fmri在正常青年患者計算時腦活動情況的分析

計算是人類最基本的思維活動之一。通過計算任務研究大腦的活動機制已成為國內外對大腦活動的研究領域。目前國內進行計算任務的功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)研究尚不多見。本實驗通過對正常青年受試者計算任務的fMRI進行研究分析,探討計算情況下的腦部活動。1數據和方法1.1治療前腦圖像受試者為醫學院學生,共18例,均身體健康,無嚴重的神經系統疾病史和精神病藥物服用史。雙眼裸眼視力或矯正視力正常(近視者掃描時佩戴隱形眼鏡)。所有受試者均為大專及以上學歷,17例為右利手,1例為左利手。其中男10例,女8例,年齡18~24歲,平均21歲。1.2激發回波時間和激發反應時間計算正確率采用Philips公司1.5T超導型Eclipse磁共振成像系統。頭正交線圈。受試者實驗時仰臥,頭部加用軟海綿固定于線圈內以減少頭部運動。實驗任務由E-prime編成文件,由磁共振機EPI序列脈沖控制計算機自動同步播放,與計算機連接的投影儀將任務內容投影到屏幕上。受試者通過安裝在線圈上的反光鏡可以觀看屏幕上的內容。另外有一個按鈕盒作為反饋系統與計算機相連,由E-prime軟件接收受試者的反饋信息,來統計受試者的不同任務的計算正確率和反應時間。先使用自旋回波(SE)脈沖序列獲取20層橫軸面T1W解剖圖像,掃描參數為:TR500ms,TE12.1ms,翻轉角90°,層厚6mm,無間隔,矩陣192×256,激勵次數(NEX)2。然后采用BOLD技術,應用單次激發回波平面成像梯度回波序列(gradientEPI),在T1WI同樣的層面上進行功能成像。EPI掃描參數為:TR3000ms,TE40ms,翻轉角90°,視野(FOV)24cm×24cm,矩陣64×64,層厚6mm,無間距,激勵次數(NEX)1。簡單、復雜計算間隔以靜息期,簡單、復雜計算激發和采集期次數各為40次,全期160次。同時我們也對每個受試者作全腦容積掃描以獲得全腦3D圖像,容積掃描(RAPIDPRE)參數為:TR11ms,TE3.98ms,翻轉角35°,視野(FOV)24cm×24cm,矩陣128×256,層數100,層厚1.5mm,無間距,激勵次數(NEX)3。受試者在接受檢查前均接受短暫培訓,以期能全力配合。1.3做難以操作的任務,s本試驗采用組塊設計。任務組分為簡單任務和復雜任務兩個水平。簡單任務為20以內不退位減法,復雜任務為二位數退位減法。減法公式呈現時間2500ms,中間間隔500ms,在這3s當中,要求被試者判斷減法公式的結果是否正確,當計算任務的結果和給出的答案相符時,右手食指按1鍵;如不符,右手中指按2鍵。對照組采用無運算符號且與任務組等長字符的數字串,判斷出現數字的奇偶,數字串呈現時間2500ms,中間間隔500ms,奇數右手食指按1鍵;偶數,右手中指按2鍵。任務組與對照組交替出現,共重復4次。簡單任務與復雜任務的排列順序由隨機量表決定。共獲取EPI圖像3200幅。1.4統計分析及過程首先對實驗中電腦記錄的受試者反應正確率進行檢查,將簡單計算及復雜計算任務中正確率低于80%的受試者數據舍棄(如受試者在按鍵時有缺失,則計算正確率時該計算個數從總數中刪去)。采用SPSS11.0軟件比較簡單及復雜數學計算任務的反應時間及準確率有無統計學差異,檢驗水準α=0.05。采用SPM2軟件系統對fMRI實驗數據作統計分析。預處理包括運動校正、空間標準化和空間平滑處理。將運動校正中檢測到頭部三維平移超過0.5mm、三維旋轉超過0.5°的數據舍棄。統計閾值概率設定為P<0.001,激活范圍閾值設定為20個像素,即連續激活像素數達到20以上的區域考慮為有意義激活區。后處理方式采用兩種:組分析及組間分析。組間分析:對每個志愿者實驗數據進行獨立分析,將獲得的腦激活圖疊加于Talairach標準三維模板腦,記錄各主要激活區的激活例數。獲取簡單比控制,復雜比控制的t檢驗后的腦激活圖,進行功能區定位。組分析:將志愿者的實驗數據進行鏈接,一同進行二次統計分析,獲得簡單與復雜計算的平均腦激活圖,疊加于Talairach標準三維模板腦,獲取簡單及復雜計算中激活腦區的面積及強度。2平均激活圖18例受試者中,均無頭部三維平移超過0.5mm、三維旋轉超過0.5°的病例。18例受試者的反應時間、正確率見表1。18例受試者中,2例復雜計算任務中正確率低于80%,故舍去不用;1例為左利手,另作分析。15例受試者的平均激活圖(圖1~4)顯示:簡單計算中,主要見雙側頂上、下小葉、雙側額前區激活。另外,右側中央溝、枕葉及左側的運動前區、雙側小腦亦可見激活;復雜計算中,右側的頂上下小葉、左側的頂上小葉、雙側額前區、扣帶回的前方及雙側枕葉、小腦、顳下回的后方可見激活。簡單與復雜計算相比,僅在左側頂下小葉、雙側中央溝區及右側額葉眶回見少量激活。復雜與簡單計算相比,兩側的頂上下小葉、雙側額前區、扣帶回的前方、右扣帶回的后方及雙側枕葉、小腦、中腦可見激活。