数字信息的处理可分为语言和非语言两种，数字的读、听、写等属于语言数字处理过程，而比较大小、排序

5、和近似判断等属于非语言数字处理过程。不同的实验任务对两种数字加工形式的依赖程度不同，每一种数字加工的神经基础都涉及多个脑区。数字短时记忆的相关脑区至少包括了左侧背外侧前额叶、扣带回和枕内侧皮层。数字工作记忆也属于短时记忆的范围，但与数字记忆广度不同的是，它要求被试将不断出现的数字信息记忆、储存并与以前记住的数字进行比较、判断，为复杂的任务比如学习、计算和推理等提供临时的储存空间和加工时所必需的信息。目前研究认为，额顶叶网络，尤其是额叶在工作记忆的处理过程中起着非常重要的作用。目前，正常人及计算障碍病人进行数字计算的flV[RI研究的实验

6、设计多采用组块设计模式，把大脑分成功能状态(on)和静息状态(off)。在每个刺激组块内给予8～10个计算内容，反复进行3~6个组块刺激，研究发现多数脑区激活有相当大的变异，但结果提示额叶和顶叶皮层在数字计算中有重要作用。在额叶，除左额叶背外侧面外，左额下回后部和运动前区也与计算密切相关。正常人在进行单个数字乘法计算、近似判断和连续减法计算时左侧项下小叶激活，同时也经常发现右侧顶下小叶激活，乘法计算激活区位于顶下小叶与楔前叶之间。左右扣带回也常有激活。大量的脑功能成像和神经行为学研究都证实大脑皮层在数字认知方面的重要作用，并已有了初步的

7、数字认知成分的功能定位。也有研究发现数字任务能引起小脑、丘脑、基底神经节等结构的激活，但是没有引起重视，也未能做出很好的解释。纹状体边缘区是1988年舒斯云在研究大鼠的脑纹状体时发现在新纹状体尾侧，围绕苍白球外侧，有一条密集排列的梭形细胞带组成的新月形区Ⅱ博士学位论文域，根据其位置命名为纹状体边缘区(简称边缘区)。经过近二十年的研究，发现边缘区的功能主要与学习记忆有关。最近的视觉／听觉数字工作记忆fMRI研究发现，在进行这些数字任务时，也有边缘区的激活。临床病例也显示，如基底节、脑干神经核和小脑的病理损害伴随着认知改变，包括智力迟钝、人

8、格改变，以及后天获得知识(如计算)的损害。那么，基底神经核、小脑等结构是否和大脑皮层一样参与了数字处理过程?边缘区在数字加工和数字计算过程中的作用如何，边缘区与其他已知计算相关的脑功能区的关系如何?我们计划