静息态功能核磁共振发展及其应用

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静息态功能核磁共振技术发展及其应用
一、什么是静息态功能核磁共振技术
(一)、功能磁共振技术及其原理
人脑是自然界进化最为复杂的产物,揭示脑的奥秘是当代自然科学面临的最重大的挑战之一。

近年来随着脑成像技术及神经科学的发展,人们对脑的研究已不仅局限于解剖定位,更多的是对脑功能活动基本过程的深入研究。

功能磁共振成像是90年代以后发展起来的一项新技术,它结合了功能、影像和解剖三方面的因素,是一种在活体人脑中定位各功能区的有效方法,它具有诸多优势,如无创伤性、无放射性、具有较高的时间和空间分辨率、可多次重复操作等,因此,功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI )作为脑功能成像的首选方法已被较广泛应用。

功能磁共振成像主要是基于血流的敏感性和血氧水平依赖性(blood oxygenation level dependent,BOLD )对比度增强原理进行成像。

所谓血氧水平依赖性是指大脑皮层的微血管中的血氧浓度发生变化时,会引起局部磁场发生变化,从而引起核磁共振信号强度的变化。

采用基于 BOLD的功能磁共振成像技术进行脑活动研究在近十年中得到了迅速的发展,BOLD f MRI以空间和时间分辨率均较高的优势,逐渐成为对活体脑功能生理、病理活动研究的重要手段之一。

其无创性和可重复性使之在临床得以迅速而广泛的应用和认同功能磁共振检查方法对人体无福射损伤,并且其时间及空间分辨率较高,一次成像可同时获得解剖影像及功能影像。

功能磁共振成像原理是通过磁共振信号检测顿脑内血氧饱和度及血流量,从而间接反映神经元的活动情况,达到功能成像的目的。

BOLD 技术是功能磁共振成像的基础;神经元活动增强时,脑功能区皮层的血流量和氧交换増加,但与代谢耗氧量增加不成比例,超过细胞代谢所需的氧供应量,其结果可导致功能活动区血管活动氧合血红蛋白増高,脱氧血红蛋白相对减少。

脱氧血红蛋白是顺磁性物质,其铁离子有4个不成对电子,磁矩较大,有明显的T2缩短效应。

因此,脱氧血红蛋白减少,导致T2*和T2弛豫时间延长,信号増高,使脑功能成像时功能活动去抑制的皮层表现为高信号。

功能磁共振成像应用于人脑功能的研究,最常用的方法是利用各种刺激诱导局部脑组织血氧水平依赖信号发生变化,间接反映神经元的活动,这种方法被称为“事件相关功能性磁共振( event-related f MRI)”。

(二)、静息态功能核磁共振技术
相比于任务态功能核磁共振技术,静息态 f MRI( resting -state f MRI)研究是大脑在静息状态时的自发活动,即在没有明确的输入或输出因素状态下,大脑内部发生的BOLD 信号的自发调节。

最新的研究表明,大脑中的神经细胞在非任务状态也存在协同活动,并保持着传统认为只有在执行任务时才出现的复杂网络系统,这种非任务状态目前被广泛地称为——静息状态( resting state)。

更具体地说,静息状态是指被试者保持清醒、不接收任何外部刺激或执行任何高级功能的状态。

1995年,Biswal等发表了第一篇有关静息态 f MRI的论文,发现不仅在双手运动时两侧运动区同时被激活,而且在静息时两侧运动区的活动也是高度同步的,同时发现了静息状态下,运动区之间的信号存在低频振荡( low frequency fluctuations,LFFs,0.01 -0.08H z)的特性,不同脑区之间这种低频振荡存在一定的相关性[1];一些研究者发现静息态下大脑中 BOLD 信号低频涨落与呼吸、心跳以及动脉血中二氧化碳分压(PaCO 2)的节律性变化有关[2,3,4],从而认为这些信号变化可能由生理噪声引起 .但更深入的研究发现,虽然原始的静息态 BOLD 信号时间序列中包含有生理噪声,但生理噪声并非 BOLD 信号低频涨落及其在不同脑区中具有同步性的生理学基础。

首先,静息态脑功能研究关心的 BOLD 信号涨落的频率一般在0.1 Hz 或 0.08 Hz 以下,而人类呼吸和心跳的频率分别约为 0.1 ~ 0.5 Hz 和 0.6 ~ 1.2 Hz[5]。

Cordes 等人[5]定量分析了生理噪声对 BOLD 信号低频涨落的贡献,发现其大小不足10 %.此外,大量的实验证据表明 :在减少或消除生理噪声的影响后,静息态下不同脑区中 BOLD 信号低频涨落的相关性(即功能连接)依然显著存在。

