脑功能成像(fMRI)技术

更新时间:2023-06-11 20:48:04 阅读: 评论:0

第四节 脑功能成像技术
语言神经认知机制研究是语言科学研究的重要内容,它主要研究语言与大脑的关系,简单的说就是研究语言在人脑中的理解与产生的过程。但是人脑被一层厚厚的颅骨所包围,因此仅凭肉眼无法判断大脑处理语言时的情况。认知语言学通过语言理论的假设来构建语言认知模型,心理语言学则通过行为学方法,通过测试量表来研究具体语言结构的反应时间和正确率。但是,这两种研究方向都不能直接观察大脑实时处理语言的情况。随着科学技术的发展,新的语言科学研究技术已经被广泛用于语言研究中,其中PET和fMRI尤其是fMRI技术又是神经认知科学研究被最广泛应用的一种新的技术手段。
一  脑功能成像技术简介
PET(Positron Emission Tomography,PET)即正电子发射断层扫描技术,其基本原理是:刺激作用于大脑会产生血流变化,利用血液中注射的放射性示踪物质来和脑活动的某些脑区进行对比,从而确定刺激任务与特定脑区之间的关系。fMRIfunctional Magnetic Resonance Imaging的简称,中文名称为功能性磁共振成像。其实质就是在磁共振成像的基础上获取大脑活动的功能图像,以获取被试对所给语言、图形、声音等刺激材料进行加
工时产生的fMRI信号并加以分析,以确定这些刺激材料与对应脑区的关系,从而分析其脑机制。赵喜平(2000)认为所谓的fMRI就是利用MRI对组织磁化高度敏感的特点来研究人脑功能,特别是大脑各功能区划分或定位的无创伤性检测技术。由于PET技术在技术要求以及资金需求方面的原因,用于认知任务的研究越来越少,现在主要的脑成像技术就是fMRI,因此这里主要介绍fMRI技术以及实验数据的处理和对实验数据的解读。
1.1 fMRI的发展及其原理
MRI(Magnetic Resonance Imaging,磁共振成像)产生于上个世纪70年代。1970年,美国纽约州立大学的Raymond Damadian发现正常组织的NMR(Nuclear Magnetic Resonance)信号与病变组织的信号明显不同。这以后Paul Lauterbur、Peter Mansfield 和Graunell发展了各种成像方法。1976年 Mansfield得到了第一幅人体断层像,1977年世界上第一台名为indomitable的全身磁共振成像装置诞生,1978年的图像质量已经接近CT,1980年磁共振成像设备用于商业用途,这之后,磁共振成像技术开始进入一个飞速发展的时期。美国Technicare公司、GE公司、德国Siemens公司、荷兰的Philips公司等先后成为最负盛名的磁共振设备制造商,临床上也开始应用磁共振成像做疾病的早期诊断,到1
985年全世界就装备了511台磁共振成像设备。MRI装置的磁场强度也逐步增大,由最初的0.1T(T  Tesal 磁场强度单位)以下到目前临床上运用最广的为1.5T、3T的MRI设备,国外的某些研究机构已运用场强高达9T的MRI装置进行认知科学的研究。我国现在也正在开展磁共振装置的研究,已经取得了一定成果,结束了MRI设备完全靠进口的历史,一些低场磁共振已经可以实现国产,但是在高场磁共振技术上和国外还有一段差距。
MRI扫描设备包括磁体、线圈(包括射频线圈和梯度线圈)、主控计算机和工作平台。整个磁共振室还要包括其他的外设如电源、频闭设备、空调等。磁体可分为永磁型、常导型、混合型和超导型四种。线圈用于发射和接收脉冲信号以及对磁共振信号进行空间定位。主控计算机和工作平台用于采集数据。近来还有公司生产了专门用于fMRI实验的装置,大大方便的实验操作,但是一般成本较高,国内鲜有采用。现在运用最广的是超导型MRI设备,它的信噪比高、稳定性好,可用于高场强的MRI装置,对于fMRI的研究非常有效,用于fMRI研究的MRI装置一般最低的要求是1.0T以上的超导型MRI扫描系统。
MRI是对基于核物理学和量子物理学的NMR(Nuclear Magnetic Resonance,核磁共振)现象的应用。NMR现象是美国科学家Bloch和Purcell于1946年同时发现的。我们知道原子
是由原子核和围着核旋转的电子组成,原子核又是由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。在人体内广泛存在的氢原子核,其质子有自旋运动,带正电,产生磁矩,如同一个磁体,这个磁体的自旋是杂乱无章的,但在均匀的强磁场中,磁体的自旋将按磁场磁力线的方向重新排列这时用特定的射频脉冲去照射这些含有原子核的物体,物体就会将这些能量吸收,从而产生核磁共振现象,也就是现在广义上的磁共振成像。
