利用fMRI和弥散张量成像研究自闭症中的大脑

摘要

神经影像学技术，如功能性磁共振成像和弥散张量成像，在表征自闭症的认知与神经功能缺陷方面正变得越来越重要。本文介绍了在自闭症中从网络水平对脑连接性进行研究，并讨论了针对发育障碍儿童扫描的适应性方法。

摘要

新兴理论认为，自闭症患者的大脑并非作为一个协调整体运作，这种功能上的不协调反映在自闭症个体所表现出的行为症状中。尽管结构神经影像学研究为自闭症大脑异常提供了一些线索，但这些发现的一致性尚存疑问。相比之下，功能神经影像学在这一领域取得了更有意义的成果，因为自闭症本质上是一种动态信息处理障碍，而功能影像技术能够用于检测大脑皮层网络之间的相互交流，这正是自闭症潜在问题所在之处。功能连接性被定义为在空间上分离的神经活动事件之间的时间相关性¹。近年来多项fMRI研究的结果支持了如下观点：在自闭症患者中，大脑不同区域之间在应对复杂社会认知或语言任务时应有的协同作用较弱^2,3,4,5,6自闭症的谜团之一在于，患者在多个领域存在缺陷的同时，某些能力却相对完整，有时甚至表现出增强。这种复杂的自闭症表现提示需要从神经层面进行全局性与系统性的深入探究。近年来关于自闭症脑功能的一个有力解释是皮层低连接理论，^2,7 为自闭症的神经生物学基础提供了一个整合框架。自闭症的皮层低连接理论认为，任何依赖多个脑区整合的语言、社会或心理功能，都会随着信息加工需求的增加而容易受到干扰。在自闭症中，脑内整合性神经回路的功能低下可能导致广泛的低连接性。换句话说，自闭症个体可能以碎片化的方式处理信息，而忽视整体性。由于脑区之间的皮层低连接，尤其是额叶皮层与更靠后脑区之间的连接不足 ^3,6，现在已得到相对充分的建立，我们便可以进一步探究脑连接作为自闭症症状学关键组成部分的作用。

沿着这一方向，下一步合理的研究是考察可能介导上述功能连接的解剖学连接。弥散张量成像（DTI）是一种相对较新的神经影像技术，通过探测脑内水分子的弥散情况来推断白质纤维的完整性。该技术利用弥散梯度在多个方向上检测脑内水分子的弥散特性。功能连接提供了任务状态或静息状态下不同脑区之间脑活动同步性的信息，而DTI则有助于理解潜在的轴突组织结构，这种结构可能促进脑区之间的相互交流。本文将阐述这些技术作为研究自闭症谱系障碍中脑功能的重要工具，以及该研究方向所面临的挑战。

方案

1. 针对发育障碍个体的扫描特殊技术：

尽管神经影像技术本身较为复杂，但使用磁共振成像（MRI）对儿童群体及发育障碍人群进行扫描可能极具挑战性。主要问题包括：1）头部运动：患有障碍的个体，尤其是儿童，可能难以在整个扫描过程中保持静止不动，这可能导致头部移动，进而影响数据质量；2）自闭症儿童具有高度敏感的感觉系统，可能对扫描仪噪音、密闭空间、温度等因素感到不适；3）自闭症患者在面对新环境时容易产生焦虑，适应过程较为困难。若未充分准备，日常规律的改变可能引发问题。因此，需要采用创新性的流程并进行周密准备，以提高数据采集的成功率并改善数据质量。我们结合理论与实践中的宝贵经验，制定了一系列措施，用于帮助受试者准备MRI扫描，使实验和扫描过程对受试者而言更加愉快，并对采集到的数据进行处理，其中包括以下方面：

