Name: 使用功能磁共振成像和弥散加权成像脑结构与功能分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-11-08T12:00:00.000+00:00
Duration: 17 min 6 s
Description: 学习使用高场磁共振成像、弥散谱成像和功能磁共振成像同时分析大脑结构与功能的方法。该技术通过纤维束追踪建立解剖连接与脑网络功能特性之间的关系，为认知神经科学研究提供重要工具。

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致谢及资助来源。本工作由美国国立卫生研究院（NIH RO1-MH54246，M. B.）、国家科学基金会（NSF BCS0923763，M. B.）、国防高级研究计划局（DARPA，合同号 NBCHZ090439，W. S.）、海军研究办公室（ONR，项目号 N00014-11-1-0399，W. S.）以及陆军研究实验室（ARL，合同号 W911NF-10-2-0022，W. S.）资助支持。本展示中包含的观点、意见和/或研究成果均为作者所有，不应被解释为代表上述机构或美国国防部的官方观点或政策，无论明示或暗示。

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</ol>

无利益冲突声明。

高分辨率弥散加权成像与纤维束成像为研究人脑连接结构提供了强有力的手段。本文展示了该结构架构与通过功能性磁共振成像（fMRI）评估的大脑功能存在有意义的关联。通过以fMRI任务激活区域作为纤维束成像的种子点，我们发现，在视觉注意过程中共同激活的脑区之间存在解剖学连接，这与功能神经解剖学的已有认知一致图7）。类似地，面孔感知的功能神经解剖学与我们当前的结构连接发现结果一致（图6）。了解解剖连接性对于推断特定任务中脑区间是否存在直接功能连接是必要但不充分的（且 反之亦然）。在许多神经影像学研究中，仅基于功能活动的同时发生来推断脑区间直接的结构和功能连接，这种做法存在问题。此类推论忽略了其他可能的解释：例如，两个脑区看似共同激活，可能是因为它们共享一个共同的输入，受到实验设计未能控制的全局神经调节影响，甚至可能源于共同的噪声源（如头部运动）。磁共振扩散纤维束成像通过证实远端脑区之间存在潜在的连接结构基础，为这些动态功能关系提供了支持性证据。
用户应考虑纤维追踪研究中的若干局限性和注意事项。其中最基本的一...

联合分析脑结构与功能：采用fmri与扩散加权成像

Co-analysis of Brain Structure and Function using fMRI and Diffusion-weighted Imaging

复杂计算系统的研究得益于网络图谱，例如电路图。这种图谱在研究大脑时尤其具有启发性，因为某个脑区所发挥的功能角色在很大程度上可能由其与其他脑区的连接关系决定。在本报告中，我们描述了一种新颖的、非侵入性方法，利用磁共振成像（MRI）来关联脑结构与功能。该方法结合了长距离纤维连接的结构成像与功能成像数据，并在两个不同的认知领域——视觉注意和面孔感知中进行了演示。结构成像采用扩散加权成像（DWI）和纤维束追踪技术，用于追踪水分子在脑内白质纤维束中的扩散情况（图1）。通过可视化这些纤维束，我们能够研究大脑的长距离连接结构。该方法的结果与目前DWI领域应用最广泛的扩散张量成像（DTI）技术相比具有明显优势。DTI无法解析纤维束的复杂构型，限制了其在构建精细且基于解剖结构的脑功能模型中的应用。相比之下，我们的分析能够精确且准确地再现已知的神经解剖结构。这一优势部分源于数据采集方案：尽管许多DTI方案仅在少量方向上测量扩散（例如，6或12个方向），但我们采用了一种扩散谱成像（DSI）1, 2方案，可在257个方向上并结合多种磁梯度强度进行扩散测量。此外，DSI数据使我们能够使用更复杂的方法来重建采集到的数据。在两项实验（视觉注意和面孔感知）中，纤维束追踪揭示了人脑中共同激活的区域在解剖结构上是相互连接的，支持了这些区域构成功能性网络的现有假说。DWI使我们能够创建个体被试水平的“电路图”，并以此为基础监测特定任务相关脑网络中的活动情况。

我们介绍了一种利用磁共振成像（MRI）同时分析大脑功能与结构的新方法。我们采用高分辨率扩散加权成像及白质纤维束示踪技术来评估大脑结构。与标准的结构性MRI不同，这些技术使我们能够直接将解剖连接性与脑网络的功能特性关联起来。

