任務(wù)態(tài)下注意網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行功能的磁共振成像研究

任務(wù)態(tài)下注意網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行功能的磁共振成像研究

隨著對(duì)大腦功能的深入研究，越來(lái)越多的研究人員認(rèn)為eeg是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的組織，并提出了計(jì)算腦網(wǎng)之間效應(yīng)連接的方法。其中,結(jié)構(gòu)方程模型(structuralequationmodeling,SEM)是將皮層的信息加工過(guò)程建模為由一個(gè)區(qū)域A指向另一個(gè)區(qū)域B的連接;動(dòng)態(tài)因果模型(dynamiccausalmodeling,DCM)則考查一個(gè)神經(jīng)區(qū)域的激活是否通過(guò)連接導(dǎo)致其他神經(jīng)區(qū)域激活水平的變化,同時(shí)通過(guò)自連接改變自己的激活水平。這些方法都需要假設(shè)考查的兩個(gè)區(qū)域之間存在影響。這種預(yù)先假設(shè)的模型在驗(yàn)證一些有關(guān)大腦系統(tǒng)之間的連接假設(shè)時(shí)是起作用的,但如果出現(xiàn)了對(duì)模型的錯(cuò)誤假定,就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。Granger因果分析(GrangerCausalityAnalysisGCA)可以確定不同腦區(qū)之間的連接性和連接的方向,其原理為:如果一個(gè)時(shí)間序列A導(dǎo)致或影響時(shí)間序列B,那么使用A的信息就可以預(yù)測(cè)B的值。Granger因果關(guān)系早期被用于分析不同頻段腦電信號(hào)的因果關(guān)系[5~7]。近年來(lái)有學(xué)者將該方法與fMRI技術(shù)相結(jié)合探討不同腦區(qū)之間的相互作用、相互影響[8~10]。注意網(wǎng)絡(luò)理論是Posner等提出的,他認(rèn)為注意網(wǎng)絡(luò)由警覺(jué)(alerting)、定向(orienting)、執(zhí)行(executive)功能3個(gè)子模塊構(gòu)成。Fan于2002年設(shè)計(jì)出一個(gè)研究范式用于同時(shí)考查注意網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)子系統(tǒng),并被應(yīng)用于注意網(wǎng)絡(luò)的研究[13~15]。目前研究認(rèn)為,警覺(jué)是指維持大腦的靈敏狀態(tài)以接受信息的傳入,定向是指從傳入的感覺(jué)中選擇信息,執(zhí)行控制是指解決反應(yīng)中的沖突。目前注意網(wǎng)絡(luò)已被應(yīng)用于多種疾病的研究,比如注意缺陷多動(dòng)障礙(attentiondeficithyperactivitydisorder,ADHD)、老年癡呆癥(Alzheimer’sdisease,AD)、高血壓(hypertension)等。我們以往的實(shí)驗(yàn)考查了高溫下注意網(wǎng)絡(luò)的變化,發(fā)現(xiàn)僅在執(zhí)行子系統(tǒng)的反應(yīng)存在差異,而執(zhí)行系統(tǒng)的涉及腦區(qū)包括前扣帶回、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)、右頂上小葉、右頂下小葉。Posner等的理論認(rèn)為,執(zhí)行功能并不單一依賴(lài)于前扣帶回,而是有賴(lài)于多個(gè)腦區(qū)間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系,相互協(xié)作完成。MacDonald等人通過(guò)任務(wù)切換方式的Stroop任務(wù)進(jìn)行fMRI分析得到與其他學(xué)者相似的結(jié)論:前扣帶回主要功能為發(fā)現(xiàn)沖突而背外側(cè)前額葉主要功能為解決沖突[22~24]。綜合文獻(xiàn)和我們的研究結(jié)果,我們認(rèn)為執(zhí)行子系統(tǒng)在注意網(wǎng)絡(luò)中是容易受到外界因素影響的,而這個(gè)子系統(tǒng)是由幾個(gè)腦區(qū)共同組成的,這幾個(gè)腦區(qū)之間的關(guān)系對(duì)理解執(zhí)行子系統(tǒng)的構(gòu)成和功能劃分有一定的意義,我們采用Granger因果分析方法對(duì)注意網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行子系統(tǒng)進(jìn)行研究,對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)的激活部位進(jìn)行效應(yīng)連通性和前后影響的因果關(guān)系進(jìn)行分析,探討前扣帶回、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)、右頂上小葉、右頂下小葉在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)中的相互關(guān)系。