1. 社交故事 社交故事是一种简短而直接的叙述，常用于向自闭症儿童解释新颖且令人困惑的情境8。我们采用从自闭症个体视角撰写的社交故事，以图解和口头描述的方式，逐项说明研究过程中的每一个步骤。在故事的每一环节，均提供文字描述和图片说明。该故事标题为“关于我的MRI检查”，在扫描日前提前提供给参与者，以便其熟悉扫描流程。该故事的目标是增进个体对检查程序的理解，并帮助其在新环境中感到更加舒适。
2. 扫描仪声音的CD录制。 在扫描过程中，磁共振成像仪会持续产生较大的噪音，这可能使部分自闭症个体感到不适。为了使受试者适应扫描仪的噪音，我们会在扫描日前向受试者提供一段扫描仪运行声音的录音。
3. 模拟 MRI 扫描仪 我们使用一台由废弃的飞利浦MRI扫描仪改装而成的模拟扫描仪，与受试者一起模拟一次MRI扫描过程。该模拟可真实地还原实际扫描过程。位于阿拉巴马大学伯明翰分校视光学院的这台模拟扫描仪，可帮助受试者适应扫描仪环境。
4. 扫描前对磁共振成像仪的参观 在开始磁共振成像扫描之前，受试者将有机会参观扫描仪，并可短暂地躺上扫描仪检查床。通常，这一过程有助于减轻受试者的恐惧与焦虑情绪，同时使研究人员能够观察并获取受试者对扫描仪的行为反应。这些反应虽然多为直观且定性的信息，但往往能提供有价值的判断依据，用以评估受试者是否有可能顺利完成整个扫描过程。在受试者进入扫描仪之前，需将其所有随身物品存放于储物间，并接受金属探测器检查，以确保无金属物品携带进入扫描区域。
5. 让 MRI 扫描仪对儿童更友好 在所有扫描过程中，我们使用位于阿拉巴马大学伯明翰分校（UAB）Civitan 国际研究中心的西门子 3.0 特斯拉 Allegra MRI 扫描仪。该设备为专用头部扫描仪，可减少参与者的紧张感。为了尽可能营造适合儿童（针对儿科人群）的扫描环境，可在扫描仪上粘贴易于移除的动物、卡通形象等贴纸进行装饰。此外，我们为参与者提供彩色毛毯，以保持其在扫描过程中的体温。对于患有自闭症且常具有特定兴趣（例如火车）的儿童，可在装饰扫描仪时考虑其个人兴趣。
6. 使用电影或动画： 解剖成像和DTI图像采集过程中，受试者无需在扫描仪中执行任何任务。在这些扫描期间，受试者可选择观看几分钟自己喜爱的电影或动画片。除了为受试者提供一个从任务中放松的愉快间歇外，这也有助于提升其参与扫描过程的整体体验。

2. 使用刺激呈现软件和按钮反应设备与扫描仪进行通信：

1. 实验任务使用 E-Prime（Psychology Software Tools，宾夕法尼亚州匹兹堡）刺激呈现软件进行编程。在扫描会话之前，参与者在笔记本电脑上练习任务的较短版本，以熟悉他们在扫描仪中将看到的内容以及需要按下的按钮。
2. 任务被加载到集成功能成像系统（IFIS，Invivo Corporation，佛罗里达州奥兰多）上，并与扫描方案同步。IFIS 系统可将视觉刺激投射到参与者身后的一块屏幕上，参与者通过附着在头部线圈上的镜子进行观看。
3. 控制室内的双显示器使研究人员能够选择扫描期间呈现的实验任务或视频，并监控参与者的反应（包括反应时间和表现准确性）。
4. 参与者佩戴兼容 MRI 的耳机，以便听到音频、研究人员的指令，并降低扫描仪产生的干扰性噪音。此外，还提供耳塞以进一步减少扫描仪的噪音。
5. 每个手中连接一个光纤按钮反应装置，使参与者能够对任务问题作出反应。IFIS 系统会记录这些反应，以及每次反应的时间点，并与扫描时间同步。
6. 向参与者提供一个紧急“挤压球”，以便在无法继续扫描时使用。按下此球将在控制室内触发警报，提示研究人员立即前往参与者身边。

