磁共振腦功能成像技術(shù)在腦功能磁共振成像中的應(yīng)用

磁共振腦功能成像技術(shù)在腦功能磁共振成像中的應(yīng)用

品嘗是口腔獨(dú)特的基本功能之一。味覺(jué)感受通路的功能是覺(jué)察食物中的相關(guān)分子,提供信息用于攝食的調(diào)節(jié),并影響人類的情感、精神活動(dòng)甚至行為特征,因此味覺(jué)不但受中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控,更會(huì)對(duì)腦功能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。近年來(lái)隨著無(wú)損傷腦功能成像技術(shù)的迅速發(fā)展,有關(guān)味覺(jué)腦功能的中樞定位,國(guó)外已有一些研究,但由于大腦功能的復(fù)雜性,所得出的結(jié)論不盡相同,還有大量的問(wèn)題有待解決。國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究較少,且未見(jiàn)利用功能磁共振成像技術(shù)(fMRI)進(jìn)行此類研究的報(bào)道。磁共振成像技術(shù)(fMRI)作為無(wú)損傷腦功能成像技術(shù)代表之一,由于其時(shí)間分辨率及空間分辨率較高,為味覺(jué)的腦功能研究創(chuàng)造了條件。本實(shí)驗(yàn)使用磁共振腦功能成像技術(shù)(fMRI),并采用能較好避免中樞預(yù)期興奮對(duì)結(jié)果造成干擾的事件相關(guān)(event-related)設(shè)計(jì),給予11例正常受試者咸味及無(wú)味對(duì)照的味覺(jué)刺激,以對(duì)咸味覺(jué)刺激時(shí)腦功能狀態(tài)及其激活模式進(jìn)行研究。1材料和方法1.1志愿者的性別和年齡健康志愿者11名,男性6名,女性5名,年齡23～35歲,平均年齡28歲。全部志愿者均為右利手,無(wú)精神和神經(jīng)病史。口頜系統(tǒng)功能正常。掃描前2h禁食,正常飲水。1.2未通過(guò)正交試驗(yàn)來(lái)排除腦功能異常fMRI采用事件相關(guān)(event-related)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。以濃度為0.1M的氯化鈉溶液作為咸味覺(jué)的刺激物,含唾液主要離子成分的無(wú)味液體(25mMKCl及2.5MmNaHCO3)為對(duì)照,以便通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析以減法模式排除與味覺(jué)無(wú)關(guān)的因素,如吞咽及口腔本體感覺(jué)等引起的腦功能變化。將以上兩種溶液通過(guò)兩條固定在唇間的聚乙烯細(xì)管送入口內(nèi),每次1mL,刺激給予時(shí)間間隔15s,刺激液體于15s開(kāi)始時(shí)給予。對(duì)每個(gè)被試兩種刺激各給予10次,并在兩者間采用隨機(jī)的順序。要求受試者在液體進(jìn)入口腔后,移動(dòng)舌頭將液體在整個(gè)口腔內(nèi)感覺(jué)然后自動(dòng)吞咽,盡量控制頭部運(yùn)動(dòng),并在實(shí)驗(yàn)前對(duì)此進(jìn)行練習(xí)。1.3成像結(jié)果的回波tr-pcr成像采用2T全身掃描儀(GE/Elscint),標(biāo)準(zhǔn)頭線圈獲取功能圖像數(shù)據(jù)。受試者仰臥,雙眼自然閉合,佩戴耳塞以減弱機(jī)器掃描噪音,并以美國(guó)BIONIX公司VF-140真空袋將受試者頭部充分固定,以避免掃描中頭動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的干擾.功能像采用單次激發(fā)梯度回波T2加權(quán)序列,主要參數(shù)為,TR=3000ms,TE=45ms,Flip=90°,FOV為373mm×212mm,Matrixsize=128×72。軸位切面,層厚6mm,無(wú)間隔。每3s可獲得20層無(wú)間隔覆蓋全腦圖像,連續(xù)掃描300s以可獲得100個(gè)時(shí)間點(diǎn)圖像。功能成像完成之后進(jìn)行矢狀面三維解剖像掃描,軸位切面,層厚6mm,無(wú)間隔。