基于磁共振的網(wǎng)絡(luò)分析方法在癲癇中的應(yīng)用研究.pdf

1、人類大腦能夠高效率地分離和整合多源信息,并能創(chuàng)造新知識,是已知自然界中最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。利用磁共振成像技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)分析方法探索大腦結(jié)構(gòu)和功能是現(xiàn)代腦科學(xué)研究的重要手段,取得了豐碩的研究成果,推動了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的極大進展,促進了各種神經(jīng)及精神疾病的研究、診斷和治療。癲癇是一種大腦神經(jīng)元異常同步放電導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂的疾病,癲癇無預(yù)見地反復(fù)發(fā)作給患者生活、學(xué)習(xí)和工作帶來嚴(yán)重的影響,讓其家庭背負(fù)沉重的心理和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。本文以癲癇為研究對象,

2、采用腦電、功能磁共振和彌散磁共振成像技術(shù),利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和圖論方法,系統(tǒng)探討了癲癇的血流動力學(xué)響應(yīng)函數(shù)、認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和大尺度全腦解剖結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。具體內(nèi)容如下:
　　首先,研究了慢波顳葉癲癇的血流動力學(xué)響應(yīng)函數(shù)。本研究招募的是發(fā)作間期大腦呈現(xiàn)慢波放電的顳葉癲癇患者,同步采集了他們的腦電和功能磁共振數(shù)據(jù),把腦電中的慢波作為瞬時刺激,考察由此引起的血氧水平依賴信號的變化,然后與經(jīng)典的血流動力學(xué)響應(yīng)函數(shù)進行比較。結(jié)果表明,慢波顳

3、葉癲癇患者的血流動力學(xué)響應(yīng)函數(shù)存在明顯的改變,并且有較大的個體差異,可見有必要對每一個患者建立個體的血流動力學(xué)響應(yīng)函數(shù),并且應(yīng)該對該函數(shù)做進一步的研究。
　　第二,研究了癇性放電對腦功能連通性的影響。近年來,利用腦電和功能磁共振對各類癲癇患者的腦功能連通性進行了多方面的研究,但這些研究都沒有深入探討癇性放電對功能連通性的影響。本文通過仿真不同數(shù)量和幅度的癇性放電,觀測大腦任務(wù)正和任務(wù)負(fù)網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)及二者之間功能連通性的變化情況。結(jié)果表

4、明,癇性放電的數(shù)量和幅度對腦功能連通性都存在顯著的影響,研究癲癇腦功能連通性時應(yīng)該考慮如何消除這種影響。
　　第三,研究了兒童失神癲癇認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)(cognitive control network,CCN)的結(jié)構(gòu)連接。已有研究表明兒童失神癲癇患者的認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)中功能連接發(fā)生了變化。為了探索這些改變相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),本文采用基于彌散張量成像的纖維束追蹤技術(shù),構(gòu)建了每個被試的CCN網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)患者組CCN網(wǎng)絡(luò)中主要纖維束上平均各向異

5、性(fractional anisotropic,FA)值顯著降低,平均彌散度(mean diffusivity,MD)值顯著增加,并且左側(cè)前額葉皮層到丘腦的纖維束上平均FA值與病程呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這些結(jié)果為兒童失神癲癇患者CCN網(wǎng)絡(luò)的功能連接異常提供了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),這些結(jié)構(gòu)連接異?？赡苁菍?dǎo)致患者認(rèn)知控制功能異常的重要原因之一。
　　第四,研究了兒童失神癲癇默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network,DMN)的結(jié)

6、構(gòu)連接。已有研究表明失神癲癇患者DMN網(wǎng)絡(luò)中的功能連接發(fā)生了改變。為了探索這些改變相應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),本文使用基于彌散張量成像的纖維束追蹤技術(shù),構(gòu)建了每個被試DMN網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)間的纖維束連接。結(jié)果表明,在所有被試中一致發(fā)現(xiàn)后扣帶/楔前葉到內(nèi)側(cè)前額葉、后扣帶/楔前葉到左右雙側(cè)的內(nèi)側(cè)顳葉都存在纖維束連接。通過組間統(tǒng)計比較,發(fā)現(xiàn)患者組的后扣帶/楔前葉到內(nèi)側(cè)前額葉纖維束連接上的平均FA值及連接強度都顯著降低,而平均MD值顯著增加,并且其FA值與癲癇病程

7、呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這些改變可能影響了患者DMN網(wǎng)絡(luò)的功能連接。
　　第五,研究了兒童失神癲癇的全腦解剖結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)。雖然在以往的腦電和功能磁共振研究中已發(fā)現(xiàn)失神癲癇患者大腦功能連接異常,但很少有人知道這些患者大腦結(jié)構(gòu)連接是否存在異常。本文推測,由于大腦結(jié)構(gòu)連通性破壞,反映到失神癲癇患者上就是大腦功能連接的降低。本文采用彌散張量成像的纖維追蹤技術(shù)來構(gòu)建大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由90個大腦皮層腦區(qū)和皮層下結(jié)構(gòu)組成。研究中采集了兒童

8、失神癲癇患者和健康對照組的彌散張量成像數(shù)據(jù),然后應(yīng)用圖論方法研究了這些患者的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸?jié)點屬性是否顯著改變。結(jié)果表明,患者組和對照組的白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)均表現(xiàn)出小世界特性,但是患者組的網(wǎng)絡(luò)連接強度、絕對聚類系數(shù)、全局及局部效率都顯著地下降,而特征路徑長度顯著增加。在皮層下結(jié)構(gòu)、眶額葉區(qū)和邊緣系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)患者組腦區(qū)間的纖維連接、腦區(qū)連接強度、效率等降低,并且其子網(wǎng)絡(luò)受損。本研究初步證實了兒童失神癲癇白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受到損傷。眶額葉和皮層下結(jié)構(gòu)