3. 使用静态和动态视觉刺激诱发自闭症参与者脑部反应：

尽管出色的实验设计对任何科学研究都至关重要，但与参与者产生共鸣也会对所获取的数据产生显著影响，尤其是在神经影像学研究中。刺激材料应符合参与者的理解水平，实验应简短、精确且富有趣味性。如果未能充分关注这些因素，数据质量可能会受到负面影响。为尽量使实验任务具有挑战性和趣味性，研究人员会通过设计创新的刺激材料来特别关注这些方面。

1. 动态视觉刺激（如描绘社会互动的视频）被用于引发参与者在心理状态归因方面的反应。这些刺激不仅简短且具有趣味性，而且是真实社会世界的片段，为研究与社会认知相关的大脑反应提供了合适的场景。
2. 静态视觉刺激（如展示不同身体姿势的火柴人形象）也被用于研究社会认知。这类刺激有助于通过鼓励参与者从肢体语言中推断情绪来研究情感过程。
3. 涉及多个角色并描绘社会情境的漫画片段等静态视觉刺激也被使用。这些刺激涉及基于民间物理学和民间心理学的归因。
4. 对于研究语言加工的研究，我们主要采用包含句子理解、词汇决策和语篇加工的任务。
5. 尽管每个实验的时长各不相同，但我们尽量将每个实验控制在10分钟以内。此外，我们还尝试在实验之间穿插DTI扫描和解剖扫描，以便为参与者提供一定的自由/静息时间。这一策略已被证明具有较好的可行性。在一个扫描会话中，我们通常安排2-3项任务，使在磁共振设备中的总时间约为30-40分钟。研究流程图见图1。

4. 数据采集、存储、分析与质量控制：

数据采集：

1. 每位受试者的功能磁共振成像（fMRI）和弥散张量成像（DTI）数据均在伯明翰阿拉巴马大学Civitan国际研究中心配备的西门子3.0特斯拉Allegra专用头颅扫描仪（Siemens Medical Inc.，德国埃尔兰根）上单次扫描完成。
2. 扫描会话首先进行高分辨率T1加权结构成像扫描。采用160层三维MPRAGE（磁化准备快速梯度回波）容积扫描序列，参数设置为：重复时间（TR）= 200 ms，回波时间（TE）= 3.34 ms，翻转角 = 12度，视野（FOV）= 25.6 cm，矩阵大小为256 × 256，层厚1 mm。该扫描持续约8分钟，所获数据提供每位受试者大脑的解剖学信息。
3. 结构成像扫描之后进行功能成像扫描。功能图像采用单次激发梯度回波平面脉冲序列采集，参数为：TR = 1000 ms，TE = 30 ms，翻转角 = 60度，FOV = 24 cm，矩阵 = 64 × 64。以交错顺序采集17层相邻的斜轴位切片，层厚5 mm，层间距1 mm，视野24 cm，矩阵64 × 64，最终获得平面内分辨率为3.75 × 3.75 × 5 mm的图像。
4. 根据功能磁共振成像实验的时长，每次60至75分钟的扫描会话中包含两到三个实验。
5. 弥散张量成像（DTI）采用单次激发自旋回波EPI（回波平面成像）序列，共采集46个正交方向的数据。使用扩散加权单次激发自旋回波回波平面成像序列，参数为：TR = 7000 ms，TE = 90 ms，带宽 = 2790 Hz/体素，FOV = 220 mm，矩阵大小 = 128 × 128。共采集27层厚度为3 mm的切片（无层间距），分别在无扩散加权（b = 0 s/mm²）和施加扩散加权梯度（b = 1000 s/mm²）的条件下，沿46个正交方向进行成像。