層厚2mm,無(wú)間隔,TR=25ms,TE=6ms,Flip=28°,FOV為220mm×220mm,Matrixsize=220×220。1.4統(tǒng)計(jì)分析與結(jié)果采用SPM99軟件,在Matlab和Windows2000程序上運(yùn)行。首先將所有功能像與掃描時(shí)間點(diǎn)最接近三位解剖像的功能像應(yīng)用正弦(sinc)插值法進(jìn)行頭動(dòng)校正,之后以腦內(nèi)灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液的信號(hào)對(duì)比將圖像進(jìn)行去頭皮分割,其中灰質(zhì)分割數(shù)據(jù)將用于解剖結(jié)構(gòu)像與功能像的對(duì)齊。對(duì)齊后的圖像與蒙特利爾(Montrealneurologicalinstitute,MNI)模版進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化。在確認(rèn)以上步驟均無(wú)圖像扭曲變形的情況下,將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)以高斯公式為核心計(jì)算法進(jìn)行半高寬(FWHM)為7mm×7mm×7mm的平滑處理,之后行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果的計(jì)算采用每一激活任務(wù)開(kāi)始后延遲6s的延遲半正弦法(delayedhalf-sincdesign),以計(jì)算血紅蛋白動(dòng)態(tài)反應(yīng)的延遲。為排除機(jī)器信號(hào)漂移,功能掃描的前1個(gè)刺激(15s)的數(shù)據(jù)棄除。因MNI模板不同于Talairach模板,使用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并將產(chǎn)生的Talairach坐標(biāo)值用Talairachdaemonclient軟件(美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)SanAntonio影像研究中心提供)進(jìn)行腦區(qū)判定。1.5研究對(duì)象的隨機(jī)效應(yīng)統(tǒng)計(jì)根據(jù)研究設(shè)計(jì)的時(shí)間序列,構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型。不同任務(wù)間的激活情況對(duì)比,采用SPM99使用普通線性模型(generallinearmodel)進(jìn)行隨機(jī)效應(yīng)統(tǒng)計(jì)。個(gè)體數(shù)據(jù)的所有體素(voxel)逐個(gè)計(jì)算,每個(gè)體素在不同情況下依據(jù)任務(wù)不同所致的BOLD反應(yīng)的不同均與各自的靜息狀態(tài)進(jìn)行t檢驗(yàn)來(lái)判定激活。組內(nèi)不同任務(wù)的激活進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn),經(jīng)計(jì)算組內(nèi)所有被試數(shù)據(jù)后判定激活。所報(bào)告的激活區(qū)均為P<0.01,單人數(shù)據(jù)及組分析均將5個(gè)以上相連像素的腦區(qū)視為激活腦區(qū)。FMRI所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)均采用SPM99軟件包提供的方法。2腦內(nèi)激活區(qū)的測(cè)定11名受試者均配合完成既定掃描,所獲圖像資料經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理及平均后得到清晰的腦激活圖,圖1、2顯示了腦內(nèi)平均激活區(qū)的情況。在咸味覺(jué)刺激下,最大范圍的激活信號(hào)出現(xiàn)在左右兩側(cè)扣帶回(24區(qū)),其次為雙側(cè)頂上小葉(5/7區(qū))、豆?fàn)詈?、左?cè)腦島和島蓋(22區(qū))、雙側(cè)頂葉中央后回(2區(qū))、右顳中回(21區(qū))等腦區(qū)。表1列出了腦內(nèi)平均激活區(qū)的位置和范圍。