fMRI产生于上世纪90年代左右,是在磁共振成像基础上发展起来的,功能性磁共振成像技术一般有3种,脑血流测定、脑代谢测定、神经纤维示踪技术。在实验研究中应用最广的脑功能成像方法为脑血流测定,它又包含有注射造影剂、弥散加权、灌注和血氧水平依赖成像等方法。现在最为流行的fMRI成像方法是血氧水平依赖成像即BOLD(Blood Oxygenation Level Dependent)成像技术,BOLD技术由美国的S.Ogawa提出,1991年美国的明尼苏达大学、贝尔实验室、麻省总院、威斯康星大学也取得了初步的研究成果。90年代中期后,fMRI开始在对运动、记忆、学习、语言等人脑高级功能的神经机制研究当中得到了广泛的运用。
血氧水平依赖(BOLD)的主要原理是,人的血液中包含两种物质:氧合血红蛋白和去氧
国际预防接种证书血红蛋白,氧合血红蛋白是逆磁物质,而去氧血红蛋白是顺磁物质,当给予刺激时,需要消耗体内的氧和葡萄糖,因此,当刺激刚开始的一段时间内血氧水平是下降的,但是随着神经元的兴奋,会带来更多的血氧,因此去氧血红蛋白就相对减少,这样两种不同磁化物质的增减状态不同,表现出不同的MR信号,张武田(2001)认为“将这种磁性物质的相对增减记录下来,就反映了相关脑区的激活状态”。
二 fMRI实验研究介绍
1 实验设计和刺激软件
fMRI实验设计一般有两种:组块设计和事件相关设计。(见图1、2)组块设计(Block Design)就是将实验任务分为几个组,每组包含有同一类型的实验材料若干,每组重复连续给予被试刺激,由被试做出反应完成任务。事件相关脑功能成像(ER-fMRI)的实验设计,贾富仓等(2001)将其定义为:“一次只给一个刺激 ,经过一段时间间隔再进行下,一次相同或不同的刺激。它的核心是基于单次刺激或行为事件所引发的血氧反应 ”。他们认为事件相关较组块设计有如下优点:一是它具有随机化的优点,二是可以对被试和实验任务作选择性处理,三是可提供脑局部活动的反应特点。应该说事件相关设计的应用前景相
当看好。在Block设计中,一般要求一组刺激的时间要等同于控制所呈现的时间,而且每个实验序列内,Bloc的数量不宜太多,否则会影响实验的效果。在事件相关设计中,刺激之间的间隔时间一般要求随机化,但是间隔一般不能太短,否则影响在前一刺激结束的短时间内大脑恢复不到“初始状态”。每个刺激材料的呈现时间也要尽可能的短,以让被试的大脑在尽快完成任务后恢复至初始状态。实验中的控制任务就是用来恢复大脑初始状态的任务,不要求被试反应并要在开始实验前嘱咐被试,在出现控制任务时放松休息,不要再想实验,只要注意屏幕的提示即可。fMRI实验的控制任务一般都使用十字符号放置于屏幕发中央。刺激任务就是我们在实验中要考察的对象,在早期的fMRI实验中,有单一实验材料单一任务的设计,但是在近期的fMRI实验中,有可能是一种刺激做不同任务,也可能是不同刺激做相同任务,总之在最近的fMRI实验中一般都要求有两种以上的刺激或者任务,这样才能比较任务之间的差异,得出不同语言刺激材料或者任务激活的脑区。这些实验材料或者实验任务,在Block设计中,相同的要放入一个Block中,在事件相关设计中,不同的实验任务或者实验材料,可以随机放置在任意的时间序列中。选择Block设计还是事件相关设计,没有统一标准,要视具体实验而定。这些设计在具体实验的时候需要用软件加以实现。现在一般常见的软件有DMDX、E-Prime等,E-Prime软件的编写比较直观,非常适合fMRI实验。图3就是E-Prime软件的工作界面截图。
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图1. Block设计图示
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图2.事件相关设计图示
图3. E-prime主控制面板截图
在使用E-Prime软件编制刺激程序的时候,可以根据需要设定刺激的间隔时间,还可以设
定随机程序,让刺激材料随机出现。同时这个软件还支持声音、图片以及视频刺激程序的编制。在使用这个软件进行fMRI实验的时候,被试进行实验任务的反馈信息不要呈现在屏幕上,但是要设定软件的记录程序,把被试的反应时间和正确率记录下来,以供行为分析和fMRI实验数据的处理用。
2 fMRI实验设备
  fMRI实验除了需要磁场强度在1.5T以上的磁共振扫描系统外(需要配备脑功能成像软件,一般都是EPI扫描序列),还需要的设备如下:呈现刺激材料的计算机(装备E-Prime或者其他刺激呈现软件)、LCD投影机和反光镜(如果有条件可配备fMRI实验专用视觉呈现设备)、反应按键盒、音频设备、装备SPM或者AFNI等fMRI图像分析软件的计算机等。

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