重点：静息态功能连接与解剖结构连接在人脑中联合研究

国际医学放射学杂志International Journal of Medical Radiology 2010Sep ;33(5)作者单位：510515广州，南方医院影像中心通讯作者：邱士军,E-mail:qiu-sj@ *审校者

DOI:10.3784/j.issn.1674-1897.2010.05.Z0501

【摘要】

大脑半球多个脑区血流低频振荡信号变化存在同步性，它反映了这些脑区的神经活动存在相关性，这

些脑区间神经活动相互关系被定义为功能连接。扩散张量成像是目前唯一可以无创伤地获取人脑白质纤维束信息的技术。联合应用功能连接与扩散张量白质纤维束成像技术，可以探讨研究人脑静息态功能连接与解剖结构连接之间的关系。就静息态功能连接与扩散张量成像的基本原理、特点以及两者联合应用进行综述。

【关键词】

静息态；功能连接；结构连接；扩散张量成像

静息态功能连接与解剖结构连接在人脑中联合研究

Combination of resting-state functional MRI and anatomical links in assessing human brain connectivity

刘珍银邱士军神经放射学

*

综述

脑的结构组织所体现的功能特征主要表现在功能分区与功能整合。大脑半球多个脑区血流低频振荡信号变化存在时域相关性，它反映了这些脑区的神经活动存在相关性，脑区间神经活动相互关系被定义为功能连接。已有证据证明大脑神经元在解剖学上和功能上都是分组的（形成神经元簇），解剖上也已经发现了功能柱的结构存在。通常认为脑部功能连接反映脑部解剖结构连接，但是关于两者的确切关系仍未完全明了。

1静息态功能连接的概念

Biswal 等[1]首次以左侧大脑半球运动皮质作为感兴趣区（ROI ），检测其血氧水平依赖（blood oxygen level dependent,BOLD ）信号低频成分（f <0.08Hz ）的时间序列，并与全脑其他脑区的低频BOLD 信号时

间序列作相关分析。结果表明，即使在没有任务状态下，左右两侧大脑运动皮质BOLD 信号低频成分存在显著的时间相关性。功能连接被定义为“空间上分离的部位在神经生理活动过程中的相互关系”。静息态功能磁共振成像（resting -state

functional magnetic resonance imaging,resting -state fMRI ）是近年来脑功能研究热点之一，与任务态脑

功能成像不同，其不需外部刺激或任务设置，反映人脑处于静息状态下的神经活动。对于任务相关的脑功能成像研究，常采用组块（BLOK ）实验设计方法，其数据处理常采用模型驱动（mold-based ）的方法，即根据任务态与静息态脑区BOLD 信号的差异值确定激活脑区，这间接反映了任务相关的局部脑区神经元活动；然而，人脑处于静息状态时，多个脑

区仍存在自发神经元活动，并且呈现时间相关性。在没有任何外部刺激的静息态下进行脑功能实验研究，需采用新的分析方法，如选取某感兴趣区作为种子体素，以种子体素的BOLD 信号时间序列与全脑其他体素作相关分析，但此方法亦存在局限性，ROI 的选择可能因手工操作者不同而存在差异，同时此方法亦可出现假阴性结果[2]。为避免这些问题，常联合应用独立成分分析（independent compon-

ent analysis,ICA ）方法进行BOLD 信号数据处理，ICA 方法将四维BOLD 信号分解成三维空间信息与一维时间序列信息。这些BOLD 信号中既包含了

反映脑部神经元活动信息，又包含了机体运动或生理活动产生的噪声[3]，虽然联合应用ICA 方法可以一定程度分离出诸如心脏博动、呼吸运动等噪声，但仍有不少残留噪声[4]。收集这些生理噪声信息，并在BOLD-fMRI 信息数据处理过程中减去相应的生理噪声信息数据，可成为解决此问题的方法之一。应用上述方法可以显示脑部功能连接图，但仅反映大脑皮质的神经元活动情况，不能显示脑白质信息。

2扩散张量成像的基本原理

纤维束成像是近年来在扩散加权成像

（diffusion weighted imaging,DWI ）基础上迅速发展起来的MRI 新技术，它使得在活体研究人脑白质纤维结构成为可能。Pierpaoli 等[5]首先应用扩散张量成像

