基于磁共振的大脑皮层复杂度研究

【摘要】：基于高分辨率的磁共振成像技术,多种大脑形态测量技术被发明出来。利用这些形态测量技术,我们能够检测脑结构在发育、老化以及疾病过程中的形态变化。在关于脑结构的研究中,大脑皮层是被研究最多的结构之一,它是一个具有很多折叠的高度复杂的结构。很多脑部疾病都伴随着大脑皮层沟回形态异常。因此,定义敏感的皮层折叠复杂度度量和检测皮层折叠形态的变化一直是临床医生、神经科学家和工程师面临的最令人感兴趣和最有挑战性的问题。本文主要研究的内容是检测疾病状态下大脑皮层折叠异常以及新的皮层复杂度度量的设计。本文的主要贡献体现在以下几个方面： 1.利用局部回指标来检测正常对照与抑郁症患者大脑皮层折叠形态差异模式,并进一步考察了抑郁症患者与正常对照差异区域局部回指标的平均值与其病程以及疾病严重程度的相关性。我们在抑郁症患者的多个与情绪相关的脑区发现了显著低于正常对照的局部回指标。此外,我们还发现抑郁症患者在右侧脑岛及颞叶岛盖差异区域的局部回指标的平均值与其疾病的严重程度显著负相关。 2.利用二维回指标的方法,以前的一个研究报道了智力障碍患者的前额叶皮层复杂度显著低于正常人。本研究采用了三维的局部回指标的方法来进一步的研究智力障碍患者的皮层折叠异常并探讨导致这种折叠异常的可能的原因。我们在智力障碍患者在双侧前额叶、右侧颞上回、左侧顶叶、双侧脑岛以及临近的皮层和双侧的视觉与运动皮层发现了显著低于正常对照的局部回指标。这种由降低的局部回指标揭示的异常皮层折叠模式可能反映了智力障碍患者发育过程中异常的皮层细胞构筑和皮层连接。 3.提出了一种基于曲面的大脑皮层信息维复杂度度量。与传统的用盒计数法来计算的分形容量维数不同,我们的方法是一个基于曲面的分形信息维方法,在概率计算的过程中我们使用了曲而的而积,因此,使用了更多曲面的信息。我们在模拟数据上验证了我们方法的准确性。另外,我们把此方法应用来检测早期盲人与正常对照的皮层复杂度异常。在盲人的左侧枕叶我们发现了比正常对照组高的皮层复杂度,而在盲人的右侧的额叶和右侧的顶叶发现了比正常人低的皮层复杂度。结果表明我们的方法在检测皮层复杂度异常的区域方面有很高的潜力。