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《电子科技大学》 2010年
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基于功能磁共振成像的运动系统脑功能网络研究

高晴  
【摘要】: 运动系统脑功能主要包括完成某项任务的明显的肢体运动的运动执行(Motor execution,ME)和没有明显肢体运动的精神上对运动执行进行排演的运动想象(Motor imagery,MI),是脑机接口(Brain computer interface,BCI)的理论基础和脑功能研究的重要领域,已经证实了在训练运动员、音乐家,以及恢复运动残疾病人的运动功能障碍等方面起着重要的作用。当前对运动系统脑功能的研究主要集中在功能磁共振成像(Functional magnetic resonance imaging,fMRI)实验、脑功能定位及脑功能区域之间的关系,而对脑功能动态网络的研究还很缺乏,特别是缺乏对动态功能网络的定量分析与评价。 本文围绕运动系统脑功能的神经机制,利用相关的分析方法及数学模型对大脑运动系统脑功能网络以及网络之间的连接关系进行系统研究。制定了运动相关的fMRI实验方案,分析了左右利手运动脑区和下皮层结构的功能不对称性,以及运动执行和运动想象脑功能网络及其差异。主要工作如下: 1.提出了利用Gauss卷积模型分析初级运动皮层(Primary motor cortex, M1)的fMRI信号在时间域不对称性的方法,对左右利手手指序列运动的实验进行系统的定量研究。发现在执行动手任务时,利手运动与非利手运动相比较,对应了更长的神经元簇的平均响应延迟和更大的响应延迟的标准差,并证实了这一结果与利手性和双手动或单手动的运动模式无关。进一步,通过比较双手运动和单手运动两种不同的运动条件下Gauss函数的两个参数的变化,发现两个参数在双手运动中都显著变小,显示了非利手运动对利手运动的影响作用。研究结果将左右利手动手功能在空间域的不对称性扩展到了时间域,显示了Gauss模型的参数可以定量地刻画这种时间域上的差异。 2.利用fMRI信号研究了左右利手性对脑功能活动的影响,分析了双手运动和单手运动在M1和小脑(Cerebellum,CRB)激活区的定位上的不对称性。结果发现了左右M1的激活最大值点的坐标没有统计显著性差异,并且激活位置关于利手性不敏感,说明在M1的利手偏利性不是由位置体现而是通过激活强度和激活区域的大小来体现的。在小脑皮层,发现了左右利手被试在双手运动和单手运动中小脑激活位置的统计显著差异性,发现了小脑的利手不对称性具有同侧偏利性,而且把结论推广到了左利手。 3.提出了利用时不变Granger因果(Granger causality,GC)分析探测左侧M1和其他脑区的有效连接的方法,选取左侧M1作为种子,对右利手执行的经典双手运动实验的fMRI信号进行分析,研究大脑和下皮层结构的动态功能网络。研究结果表明在Granger因果动态网络系统中,右利手被试的左侧M1也在手指运动中起主导性作用,并证实了双手运动中双侧M1的信息交换;结果同时发现了左侧辅助运动区(Supplementary motor area,SMA)在动手运动中对左侧M1的显著性因果连接,证实了在右利手被试中,SMA关于左侧M1是一个"因"且对其有主导作用。另外,组分析结果证实了蚓体(Vermis)和小脑在双手运动中对左侧M1活动的影响并把结果推广到了大数目的被试群体。 4.提出了利用去除伪因果关系的条件Granger因果(Conditional Granger causality,CGC)方法,基于fMRI数据来研究利手和非利手运动执行和运动想象过程的脑有效连接功能网络及其差异。通过选择对侧M1,双侧SMA和双侧背侧运动前区(Premotor cortex dorsal,PMd)作为感兴趣区域,发现了右手任务比左手任务出现了更多的有效连接的闭合回路;运动执行比运动想象出现了更多的有效连接。结果进一步表明,无论是左右手任务,还是运动执行或运动想象的实验条件,SMA和M1之间的前馈和反馈的有效连接回路是发生在对侧的脑半球,PMd和SMA之间的信息交换也主要发生在同一个脑半球中。特别发现了左侧PMd对右侧M1和右侧PMd都有直接的影响,而不是经由右侧PMd对右侧M1产生影响。本研究揭示了运动执行和运动想象网络的异同点,表明了在运动执行和运动想象过程中,大脑运动脑区之间的相互连接是与利手相关的。 5.利用神经元水平的动力学因果模型(Dynamic causal model,DCM),对右利手被试利手和非利手运动执行和运动想象的fMRI数据进行分析,来研究两种实验条件下相关运动系统脑区的动态网络和实验刺激模式对激活脑区及之间有效连接的影响,并比较运动执行和运动想象脑动态功能网络的差异。研究结果显示在四种动态功能网络中都存在双侧SMA之间的信息传递回路,以及对侧SMA对对侧M1的有效连接。在运动想象过程中发现了对侧SMA对对侧M1的抑制作用。另外,结果表明了在运动执行和运动想象两种不同的动态功能网络中,实验刺激模式对相关脑功能区的活动存在抑制或促进作用,并且在运动执行或运动想象这两种不同的条件下,这种抑制或促进作用在某些激活脑区存在相互转化的现象。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:R445.2

【参考文献】
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