橫斷面圖顯示了同樣的激活(圖5)。組間分析顯示:不同受試者兩種任務中的主要激活腦區的例數見表2,簡單計算、復雜計算與控制組比較的腦功能區的激活范圍及強度見表3。3討論3.1epi圖像的獲取目前,BOLD實驗的任務設置主要有兩種:組塊設計及隨機事件設計。組塊設計由于其簡單、后處理簡便及效果較好而被廣泛使用。本實驗采用組塊設計,任務組為簡單運算(20以內不退位減法)及復雜計算(二位數退位減法),控制組采用觀看屏幕上出現的數字串,并判斷奇偶,奇數食指按1鍵;偶數,則中指按2鍵。數字串的長度與任務組字符長度相同,要求受試者從左向右看完數字后再進行判斷。任務組和對照組交替出現,重復4次,任務組中簡單任務和復雜任務的出現隨機排列。共獲取EPI圖像3200幅。筆者認為控制組設置為觀看屏幕上出現的等長數字串較以往靜息狀態觀看“+”相比更為合理,以數字串作為控制組,能部分消除任務組在視覺空間上觀察數字、比較判斷所引起的腦區激活,更能反映計算后腦部的活動區域。3.2復雜計算腦激活的部位本實驗在簡單及復雜計算任務時主要可見雙側額前區、頂葉、小腦及枕葉的激活(表2,圖1、2、5)。組間分析時,簡單計算12例受試者可見雙側額前區激活,1例受試者可見右側額前區激活;復雜計算時13例受試者可見雙側額前區激活,左、右側額前區的單側激活各見1例。頂葉在簡單計算時可見5例雙側、6例左側、3例右側的激活,復雜計算時可見10例雙側、3例左側、2例右側的激活。其平均激活圖中顯示:簡單計算中,主要可見雙側頂上、下小葉、雙側額前區激活,另外,右側中央溝、枕葉及左側的運動前區亦可見激活;復雜計算中,可見兩側的頂上下小葉、雙側額前區、扣帶回的前方及枕葉可見激活,復雜計算時相應腦區的激活面積較簡單計算時大。可見額前區和頂葉與計算活動密切相關。前額葉皮質在靈長類發育變大,在人類尤其明顯。因此,目前普遍認為,該區與高級精神活動有關。前額葉皮層在計算過程中可能負責計算策略的選擇、對計算過程進行排序、監控,并在結果選擇時克服錯誤選項的干擾等,是工作記憶的重要部位。本實驗在計算中,先要計算減法結果,進行結果的暫存,然后與結果對比,判斷對錯,因此需要工作記憶的參與,引起前額區激活。另外,兩種計算中還可見小腦、枕葉有較多激活(表2),且在復雜計算時更為明顯,與文獻報道相符。筆者認為,小腦的主要功能是維持身體的平衡、調節肌張力和協調運動,另外還可能參與運動學習,對學習、記憶和時間等進行調控。枕葉的激活可能主要與受試者的視覺刺激有關,簡單計算時,枕葉激活不明顯,筆者認為這是以數字奇偶判斷作為對照組,因此在后處理時枕葉的激活相對表現不顯著;而隨著計算難度的加大,受試者計算時視覺停留的時間及緊張度增加,故造成激活強度及范圍的增大。本實驗中,簡單計算的平均腦激活圖中未見明顯扣帶回的激活,但是個體的組間分析中可見3例激活。復雜計算的平均腦激活圖中可見有扣帶回的激活,組間分析中可見9例激活。作者認為這是因為本實驗是以數字作為對照組,簡單計算時扣帶回的激活在對比過程中被減去了,而復雜計算時由于扣帶回的激活強度增大,雖然以數字作為對照減去了部分的激活,但是在最后的結果仍可見有激活。文獻認為扣帶回是計算的主要部位,筆者認為這是因為其實驗設計是以A~I的單一字母作為對照組,所以扣帶回的激活相對顯著。另外,在計算任務中少數受試者還出現了顳葉、腦干、運動前區、Broca區等部位的激活,仍以復雜計算時明顯。筆者認為,計算尤其是復雜計算,是人腦的一個高級思維過程,不同個體之間計算的速度、熟練程度稍有不同,腦內的激活程度、范圍也會有所差異。部分被試者在計算時有默念的習慣,造成運動性語言中樞的激活(左側Broca區)。3.3區、右扣帶回簡單及復雜計算任務時主要激活的腦區大致相似,因為這兩種計算均包括減法的運算、結果的獲取及大小對比判斷的過程,但是復雜任務時腦激活的面積明顯增多,范圍更廣(圖1~5,表3)。簡單與復雜計算相比僅在左側頂下小葉、雙側中央溝區及右側額葉眶回見少量激活(圖3)。復雜與簡單計算相比,右側的頂上下小葉、左側的頂上小葉、雙側額前區、扣帶回的前方、右扣帶回的后方及雙側枕葉、小腦、中腦可見激活(圖4)。筆者認為這是因為復雜計算任務由于需要進行退位計算,其難度較大所致。如表1所示,復雜計算時正確率為85.37%,低于簡單計算96.10%;反應時間為1.87s,長于簡單計算1.51s。二者之間均有明顯的統計學意義(P<0.05)。由于復雜計算時難度加大,腦部計算時需要更多的功能子系統參與,相關功能區需要動員更多的神經元參與應對復雜任務,因此激活了更多的相關的功能區。由表3可見,復雜計算時各主要激活部位的激活面積均明顯大于簡單計算,激活強度除右側頂下區外,均高于簡單計算的激活強度。3.4頂葉激活的偏側性Chochon認為在比較工作中,右側頂下區和額前區的激活更為重要,而在左側,乘法任務更為重要,減法任務中雙側均有明顯激活,認為頂葉背側通路是數學計算任務的基礎。本實驗為減法任務,