数据存储与数据分析：

1. 来自 MRI 检查的神经影像数据将根据《健康保险可携性和责任法案》（Health Insurance Portability and Accountability Act, HIPAA）的规定，传输至大学医院受防火墙保护的计算机网络中。
2. MRI 和 DTI 数据从该服务器传输至实验室的中央计算机服务器（neuron），并在可供数据分析之前进行匿名化处理。neuron 服务器存储了所有图像分析程序以及为执行本实验特定计算而开发的内部脚本。
3. 计算机集群采用 3 个节点，每个节点配备四核处理器，可实现多个数据集的快速并行处理。此外，由于不同研究的数据集中存储于同一位置，便于组织元分析并得出综合性结论。
4. fMRI 数据使用 SPM8（Statistical Parametric Mapping，统计参数映射；Wellcome Department of Cognitive Neurology，伦敦，英国）进行预处理、后处理及统计分析。此外，其他软件程序如功能神经影像分析工具（Analysis of Functional NeuroImages, AFNI）、fMRIB 软件库（FSL）和 MRICron 也用于其他类型的分析。
5. DTI 图像使用 FSL 进行预处理、后处理及统计分析。

质量控制：

1. 通过预处理步骤（如切片时间校正、运动校正、重新对齐、空间标准化和空间平滑）对 fMRI 数据进行时间和空间上的调整。
2. 信噪比（SNR）通过任务相关变异性与非任务相关变异性之间的比值来计算。噪声（非任务相关变异性）可能包括从热噪声到头部运动效应在内的各种因素。通过计算 SNR 以获得相对较高的比值（> .8），并同时控制伪影，可确保图像符合严格的质量标准。
3. 时间信噪比（tSNR）是指在整个实验过程中信噪比的变化情况，其数学定义为平均信号强度与信号随时间变化的变异性的比值。在每个体素处计算均值和标准差，若脑区内的比值达到可接受的阈值，则该图像可用于进一步分析。
4. 在每一个预处理和分析步骤中检查数据是否存在伪影始终是良好的实践。例如，检查原始图像中是否存在射频（RF）伪影，或评估预处理数据中的运动伪影。一种控制伪影的预防措施是筛查受试者头部内部或周围是否存在金属物体，如牙套或固定保持器，以减少信号丢失的程度。
5. 如果某数据集在经过运动校正后仍存在过多噪声，并且未达到我们的数据质量标准，则该数据集通常会被排除在进一步分析之外。

5. 在网络水平上研究自闭症中的大脑：基于fMRI的功能连接性研究与基于DTI的解剖连接性检查：

功能连接性：

功能连接是指大脑不同区域之间脑活动的同步性。通过分析大脑各区域激活时间序列之间的相关性，可作为这些区域之间存在信息交流或连接性的证据。该分析涉及的步骤如下：

1. 通过功能方法（基于任务激活反应）或解剖学方法（基于标准化脑图谱）确定感兴趣区域（ROIs）。这些感兴趣区域可定义为球形，其半径需覆盖激活区域，也可保留其原始形状。
2. 结合指定的半径或实际形状以及MNI坐标，使用内部脚本为所有感兴趣区域生成ROI文件。检查并校正这些感兴趣区域位置之间的重叠情况。
3. 针对每个感兴趣区域，从每位参与者的实验时间序列数据中提取信号。
4. 对每位参与者，将每个感兴趣区域的平均信号时间序列与其他所有感兴趣区域进行相关性分析，从而生成相关矩阵。随后将相关系数转换为Fisher's z' 分数，用于后续统计分析，以进行个体、组内及组间水平的推断。