这些都说明,静息态下大脑中 BOLD信号的低频涨落主要反应了神经细胞的自发活动,而其在不同脑区中的同步性则显示了静息态下脑功能的连接模式。

在前人研究的基础上,Raichle 等[6]提出在静息状态下人脑存在默认功能网络,即扣带回后部皮层、楔前叶、前额叶内侧皮层。

近年来对这一静息态默认功能网络的研究取得了很大进展。

值得注意的是,在清醒的静息态下,脑接受心输出量的11%,虽然脑仅占体质量的2%,但却占全身总耗氧量的20%[7]。

脑在休息状态下全部能量的80%被用于参与谷氨酸盐循环和神经元的信号处理,提示在基线或休息状态下存在明显的功能活动。

这种自发BOLD信号与心脏或呼吸活动引起的生理噪声信号不同,它是人脑静息状态时发生的神经元活动。

近年来,人们越来越重视静息态下的脑功能研究,主要研究手段包括:功能磁共振成像( f MRI)、正电子发射断层扫描( PET)、脑电图( EEG)、脑磁图( MEG)、扩散光学成像(DOT) 等。

其中 fMRI 作为一种非损伤性的脑成像技术在静息状态脑功能研究中发挥了不可替代的作用。

(三)、静息态功能核磁共振技术相比经典功能核磁共振技术的优点
经典的功能 f MRI( functional MRI,f MRI)所研究的是任务相关的脑激活,研究中所显示的功能脑区就是由任务状态与无任务的对照状态相减后得出的。

静息态fMRI与任务状态下MRI比较,简单易行,可重复性离功能磁共振是一种完全无创的条件下对人脑进行功能分析的影像学检查手段。

静息状态脑活动一经提出就引起了研究者极大的兴趣,相比任务状态的fMRI研究,静息状态fMRI不需给予刺激、受试者无需执行任何任务,因此可有效避免由于实验设计或被试执行情况的差异导致的实验结果的不可靠性,具有较高的临床可行性和实用巧。

美国国家也理健康研究所总结2010度十大科学事件中,静息态fMRI的神经网络连接研究位列第二位。

二、静息态功能核磁共振技术的应用
(一)、静息态功能连接与解剖连接
最新的研究发现,静息状态很多功能连接有相应的结构基础,表明静息态功能连接与解剖连接之间可能存在密切的联系。

对于这种联系的研究可以从几个方面进行。

首先,可以利用脑损伤患者作为研究对象,有人发现胼胝体发育不良者双侧运动和听觉皮层之间的功能连接显著降低,提示解剖连接的破坏可导致功能连接的缺失,暗示了二者之间的相关性[8]。

其次成像方法的发展为活体检测解剖连接提供了重要途径,VandenHeuvel等人使用扩散张量成像( DTI)与 f MRI相结合的方法,同时研究了静息状态作为脑结构通路的白质纤维束的分布和功能连接网络的结构,发现至少有 8 套静息态功能网络内部脑区之间存在结构连接。

如默认网络各脑区间有扣带白质束,上额-枕白质束,胼胝体膝部白质束等构成了功能连接的解剖基础[9] ;Honey 等人用则扩散谱成像( DSI)方法得出了类似的结论,并认为静息态的功能连接特性受到大脑皮层解剖连接的限制[10] 。

另外,实验动物的相关研究也可为此提供一定依据。

虽然目前的研究方法对于解剖和功能连接的检测大多是间接的,结果也不尽完整,但是静息态功能连接与解剖连接之间存在相关的理论正渐渐成为趋势和共识,各种技术的发展和更多的实验结果有望为此提供更有力的证据。

综上所述,目前的研究认为,静息态功能连接很可能反应大脑的解剖连接,同时在一定程度上受限于解剖连接的模式,二者之间相互联系并彼此影响。

在此基础上,二者的分析方法及研究结果便可互为参考,使得一方面可以通过静息态的研究更精确地提供解剖连接的信息,另一方面在静息状态下大脑活动的相关性质,如默认网络随年龄变化的特征等,也可以结合解剖连接的发展给出更全面的解释。

(二)、静息态网络(resting - state networks,RSN s)的评估。

RSN s是人脑在静息状态下各脑区普遍参与的功能网络,其特点是空间连贯且具有自发BOLD 信号波动,与人脑在静息状态下维持感觉、注意等功能相关;目前已经发现10个RSN s,研究较多的是“默认模式网络( default -mode network,DMN)”[11]。

在比较静息和任务两种态下大脑的平均激活时,研究者发现任务执行时有一组脑区总是“负激活”[12]。

而事实上,与执行任务时相比,有一些脑区在静息状态时反而更活跃,这就产生这样一种假说,静息状态时大脑也会以一种有组织的方式活跃着,这种方式被称为大脑的“默认模式”,该网络主要包括:后扣带回皮层、背内侧前额叶皮层(额中回、额上回)、背侧前扣带回及角回等。