1數(shù)據(jù)和方法1.1實(shí)驗(yàn)總結(jié)和告知方案被試者選用15例(男性8例,女7例)健康受試者,年齡21~30歲,平均年齡(25.2±2.8)歲。視力或矯正視力正常,之前均未參加過(guò)類(lèi)似實(shí)驗(yàn)且沒(méi)有長(zhǎng)期服用影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物史。被試者實(shí)驗(yàn)前均被詳細(xì)告知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并取得書(shū)面知情同意。要求被試者參加實(shí)驗(yàn)前24h內(nèi)避免劇烈運(yùn)動(dòng)。1.2方法1.2.1掃描參數(shù)及掃描機(jī)理功能磁共振(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)掃描參數(shù):使用GE1.5THD磁共振成像系統(tǒng)(GeneralElectric,Milwaukee,Wisconsin)進(jìn)行掃描,采用8通道相控陣線(xiàn)圈。1.2.2tionnet犯罪率ant采用Fan等人設(shè)計(jì)的注意網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)范式(attentionnetworktest,ANT)。刺激流程如圖1。通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以計(jì)算注意網(wǎng)絡(luò),其執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法如下:執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)=箭頭不一致-箭頭一致1.3數(shù)據(jù)分析1.3.1fmri數(shù)據(jù)分析我們使用SPM8(statisticalparametricmapping8,SPM8)分析軟件對(duì)從實(shí)驗(yàn)中獲取的fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析。統(tǒng)計(jì)閾值概率設(shè)定為P<0.05,激活范圍閾值設(shè)定為25個(gè)體素(圖2),見(jiàn)表1。1.3.2roi時(shí)間序列本研究中,在已激活區(qū)域選取與激活區(qū)峰值點(diǎn)相鄰的85個(gè)體素做為興趣區(qū)(regionsofinterest,ROI),分別設(shè)定前扣帶回為ROI1、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)為ROI2、右頂上小葉ROI3、右頂下小葉為ROI4(圖3),一個(gè)ROI內(nèi)時(shí)間序列為參考函數(shù)時(shí)間序列x(t),另一個(gè)時(shí)間序列為y(t),采用1階向量自回歸(vectorautoregressive,VAR)模型,我們用系數(shù)的方法分別計(jì)算每2個(gè)ROI的Fx2y和Fy2x。其值正值表示從x(t)到y(tǒng)(t)的影響,負(fù)值表示從x(t)到y(tǒng)(t)的影響。1.3.3統(tǒng)計(jì)學(xué)處理利用SPSS18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,把Fx2y和Fy2x的結(jié)果分別進(jìn)行單樣本T檢驗(yàn),定義P<0.05為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。2結(jié)果2.1mr掃描過(guò)程數(shù)據(jù)15例受試者注意網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的正確率為(92.6±14.0)%,大于85%。2例被試數(shù)據(jù)因MR掃描過(guò)程中,頭動(dòng)大于0.5mm或轉(zhuǎn)動(dòng)大于0.5°而被舍棄。最終采用13例被試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2.2系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)MRI結(jié)果顯示參與執(zhí)行功能的腦區(qū)主要包括前扣帶回、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)、右頂上小葉和右頂下小葉。