fMRI 实验概述

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1、一、fMRI实验概述总的来说，一个fMRI实验可分为三个步骤：刺激任务设计，图像采集，数据分析。刺激任务设计是要制定被试所接受的具体刺激内容（例如棋盘格图像、手指运动）以及时间模式（即块状或事件相关模式）；图像采集是获取与刺激任务同步的MRI图像（功能图像）和相应的高分辨率解剖图像；数据分析是对采集的图像进行处理，确定刺激任务引起的神经活动所在区域、发生时间等相关信息。1.1.刺激任务设计fMRI实验中采用的刺激任务内容多种多样，采用何种形式的刺激完全取决于实验者需要考察何种脑功能。刺激任务的基本组成单位是单次刺激事件，即一次持续时间很短

2、（几十到几百毫秒）的刺激，例如显示一幅持续时间为50毫秒的图像，或做一次快速握拳的动作。由于一次刺激事件所引起的BOLD信号很弱，所以在fMRI实验中，同一类型的刺激事件需要重复多次以获取足够的信噪比。这些刺激事件之间的时间关系称为刺激时间模式。fMRI实验采用的刺激时间模式可分为两类：块状模式和事件相关模式。如图1.1a所示，块状模式由周期为T的多个任务块组成，每个任务块由一对（或多对）持续时间分别为Tr和Ts的静息状态和刺激状态组成。Ts和Tr通常相等，取值在20秒到1分钟之间。在静息状态，被试不接受任何刺激；在刺激状态，被试则接受相

3、同且近似连续（相邻两次事件之间的时间间隔很短，约100－500毫秒左右）的刺激事件。块状模式的优点是设计简单，数据处理比较容易，而且所产生的BOLD信号较强，探测效率高；缺点是无法获取单次刺激事件引起的BOLD信号的时间曲线。事件相关模式（图1.1b）中的刺激事件是离散的，每相邻两次刺激事件之间的时间间隔（ISI）比较长（几秒到几十秒）。在一个刺激任务设计中，ISI可以固定不变，也可以随机变化。事件相关模式的优点是设计方式灵活多变，可以探测单个刺激事件所引起的平均BOLD曲线。其缺点是分析方法比较复杂。另外，采用事件相关模式的刺激任务产生

4、的BOLD信号较弱，探测效率低。在1.5－3TMRI系统上，块状模式产生的BOLD信号大约为3－5%,而事件相关实验则仅为1－2%。这意味着对于相同的统计效力，事件相关实验比块状实验需要更长的扫描时间。刺激任务设计方案确定之后，一般需要通过刺激任务设计软件来实现，目前比较流行的软件如E-Prime(www.pstnet.com/products/e-prime/)、Presentation(http://www.neurobs.com/presentation)。11.2.图像采集fMRI实验的图像采集包括功能图像采集和解剖图像采集两个步

5、骤。功能图像扫描与刺激任务同步进行，用来探测刺激任务在被试脑中引起的神经活动的相关信息（区域、时间、强度等等），即BOLD信号。由于功能像的分辨率和信噪比都较低，在完成功能像扫描之后，还需要扫描一幅与功能像位置完全相同的高分辨率T1图像，从而把功能像得到的脑区激活信息对应到相应的解剖位置上。T单次刺激事件TrTsa时间ISI单次刺激事件b时间图1.1.块状刺激模式（a）和事件相关模式（b）示意图。功能图像数据采集一般使用EPI梯度回波（GradientEchoEPI）脉冲序列，与刺激任务同步开始，连续重复扫描直至任务结束。例如，如果刺激任

6、务的持续时间为5分钟，EPI扫描中的重复时间（TR）选择2秒，则整个刺激任务期间，一共采集到150幅图像（5分钟/2秒＝150）。功能图像采集通常使用的扫描参数请参看表1.1。普通自旋回波（spinecho）脉冲序列用于高分辨率解剖图像（T1图像）扫描。T1图像与功能图像（EPI图像）扫描的层数和层位置均须保持一致，具体参数信息请参考表1.1。如果在一个fMRI实验中，需要对多个被试的脑激活地图进行平均，或者把单个被试的激活地图显示在标准脑上，那么除了功能像和相应解剖像之外，还需要采集一幅全脑的高分辨3率T1图像（也称作3D图像）。3D图

7、像的分辨率通常为1×1×1mm。表1.1.功能(EPI)和解剖(SpinEcho)图像采集时的扫描参数值。2系统脉冲序列FOV矩阵层厚+间距TRTE翻转角2(mm)(mm)(ms)(ms)(◦)1.5TGRE-EPI200×20064×645+120004090SpinEcho256×256256×2565+1600163TGRE-EPI256×256128×1285+120003080SpinEcho256×256256×2565+1600161.3.数据分析fMRI实验的数据处理过程比较复杂，对fMRI数据分析方法不熟悉的实验者可

8、借用fMRI数据处理软件来分析实验数据。fMRI数据处理方面的软件有很多，免费的例如SPM（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/），AFNI（http://afn