基于弥散张量成像的丘脑皮层环路的构建及应用研究

发布时间：2020-05-12 13:52

【摘要】：丘脑及其与大脑皮层广泛连接而形成的丘脑皮层环路在感觉运动和高阶认知功能中扮演关键角色。又由于其与多种神经递质系统(如多巴胺、谷氨酸)存在相互作用,丘脑及其相关的回路在大脑疾病(如癫痫和精神分裂症等)的理论中也占有重要地位。因此,对此回路的研究,有助于了解人类各种认知能力的解剖基础以及各种相关疾病的病理学机制。神经生理学的研究表明,此环路主要依托于丘脑皮层白质纤维辐射传导信息。随着磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)的脑部成像序列的进步以及数据分析方法的发展,使得无创地研究丘脑皮层回路成为了可能。本论文主要使用弥散磁共振成像(diffusion MRI,dMRI)构建丘脑皮层连接通路,并探索其与认知及疾病的关系。本文各项工作总结如下:首先,我们回顾使用MRI数据构建丘脑皮层回路的数种经典手段,对比了通过细分考察丘脑皮层回路的各个方法,提出了丘脑皮层回路构建的基本框架,创新性地结合了dMRI和静息态功能磁共振(functional MRI,fMRI)的优势,分别使用两种多模态融合的方法,实现了对特定被试群组丘脑的分割以及相应回路的构建;并使用结构调制功能连接的方法构建了丘脑皮层功能回路,探讨了其神经生理意义。随后,由于丘脑与感觉运动皮层的结构连接参与运动功能,我们推测,此连接的空间模式可能与头皮脑电的信号有关联,也可能是脑电信息个体差异的根源。因此,我们将体感运动皮层细分,创新性地聚焦皮层脑沟脑回尺度,在考察丘脑皮层回路对运动功能作用的同时,探索了此回路通过白质连接投射在大脑皮层的空间分布模式和对脑电信号的潜在影响。简要地说,基于个体的高分辨率解剖图像,我们将个体的体感运动皮层划分为脑沟和脑回两大部分。使用基于dMRI的白质纤维束示踪的方法,构建了基底节-丘脑-体感运动皮层的白质通路。通过考察上述通路在脑回和脑沟上的白质连接强度的比值,首次提出了丘脑白质连接强度“回沟比”这一指标。这一指标能够反映出此白质通路与皮层连接强度的空间分布模式。通过结合相关分析和支持向量回归的方法,我们发现白质连接特征与EEG指标存在显著的相关性,且白质连接特征的结合能够对BCI的正确率进行预测。本研究揭示了丘脑皮层白质通路与运动想象诱发的脑电信号之间的联系。同时,此研究的结论体现出皮层的细分对丘脑皮层白质连接回路考察的重要性。最后,我们使用了新的手段,分别采取纯数据驱动和目标驱动两种方法,构建了丘脑皮层回路的各个子成份,并考察了此回路在两种疾病模型(精神分裂症和全面特发性癫痫)上的特异改变。具体来说,一方面,由于精神分裂症患者伴随有全脑弥漫性的连接改变,且无明晰的病理模型,因此我们采用了数据驱动的方法,规避了人为的干预,通过结合结构和功能连接的信息,基于精神分裂症患者及相应对照组的MRI数据,将丘脑分为了左右对称的6个子区。通过丘脑子区尺度的功能连接分析,我们发现上前丘脑-感觉运动、腹内丘脑-前扣带和上前丘脑-小脑的功能连接在患者组存在显著改变。且连接的改变与临床量表的评估存在显著的相关性。患者组功能连接发生改变的丘脑子区被定位于丘脑的内侧背核和腹侧核。这些发现揭示出精神分裂症患者丘脑皮层回路功能连接的改变可能来自丘脑内不同的核团,并且提示了小脑-丘脑-皮层回路可能是研究精神分裂症患者病理学机制的关键通路。另一方面,由于小脑和基底节通过丘脑的中继对皮层进行调制,形成了丘脑皮层投射回路的重要组成部分。此回路对癫痫的发作及传播起重要作用。但在全面特发性癫痫患者中,小脑和基底节对于此回路的调节作用尚未被完全了解。因此,我们采用了目标驱动的方法,基于dMRI数据获取小脑和基底节在丘脑内部的投射子区域,并将丘脑皮层回路拆分为基底节丘脑皮层回路(Basal ganglia-thalamocortical,BTC)和小脑丘脑皮层回路(Cerebellum-thalamocortical,CTC)两个子部分。随后,在癫痫患者中考察了BTC和CTC两条回路功能和结构连接的改变。本研究结果展示了两种丘脑皮层回路对癫痫患者感觉运动和认知系统的协同作用,为了解基底节和小脑在丘脑皮层回路中的作用提供了新的线索,这可能有助于理解癫痫患者的病理机制和临床表现之间的关系。综上所述,通过本研究,我们探讨了使用MRI特别是dMRI对丘脑皮层回路进行构建的手段,对比了各种基于连接的丘脑分割方法,提出了对此回路研究的具体方案。通过应用细分手段,在皮层端,探索了丘脑皮层白质连接空间模式的个体差异,以及此空间模式对脑电信号的影响;在丘脑端,定位了精神分裂症患者以及癫痫患者发生病理改变的丘脑子区,揭示了丘脑不同子区与皮层连接改变的特异性。本论文的研究过程为精细化地考察丘脑皮层环路在认知过程以及病理状态下的作用提供了创新性的思路,本论文的结果结论为探究认知过程,特别是运动相关认知过程的起源、精神及神经疾病的病理机制提供了更多的信息。此外,本论文中的各项研究均从影像学的角度提供了证据支持丘脑皮层回路是支持大脑高级认知功能以及参与疾病病理过程的核心通路。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN911.7;R445.2

【相似文献】