尽管目前对脑功能默认式网络的生理意义还不够清楚,但多认为与情景记忆的提取、对周围环境和自我内省状态的监控以及持续进行的认知和情感过程有关,研究发现 DMN 中断会伴有相应的中枢神经功能缺失。

(三)、疾病研究
静息状态下脑功能网络的研究摒弃了复杂的实验设计,因此在各种神经和精神疾病
患者,尤其是无法执行复杂任务患者的脑功能研究中发挥了重要的价值。

其相关理论成果,包括特定脑区的功能连接,各功能网络尤其是默认网络的性质,全脑效率的分析等,都被广泛用于疾病诊断、病程检测、疗效评价等方面,为疾病的研究和治疗提供了很大帮助。

(1)抑郁症静息态研究
随着磁共振技术的发展,静息态的研究引起越来越多人的研究和关注,尤其是在各种精神疾病中的应用。

因为与任务相关的要求被试在磁共振扫描中执行实验特定的任务,然而对于有精神疾病的患者往往在临床实践中不能配合完成实验任务,这样任务相关的在临床的应用受到了一定的限制。

相比之下,静息态无需执行特定的实验任务,对于临床上不能配合实验或者无需被试主动参与的研究更加适合,比如抑郁症、癫痫、老年痴呆、精神分裂记忆注意缺陷多动综合症等患者。

在各种精神疾病中,静息态在抑郁症中的应用研究已经取得了一定的成果,也收到了较好的临床利用价值。

抑郁症患者主要的临床特征是显著而持久的心境低落,且心境低落与其处境不相称,严重者可能出现自杀念头和行为。

抑郁症患者的临床特点决定了患者无论是在静息态下或是任务态下,患者的脑功能较正常人均可能存在差异。

由于在精神疾病中,静息态的研究有以下一些优点,比如结果假说不受线性假设的限制,影响因素少,相对客观;获得到的数据量庞大,能够分析的内容较多;不需要任何的实验任务设计,容易掌握,一致性高;患者不需要
执行任务,容易配合,特别是研究重症抑郁症患者;与实验任务设计的研究相比较,能够反映的是基础状态脑功能的病理生理结果,更可能成为临床诊断和治疗评估更具有实际意义的生理指标[13]。

鉴于上述优点,抑郁症患者的静息态研究可能会带来更多新的发现,并且能够为制定临床生理指标提供更加有意义的价值。

目前,己有一些研究利用探讨了抑郁症的病理机制与静息态下的信号的波动异常有关。

Anand等发现静息状态下抑郁症患者皮层与边缘系统之间的功能连接减低[14]。

Salvador在正常人中进一步研究描绘出整个大脑的功能连接网络,并证明这种研究方法可推广到认知神经科学和临床神经精神学科的各个领域,来探索疾病状态下神经网络的损害及神经再塑机理[15]。

蒋田仔等利用复杂网络理论研究了精神分裂症的脑功能连接网络返现背外侧前额叶在精神分裂症的病理生理机制中起重要作用[16]。

姚志剑等分析了静息态下抑郁症默认状态网络的连接效能,发现患者默认网络的连接效能降低、协调性紊乱[17][18]。

这些研究成果都初步预示着静息态对于指导抑郁症患者的临床诊疗是有意义的。

(2)帕金森静息态研究
帕金森(PD)是一种系统性的神经变性疾病,由于黒质纹状体多巴胺能神经元的缺失,纹状体多巴胺含量下降,黑质-纹状体通路多巴胺能与胆碱能神经功能平衡失调,导致经典的锥体外系运动障碍。

近几年随着脑结构分析技术(VBM、DTI)和脑功能性成像技术(SPECT,PET,f MRI 等)的发展,不仅可以观察到帕金森病脑部灰质核团和脑灰白质的结构变化,还可以通过检测脑局部血流量改变以及 BOLD 信号改变来进一步研究大脑的功能变化情况,其中静息态功能磁共振技术越来越多的应用到帕金森病以及阿尔兹海默病等神经变性疾病的研究中。

静息态功能磁共振技术不依赖既定任务,采用数据驱动模型,采用合适算法分析自身数据来分析大脑静息状态下功能活动。

Biswal在 1995 年分析血氧水平依赖信号(BOLD)时首次发现自发性低频振荡信号(low-frequency fluctuations,LFFs),即频率位0.01-0.08Hz 的 BOLD 信号,可以排除心跳、呼吸等干扰从而反映脑静息状态的神经活动[19]。

对多发性硬化的患者的研究中发现双侧初级运动皮层低频振幅减低以及对早期 AD 患者研究中发现海马区低频振幅受抑制[20]。

因此低频振幅(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)可作为测量局部神经元自发活动幅度的方法[21],计算 0.01-0.08Hz 内频率幅值的平均值来描述体素自发活动的情况,从能量角度反映惊喜状态下各个体素自发活动水平的高低。