3事件相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的神經(jīng)解剖及神經(jīng)生理學(xué)研究,已經(jīng)積累了關(guān)于味覺(jué)器官的構(gòu)造、味覺(jué)通路的解剖學(xué)構(gòu)筑、味覺(jué)信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)、基本味覺(jué)的分類等多方面大量的理論,但其研究方法主要是尸體解剖、研究腦損傷患者及動(dòng)物試驗(yàn)等,所獲得的知識(shí)特別是相關(guān)的腦結(jié)構(gòu)與功能的知識(shí)是有限的。而近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)無(wú)損傷腦功能成像技術(shù),為與味覺(jué)有關(guān)的腦功能研究提供了客觀而有效的方法。研究表明,神經(jīng)元的活動(dòng)與細(xì)胞能量的代謝密切相關(guān)。當(dāng)人腦功能區(qū)被任務(wù)信號(hào)激活時(shí),神經(jīng)元的活動(dòng)增強(qiáng),激活的腦功能區(qū)皮質(zhì)局部血流量增加,但局部腦耗氧量增加并不明顯,這種氧的傳輸與利用之間的不匹配,導(dǎo)致激活區(qū)的脫氧血紅蛋白的濃度下降。磁共振功能成像(fMRI)中的血氧水平依賴性成像(bloodoxygenleveldependent,BOLD)技術(shù)是利用對(duì)磁化率敏感的快速高分辨梯度回波磁共振成像技術(shù),通過(guò)測(cè)定MRI信號(hào)(離散的數(shù)據(jù)點(diǎn))來(lái)反映血氧飽和度及血流量,從而間接反映腦的能量消耗,達(dá)到反映腦皮層功能活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化的目的。由于具有非侵害性、全腦可視性、時(shí)間及空間分辨率高、一次成像可同時(shí)獲得解剖與功能影像的優(yōu)點(diǎn),為味覺(jué)的腦功能研究創(chuàng)造了條件。FMRI最常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式包括組塊結(jié)構(gòu)(blockstructure)設(shè)計(jì)和事件相關(guān)結(jié)構(gòu)(event-relatedstructure)設(shè)計(jì)。前者相對(duì)簡(jiǎn)單,但由于刺激及任務(wù)按一定順序出現(xiàn),被試對(duì)兩者呈現(xiàn)過(guò)程的預(yù)期可能干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果;后者相對(duì)復(fù)雜、使用較少,但由于不同刺激隨機(jī)呈現(xiàn),能較好避免預(yù)期對(duì)結(jié)果造成干擾。目前國(guó)外利用功能磁共振成像(fMRI)技術(shù)對(duì)味覺(jué)與腦功能關(guān)系進(jìn)行研究的相關(guān)試驗(yàn)多采用組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究顯示,期待某種(甜)味覺(jué)刺激時(shí)興奮的腦區(qū),與得到該味覺(jué)刺激時(shí)興奮的腦區(qū)有所差別,這種預(yù)期在組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中對(duì)結(jié)果造成的影響難以避免。因此,本組采用事件相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),避免了因?qū)ξ队X(jué)及對(duì)照刺激的預(yù)期而造成的對(duì)結(jié)果的干擾。人類的基本味覺(jué)有4～5種,即甜、酸、苦、咸和鮮(umami)等。細(xì)胞分子生物學(xué)到目前為止對(duì)不同味覺(jué)在感受器細(xì)胞水平的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制已有了一定了解,但對(duì)中樞的味覺(jué)編碼及味覺(jué)信息在腦中的加工等方面,還有很多尚未解決的問(wèn)題。通過(guò)研究基本味覺(jué)的中樞定位,將向這些問(wèn)題的最終解決邁出又一步。