2.3系統(tǒng)格林威治分析的結(jié)果對(duì)選取的ROI進(jìn)行Granger因果分析,見(jiàn)表2(圖4)。3運(yùn)行結(jié)果分析執(zhí)行子系統(tǒng)的激活腦區(qū)位于前扣帶回、背外側(cè)前額葉皮質(zhì)、右頂上小葉、右頂下小葉,這與文獻(xiàn)報(bào)道的執(zhí)行子系統(tǒng)的定位腦區(qū)基本一致。本實(shí)驗(yàn)的行為學(xué)結(jié)果正確率為(92.6±14.0)%證實(shí)我們的fMRI結(jié)果是可靠的。Silton等人采用情緒字Stroop任務(wù)和顏色字Stroop任務(wù)實(shí)驗(yàn)范式,并利用腦電結(jié)合fMRI的方法,研究發(fā)現(xiàn)額葉的激活先于頂上小葉。在我們的研究中也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象,這表明Granger因果分析方法可以應(yīng)用于ANT實(shí)驗(yàn)?zāi)X功能連接的研究。本研究利用Granger因果分析對(duì)注意網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行功能的激活腦區(qū)進(jìn)行研究,結(jié)果表明:在執(zhí)行注意網(wǎng)絡(luò)任務(wù)時(shí)前扣帶回首先激活然后背外側(cè)前額葉、頂上小葉、頂下小葉依次激活。這說(shuō)明前扣帶回可能為首先發(fā)現(xiàn)沖突的腦區(qū),而背外側(cè)前額葉、右頂上小葉、右頂下小葉為解決沖突的腦區(qū)。Posner認(rèn)為,執(zhí)行功能并不單一依賴(lài)于前扣帶回,而是有賴(lài)于多個(gè)腦區(qū)間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系,相互協(xié)作完成;而腦區(qū)的作用并不是均等的,可能存在某一腦區(qū)的激活優(yōu)先于另一腦區(qū)的現(xiàn)象。MacDonald等人[22~24]的研究也認(rèn)為前扣帶回主要功能為發(fā)現(xiàn)沖突而背外側(cè)前額葉主要功能為解決沖突。本研究的結(jié)果支持上述前扣帶回主要功能為發(fā)現(xiàn)沖突而背外側(cè)前額葉主要功能為解決沖突的理論;同時(shí),我們的研究首次發(fā)現(xiàn)了執(zhí)行功能所涉及的腦區(qū)存在一個(gè)由背外側(cè)前額葉、右頂上小葉、右頂下小葉所形成的單向回路。該單向回路的激活時(shí)間順序從背外側(cè)前額葉到右頂上小葉再到右頂下小葉最后回到背外側(cè)前額葉。這個(gè)其單向環(huán)路的發(fā)現(xiàn)提示頂葉也參與了執(zhí)行功能并且可能對(duì)背外側(cè)額葉有反饋?zhàn)饔?。有的研究發(fā)現(xiàn)前扣帶回在時(shí)間上晚于背側(cè)前額葉。Markela-Lerenc等人利用腦電實(shí)驗(yàn)對(duì)真假顏色字Stroop任務(wù)的結(jié)果進(jìn)行分析,認(rèn)為前扣帶回負(fù)責(zé)控制而背外側(cè)前額葉對(duì)其具有調(diào)節(jié)的作用,前扣帶回活動(dòng)時(shí)間晚于背外側(cè)前額葉并在出現(xiàn)時(shí)間上存在交集。我們認(rèn)為結(jié)果存在差異的原因是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)范式和研究方法不同。腦電分析的缺陷是空間分辨率很低,而我們的實(shí)驗(yàn)范式在保證了fMRI較高的空間分辨率的同時(shí),也保證了時(shí)間分辨率。同時(shí)腦電既不能準(zhǔn)確反映腦區(qū)上的激活也很難處理神經(jīng)元不同步的現(xiàn)象,而諸如此類(lèi)問(wèn)題利用fMRI和Granger因果分析的方法可以得到很好的解決。本研究首先利用fMRI確定了執(zhí)行功能的實(shí)際的激活區(qū)域,然后對(duì)每個(gè)激活區(qū)進(jìn)行Granger因果分析,相比其他腦功能效應(yīng)連接分析方法而言,我們無(wú)需事先假設(shè)不同腦區(qū)之間存在解剖或功能上連接性,同時(shí)選取激活位置做為ROI比手工畫(huà)取ROI更具有準(zhǔn)確性,分析時(shí)考慮了所有變量之間的相互影響,更為立體地體現(xiàn)了兩個(gè)ROI之間的因果關(guān)系,能更準(zhǔn)確地反映功能腦區(qū)的連接方式。通過(guò)Granger因果分析的方法計(jì)算執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)中前扣帶回與其他腦區(qū)的關(guān)系在認(rèn)知研究中有著重要的作用,可以