近年来,随着对 PD 研究的深入,已有研究发现 PD 患者在颞叶、额叶及边缘系统存在 ALFF 信号增加区域,同时在丘脑及枕叶存在 ALFF 信号降低区域[22];国内也有学者发现 PD 患者感觉运动皮质等区域ALFF 较正常对照组明显增高,可能代表了与病情程度及治疗有关的特定
病理改变[23]。

(3)阿尔茨海默症的静息态研究
阿尔茨海默病是老年人常见的神经系统变性病,其病理特征为老年斑、神经元缠结、海马锥体细胞颗粒空泡变性及神经元缺失;临床特征为隐袭起病,进行性智能减退,多伴有人格改变,一般症状持续进展,病程通常为5-10年。

65岁以前起病者多有家族史且病情展迅速,以颞叶及顶叶病变较显著,常有失语和失用。

1907年,德国医生阿罗伊斯-阿尔茨海默(1864~1915)首先对其进行描述。

阿尔茨海默病( alzheimer disease,AD),对于AD尚无特异的的早期诊断方法,一般是通过排除其它疾病诊断,带有明显的主观因素,确诊则依赖于活检或尸检。

通过利用 fMRI 技术对阿尔茨海默病的研究发现,AD患者大脑结构改变之前其功能已发生了变化。

Greicius 等于2004年采用了简单的感觉运动处理任务,结果提示阿尔茨海默病患者相对于对照 DMN 的激活降低,特别是在 PPC 和内侧颞叶[24]。

Andrew s
-Hanna 等发现,在语义分类任务时,DMN 脑区之间的低频功能连接与年龄呈负相关,且 DMN 功能连接的强度与任务的强度减弱相关[25]。

2008年Damoiseaux等报道老年人DMN脑区的 BO LD 信号降低,并验证了老年人DMN信号强度与年龄和认知能力下降呈负相关[26]。

Sorg C 利用 f MRI 研究静息态网络后发现,AD患者执行注意功能的某些 DMN 脑区表现为活动减弱,患者海马和后扣带回的功能连接中断[ 27]。

FleisherAS 等利用静息态 f MRI 研究阿尔茨海默病的高危人群发现,有 AD 家族史但载脂蛋白 E4 类等位基因正常的人群,其前额、眶额叶、颞叶和顶叶区等九个脑区,静息状态时 DMN 存在异常,该研究认为与使用编码相关 f MRI 相比,静息态 f MRI 更易区分阿尔茨海默病的高危人群[28]。

(4)癫痫
在癫痫发作间期,致痫灶及其周围脑组织有癫痫样放电,该种放电会带来功能的变化,从而伴随血氧水平的改变,这就为静息态 f MRI 的应用提供了条件。

通过监测 BOLD 变化,经过数据分析处理,可以得到致痫灶的三维定位。

M organ等于2004年首先将静息态 TCA 技术用于癫痫病人,发现用该方法确定的脑内激活点与单独使用EEG 的到的病灶位置有较高
的一致性,提示静息态TCA可能具有定位癫痫病灶应用价值[29]。

长期自发放电可以引起中枢神经系统某些功能的缺失,同时也会引起大脑默认模式改变,利用静息态 f MRI 可以探索神经功能变化的原因。

Laufs H等发现发作间期颞叶癫痫( temporal lobe epilepsy,TLE)病人静息状态时 DMN 脑区的活动均有减弱,同时发现 TLE 与颞叶外侧面癫痫对 DMN 脑区的影响不同[30]。

Waites AB 等用种子功能连接分析方法研究 17 例左侧 T LE 病人和8例健康对照后发现,病人与对照在静息状态时语言区的功能连接明显不同,对照在每一个种子区与
主要语言区之间均显示有连接,而 TLE 仅在少数几个区域(尤其是种子区之间) 存在连接;Waites 认为,左颞叶癫痫的这种连接减少可能反映了病人在静息状态时语言网络发生紊乱,并可能与少数病人的语言功能障碍有关[31]。

三、总结
静息态脑功能成像作为一种独特的脑功能成像方法,研究大脑自发性活动与行为表现之间的关系是一种很有前景的工具。

静息态 f MRI 方法具有实验范式简单、数据相对稳定、应用广泛等特点,成为当前研究大脑认知功能的重要手段之一。

静息态脑功能成像在临床
应用方面具有很大的潜力。

本文回顾了静息态功能核磁共振的发展及其应用,在这些基础上,将静息态信号及其功能连接特性的研究成果与疾病的预测,诊断和治疗相结合,实现其临床应用价值,也是脑科学研究的最终目的之一。

总之,静息态脑功能连接具有重要的研究价值,更深入的研究和应用,有待于技术、方法和理论的进一步发展和更多实验结果的证明。

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