解剖连接性（DTI）：

为了检测全脑白质的完整性，采用 FMRIB 软件库（FSL）对扩散张量图像进行分析⁹。主要步骤如下：

1. 该分析的第一步是进行预处理，包括去除非脑组织和涡流校正。使用脑提取工具（Brain Extraction Tool, BET）进行去除非脑组织，以去除任何非实质组织。当高强度扩散梯度快速切换时，会产生剪切和拉伸伪影，且每种梯度方向的伪影不同。这些畸变通过FSL的涡流校正工具进行校正，即将扩散图像配准至一幅未施加扩散梯度的参考图像。
2. 随后，使用FSL的扩散工具箱在体素水平上计算扩散张量和各向异性分数（FA）值，后者是反映水分子沿轴突扩散程度的指标。
3. 采用基于纤维束的空间统计分析方法（Tract-Based Spatial Statistics, TBSS）¹⁰，在体素水平上检验组间差异。该方法首先通过非线性配准将所有扩散图像对齐至同一空间。
4. 基于所有受试者的主要白质纤维束生成FA骨架，然后将每位受试者的个体扩散图像配准至该FA纤维束骨架。
5. 通过t检验，将自闭症患者组在骨架上各区域的图像与对照组相应区域进行逐个体素比较。将FA值存在差异的体素分离为一个较大的感兴趣区域（ROI），并计算其平均FA值。

6. 代表性结果：

我们的研究得出的主要结果涉及自闭症参与者神经反应的减弱（在激活程度、信号强度变化以及功能连接性方面），以及在完成认知和社会任务时可能使用了改变的皮层通路。例如，在介导某种功能方面发现的核心脑区（如颞顶交界处的后部上颞沟，在推断他人意图中起作用；见图2），与典型对照组参与者相比，在自闭症个体中表现出反应不足。此外，该核心脑区在功能上与其他节点，尤其是空间距离较远的节点之间的连接性也较弱（图3）。通过弥散张量成像（DTI），我们还为这些发现找到了一定的解剖学基础（见图4），从而提供了关于自闭症大脑组织在脑网络水平上的全面图景。

图1. 描述方法与操作流程的流程图。

图2： A) 在典型的语言任务（如句子理解）中，左侧额下回和左侧后部颞上沟的激活增强；B) 神经发育典型参与者在推断他人心理状态任务中，双侧后部颞上沟的激活增强（经FWE校正，阈值为 p< 0.05）。

图3. 在自闭症参与者中，执行社会认知任务时额叶与颞叶区域之间的功能连接性（脑激活同步性）显著降低（p< 0.05）。LSTG：左侧上颞回，RSTG：右侧上颞回，RIFG：右侧下额回，ROI：兴趣区，FCA：功能连接性。

图4. DTI纤维束成像结果，显示一条从颞叶延伸至颞顶交界区的白质纤维束。纤维束成像的初始起点为TBSS识别出的一个感兴趣区域（ROI），该区域在自闭症青年中的FA值显著小于年龄匹配的典型对照组参与者。

讨论

本文所述的方法和程序基于认知神经科学和神经影像学的基本原理。这些方法共同为评估儿童、成人以及患有疾病个体的系统水平脑功能提供了一个强有力的框架。基于这些方法的研究在表征自闭症个体脑功能异常方面尤其具有重要影响。

尽管本文介绍的技术可推广至其他人群以解决相关的理论问题^11,12,13,14，但在儿童神经影像学以及发育障碍人群的神经影像研究中仍需格外谨慎：1）尽管我们在扫描前采取了多种预防和准备措施，头部运动仍是神经影像学中的主要问题。磁共振扫描仪对头部运动极为敏感，仅0.5 mm的旋转运动即可导致显著的运动伪影。虽然我们已采用多种方法来减轻受试者的焦虑，从而减少运动，例如使用模拟扫描仪和装饰扫描室，但在此方面所做的任何努力都是值得的。目前，我们正尝试采用基于电影的反馈范式进行训练，以将头部运动降至最低；2）另一个问题是受试者脱落，尤其是在儿童群体中。许多儿童拒绝进入扫描仪，或在扫描开始后出现恐慌；3）第三个问题与发育障碍在临床表现上的固有异质性有关。发育障碍研究的研究人员必须谨慎对待样本中的变异性，否则这些变异性可能被常被报道的组水平推论所掩盖；4）即使是轻微的...