联合分析脑结构与功能：采用fMRI与扩散加权成像

复杂计算系统的研究得益于网络图谱（如电路图）的帮助。当进行此类映射时，尤其具有信息价值的是……

以下实验的总体目标是利用磁共振成像技术同时分析大脑的结构与功能。通过高场强磁共振成像（MRI）实现该目标，其中采用弥散谱成像（DSI）来获取大脑白质结构图像，并利用血氧水平依赖功能磁共振成像（BOLD fMRI）测量大脑功能。随后对DSI数据进行处理，以生成大脑每个位置的多方向弥散估计值。此外，对 fMRI 数据进行分析，以生成用于构建或选择虚拟白质纤维的兴趣区域。接下来，将这些兴趣区域与 DSI 数据进行配准，从而使功能数据与结构数据处于同一图像空间中。最后，对扩散数据进行纤维束追踪，以估算连接功能兴趣区域的白质通路。所得结果可显示假设存在功能连接的脑区之间的解剖连接程度。基于功能性磁共振成像（fMRI）任务数据。近期越来越多的证据表明，复杂的认知操作是由多个协同工作的脑区网络共同执行的，而非由单一的脑区独立完成。为了充分阐明这些计算系统，有必要通过整合功能性磁共振成像，理解其功能特性与结构特性之间的关系。利用扩散加权磁共振成像，可以研究脑网络连接及其如何产生复杂的人类行为。相较于扩散张量成像等标准方法，该扩散磁共振成像流程的主要优势在于，高角分辨率扩散加权成像与无模型重建方法的结合，使我们能够更精确地解析大脑中复杂的纤维构型。该技术的应用前景包括对神经心理状况的特征进行刻画。例如，先天性面孔失认症患者表现出面孔识别能力受损。利用标准的弥散磁共振成像技术，已发现与正常对照组相比，面孔处理区域附近的白质纤维束出现退化。通过结合结构磁共振成像和功能磁共振成像，可以识别出连接面孔处理网络中特定节点的纤维结构缺陷。该方法还可应用于临床环境中，例如神经外科手术规划。外科医生利用功能定位来识别与重要认知功能相关的灰质组织，以尽量减少手术过程中可能造成的意外损伤。结合额外的结构信息，如弥散加权成像，他们还可以尽量减少对连接这些功能区域的关键白质结构的损伤。通常，初次接触该方法的人员会面临一个难点：目前尚无单一软件包能够完成该流程的所有必要步骤。因此，使用者必须在多个程序之间切换，同时保持统一的图像格式以及一致的方向和对齐方式。本方案提供了详细的指导说明，以帮助使用者顺利完成该流程。此类结合结构与功能进行分析的方法，是功能性成像实验的自然延伸，后者已识别出与特定功能相关的脑区。在感兴趣的实验任务中，大多数先前的方法无法提供有关结构连接性的信息，而本方案所采用的方法则补充了这一关键环节。本实验使用西门子3特斯拉扫描仪，配备32通道相控阵头线圈，采集257个方向的扩散谱成像（DSI）扫描数据；高场强与32通道线圈对于实现这种高角分辨率扫描所需的信号强度至关重要。最常用的扩散加权成像方法是扩散张量成像（DTI），通常采用5到10分钟的扫描时间，测量64个或更少的方向。DTI的一个局限性在于其难以分辨交叉和邻近的纤维束，而这些结构通过高分辨率采集与重建方法（如DSI）的结合能够更

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科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

使用功能磁共振成像和弥散加权成像脑结构与功能分析

本文展示了一种实验设计，该设计结合使用全身动画角色和功能磁共振成像（fMRI）来研究观察虚拟社交互动时的神经相关机制。...

观察虚拟社会互动的神经相关性的脑成像研究

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。...

利用fMRI和弥散张量成像研究自闭症中的大脑

我们研究的目标是将行为与大脑活动相关联。精确的行为测量和成像技术使我们能够阐明脑-行为之间的关系。...

将行为反应与人类前额叶皮层的fMRI信号相关联：通过任务分析检验认知过程

包括主成分分析（PCA）在内的多变量技术已被用于识别功能脑成像中区域变化的特征模式。我们开发了一种算法，用于识别神经退行性疾病诊断、疾病进展评估以及患者群体治疗效果客观评价中的可重复性网络生物标志物。...

利用神经影像数据识别与疾病相关的空间协变模式

弥散张量成像（DTI）基本上是一种基于磁共振成像（MRI）的技术，用于识别 体内...

神经退行性疾病分析中的弥散张量磁共振成像

采用基于种子点的功能连接MRI（fcMRI）分析颞叶癫痫（TLE）患者脑部静息状态下的默认模式网络（DMN）。...

利用功能连接MRI对颞叶癫痫患者默认模式网络进行网络分析

本文介绍了一种脑电图-功能磁共振成像（EEG-fMRI）多模态成像方法，即时空fMRI约束的脑电图源成像方法。该方法采用条件激活的功能磁共振成像子图（或先验信息），以提高脑电图源定位的空间特异性，并减少错误结果。...

同步脑电图与功能磁共振成像记录及整合分析用于动态皮层活动成像

本实验的总体目标是获取轻度创伤性脑损伤大鼠海马体的定量微结构信息。该目标通过采用先进的扩散加权磁共振成像方案，并对参数化扩散图进行基于感兴趣区域的分析来实现。...

轻度创伤性脑损伤大鼠海马区的高级扩散成像

本研究整合了磁共振成像—动脉自旋标记图像，以构建脑功能区的脑血流量（CBF）图谱。通过比较典型健康状态与慢性脑缺血状态下的CBF图谱，发现区域CBF分布存在显著差异，从而实现对功能性CBF的快速、无创评估，有助于疾病诊断及治疗效果的评价。...

基于脑功能区的脑血流图谱构建及其在磁共振成像—动脉自旋标记中的应用

我们开发了一种在啮齿类动物大脑中同时进行功能性磁共振成像和电生理记录的方法，为研究神经活动与血氧水平依赖性（BOLD）磁共振成像信号之间的关系提供了平台。...

同步进行啮齿类动物脑部的fMRI与电生理记录

学习使用高场磁共振成像、弥散谱成像和功能磁共振成像同时分析大脑结构与功能的方法。该技术通过纤维束追踪建立解剖连接与脑网络功能特性之间的关系，为认知神经科学研究提供重要工具。

联合分析脑结构与功能：采用fMRI与扩散加权成像

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