根據(jù)所引起的情緒的不同,還可以將味覺(jué)刺激分為愉悅性味覺(jué)(pleasanttaste)與厭惡性味覺(jué)(aversivetaste)兩大類,而食物味道引起的情緒反應(yīng)關(guān)系到攝食中對(duì)食物的取與舍,個(gè)體的營(yíng)養(yǎng)平衡及對(duì)有毒物質(zhì)的規(guī)避,對(duì)生存意義重大,所以味刺激能對(duì)情緒產(chǎn)生影響的性質(zhì)也具有特殊意義。鹽(氯化鈉)的咸味引起的情緒反應(yīng)比較復(fù)雜,濃度適當(dāng)提高食物美味感,但過(guò)高濃度的咸味則為厭惡性的味覺(jué)(aversivetaste)刺激。此外,不同國(guó)家、地區(qū)的人群由于飲食習(xí)慣的差異,對(duì)相同濃度的氯化鈉溶液情緒反應(yīng)也可能有所差別。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行基本味覺(jué)咸味的腦功能成像研究,味覺(jué)刺激物選擇0.1M的氯化鈉溶液,使受試者既可清晰感受到味覺(jué)種類又可避免引起強(qiáng)烈情緒反應(yīng)。味覺(jué)的意識(shí)性感覺(jué)的皮質(zhì)定位,至今意見(jiàn)不統(tǒng)一。對(duì)靈長(zhǎng)類動(dòng)物的單個(gè)神經(jīng)元興奮性的實(shí)驗(yàn)研究顯示,味覺(jué)信息在味覺(jué)通路中從位于腦干的第一個(gè)中樞,經(jīng)過(guò)孤束核、丘腦、位于腦島及額葉島蓋的初級(jí)味覺(jué)中樞,到達(dá)位于眶額皮質(zhì)尾側(cè)的二級(jí)味覺(jué)中樞,其中的單個(gè)神經(jīng)元對(duì)味覺(jué)刺激的反應(yīng)的特異性逐漸增高。對(duì)人類腦損傷及手術(shù)切除部分腦組織的患者的研究,也得出與以上相一致的結(jié)果。以往的味覺(jué)腦功能成像研究,結(jié)果并不一致,味覺(jué)刺激引起興奮的腦區(qū)一般包括了已知味覺(jué)相關(guān)中樞的扣帶回前部、額葉眶回、腦島與島蓋及丘腦等,但也有研究未發(fā)現(xiàn)某些上述重要味覺(jué)中樞的興奮。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中,咸味覺(jué)引起興奮的腦區(qū),只包括上述已知的味覺(jué)通路中被認(rèn)為是初級(jí)味覺(jué)中樞的腦島及島蓋,且均為左側(cè)的優(yōu)勢(shì)半球。以往的味覺(jué)腦功能成像研究,興奮的腦區(qū)還包括從前未發(fā)現(xiàn)與味覺(jué)有關(guān)的一些腦區(qū),如舌回、尾狀核及角回等,此類興奮腦區(qū)在不同實(shí)驗(yàn)中也有差異。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中,也有一些激活區(qū)并非以上公認(rèn)的各級(jí)味覺(jué)中樞,包括兩側(cè)扣帶回(24區(qū))、雙側(cè)頂上小葉(5/7區(qū))、豆?fàn)詈?、雙側(cè)頂葉中央后回(2區(qū))、右顳中回(21區(qū))等腦區(qū)。其中最大范圍的激活信號(hào)出現(xiàn)在雙側(cè)的扣帶回(24區(qū))。神經(jīng)解剖學(xué)在靈長(zhǎng)類的扣帶回前部,發(fā)現(xiàn)了具有典型味覺(jué)細(xì)胞特點(diǎn)的味覺(jué)神經(jīng)元,且該神經(jīng)元是饑餓依賴性的,尤其與眶額皮質(zhì)一樣反應(yīng)感覺(jué)特異性的飽腹感。而且扣帶回與海馬回、齒狀回組成的邊緣葉,以及與之形成密切聯(lián)系的隔區(qū)、視前區(qū)、杏仁復(fù)合體、上丘腦等結(jié)構(gòu)組成一個(gè)功能整體—邊緣系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅與內(nèi)臟運(yùn)動(dòng)有關(guān),也與情緒的運(yùn)動(dòng)性行為有關(guān)。目前的許多腦功能研究顯示味覺(jué)刺激會(huì)引起邊緣系統(tǒng)某些結(jié)構(gòu)的興奮[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。此外,神經(jīng)解剖及神經(jīng)生理