(diffusion tensor imaging,DTI)技术在活体人脑勾画出脑白质主要纤维束结构走向。DTI 基本原理：在均质

的水中，水分子的扩散运动表现为三维随机运动，其在不同的方向扩散程度相同，称为各向同性（isotropic ）；但在人脑组织中，水分子的运动则因为

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脑内结构存在差异而扩散不同，特别是在神经轴突内，水分子沿着轴突方向的扩散速度远远大于垂直方向的扩散，这种有很强方向依赖性的扩散，称为各向异性（anisotropic）。由于脑白质纤维束由许多方向相似的轴突构成，而脑灰质的水分子扩散接近各向同性，脑脊液中的水分子为各向同性，因此，可以根据水分子主要扩散方向描绘出脑白质纤维走向。描述脑白质纤维束完整性常用的参数有各向异性分数（fractional anisotropy,FA）、平均扩散度（mean diffusivity,MD）、纤维计数（fiber count）以及概率纤维束成像术（probabilistic tractography）。其中FA评价各向异性程度，MD评价总体扩散值，这两者均以单位体素为基础；而纤维计数与概率纤维束成像是描述多个感兴趣区之间的结构连接，纤维计数值越高，则两感兴趣区之间的结构连接越紧密，概率纤维束成像则表明两感兴趣区之间存在结构连接的可能性。一般认为脑部功能连接反映各功能脑区间解剖结构连接，但两者之间确切关系至今仍未完全明了。同时，DTI技术也存在局限性，例如，磁敏感伪影引起信号丢失，不能显示大的纤维束内小的纤维束走向。在给定的某一体素中，可能包含有多种走向的纤维束，在计算主要扩散张量时，可能出现假阴性或假阳性结果。另外，DTI技术不能提供脑皮质功能信息，而BOLD-fMRI可弥补这方面的不足。

联合应用静息态功能连接与DTI技术，研究分析脑部功能连接与解剖结构连接之间的关系，并探讨其在脑部疾病诊断中的应用价值，具有一定发展前景。

3静息态功能连接与结构连接在健康人脑中联合研究

虽然关于静息态脑功能连接的研究日益增多，但静息态神经网络产生的本质原因仍未有定论，功能连接与解剖结构连接之间的关系仍存争论。Koch等[6]对6名健康志愿者大脑进行了静息态BOLD-fMRI扫描与脑白质纤维束成像，结果显示，若两侧脑皮质存在解剖结构连接，那么这两者间的功能连接较强，即自发低频BOLD信号时间相关性高。脑部静息态网络中包含多种神经网络，其中脑默认网络（default mode network,DMN）为重要网络之一，它具体包括的脑区有扣带回后部（PCC）、楔前叶(pCu)、压部后皮质（RSC）、顶下小叶(IPC)、前额叶腹内侧部(MPFC)和颞中回(MTL)。这些区域在静息态时表现为激活，而在任务状态下表现为失激活[7-8]。Greicius等[9]应用ICA方法在静息态网络中分离出DMN，再利用DTI技术勾画出此网络中4个分离脑区间的纤维结构连接，即扣带回后部、前额叶腹内侧部、双侧颞中回脑区间的解剖结构连接。结果显示，前额叶腹内侧部与扣带回后部由扣带束连接，扣带回后部与双侧颞中回由扣带下束连接。进一步深入分析显示，前额叶腹内侧部激活区与扣带回后部激活区的背侧及嘴部相连，而双侧颞中回激活区与扣带回后部激活区的腹侧与尾侧相连。这提示联合利用功能连接与DTI技术可以将空间位置邻近的激活脑区分离出亚功能脑区。他们的研究结果提示脑功能连接不完全反映脑解剖结构连接，例如，MPFC与MTL存在功能连接，但该研究利用DTI技术并未发现这两者之间存在白质纤维连接。这提示存在以下可能：①MPFC与MTL通过第三方（即PCC）作为中继联络站传递信息；②在纤维束成像分析中存在假阴性，以致不能显示MPFC与MTL之间的白质纤维连接。

van den Heuvel等[10]则进一步探讨功能连接与解剖结构连接之间的相关程度，并以45名健康受试者作为研究对象，利用标准化组簇分割（normalized cut group clustering）方法[11]从静息态脑功能网络图分离出DMN以及其他6个静息态神经网络。首先应用偏相关（partial correlation）计算出DMN中的PCC与内侧额回(medial frontal cortex, MFC)之间的功能连接强度值，再计算出PCC与MFC之间扣带束的平均FA值。将功能连接强度值与FA值作相关分析，结果显示两者存在正相关，并且具有特异性，因为，PCC与MFC之间的功能连接强度值与其他脑区间纤维连接的平均FA值无明显相关，而且PCC与MFC之间扣带束的平均FA值亦与其他脑区间功能连接强度值无明显相关。

Skudlarski等[12]选取41名年轻健康志愿者，利用体素方法（voxel-wise approach）研究功能连接与解剖结构连接的整体一致性，他们将大脑分成为灰质、白质与脑脊液3个掩模（mask），每个掩模的分辨率被转换成4mm×4mm×4mm。其中脑白质与灰质部分各包含5000体素。利用静息态功能连接技术，将灰质内5000×5000体素组低频（f：0.005～0.1Hz）BOLD信号时间序列作相关分析。利用DTI技术将白质中5000×5000体素组进行纤维计数。因为最终目的是比较灰质内功能连接与结构连接关系，以及白质内功能连接与结构连接的关系。因而