脑部疾病与血常规_浅析ERP和fMIR技术的结合

一、ERP概述

ERP(event-related potentials)即事件相关电位，是一项无损伤性脑认知成像技术，其电位变化是人类身体或心理活动有时间相关的脑电活动，在头皮表面记录到并以信号过滤和叠加的方式从EEG中分离出来，1965年由Sutton开创为打开大脑功能这一“黑箱”，提供了一个更为客观且简便可行的方法，具体来说是指当外加一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，在脑区引起的电位变化，在这里，将刺激视为一种事件(event)。从本质上讲，ERP就是一种特殊的脑诱发电位。

而诱发电位(EP，evoked potentials)记录的是神经系统对刺激本身产生的反应，因此，按刺激的种类可以分为听觉诱发电位、视觉诱发电位和体感诱发电位，也有嗅觉和味觉等诱发电位。刺激种类不同，诱发电位的基本波形特征亦有所不同。大量研究表明，ERP的早期成分与认知活动也有一定的密切关系，如听觉P50、视觉C1和P1等，因此，在认知ERP研究中注意不同诱发电位的基本特征就显得尤为重要，尤其是认知活动通道特异性的研究。一般来说，ERP是将脑电图的波叠加再平均来计算的。具有以下的特征:ERP是一种特殊的诱发电位，属于近场电位(near-field potentials，记录电极位置距活动的神经结构较近)；一般要求被试实验时在一定程度上参与实验；刺激的性质、内容和编排多样，目的是启动被试认知过程的参与；ERP成分除与刺激的物理属性相关的“外源性成分”，还包括主要与心理因素相关的“内源性成分”以及既与刺激的物理属性相关又与心理因素相关的中源性成分。对人脑产生的ERP有多种分类，但最初和较为全面的分类方法，还是将ERP分为外源性成分和内源性成分。外源性成分是人脑对刺激产生的早成分，受刺激物理特性(强度、类型、频率等)的影响，如听觉P50、N1、视觉C1和P1等；内源性成分与人们的知觉或认知心理加工过程有关，与人们的注意、记忆、智能等加工过程密切相关，不受刺激的物理特性的影响，如CNV、P300、N400等。内源性成分为研究人类认知过程的大脑神经系统活动机制提供了有效的理论依据。

二、fMIR概述

脑功能成像技术是20世纪80-90年代出现的成像技术，主要包括正电子发射断层显像(PET，position emission computerized tomography)、单光子发射断层显像(SPECT，single photon emission computerized tomography)、功能核磁共振成像(fMRI，functional magnetic resonance imaging)、脑磁图(MEG，magnetoencephalography)、脑电图(EEG，electroencephalography)和光学成像等。与计算机断层显像技术(CT，computerized tomography)、磁共振成像(MRI，magnetic resonance imaging)等结构成像不同，功能成像所得到的是反映机体功能的信息。

关于fMIR的成像原理，目前，一般认为fMRI应包括：血氧水平依赖性成像(blood oxygen level dependentimaging，，BOLD)、灌注加权成像(perfusion weighted imaging，PWI)、弥散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、脑磁共振波谱成像(magnetic resonance spectroscopy imaging，MRSI)[2]。

BOLD是通过脑动脉内去氧血红蛋白的含量变化对脑皮质局部功能活动变化进行MR成像的一种脑功能影像学检查手段，去氧血红蛋白的磁敏感性是BOLD的成像基础。BOLD-fMRI最早出现在1992年，它是一种无创性检查，且具有较高的信号敏感性和空间特异性，是目前最流行的fMRI技术。所谓灌注即指血流通过毛细血管网的过程，通过对局部灌注的测量可以了解局部组织的生理功能和能量代谢的情况。磁共振灌注成像一方面通过注射对比剂研究器官、组织的微血管灌注循环情况，另一方面，使用一些对水分子微量运动特别敏感的成像序列观察微循环的灌注情况。因此，它还是一种研究生理学的检查方法。灌注加权成像包括三种方法，一是经静脉内注射磁共振对比剂后行快速成像序列成像；二是利用血流内水分子自旋标记技术来观察微循环的灌注情况；三是利用体素内相位不一致运动现象进行灌注成像，此种方法现已很少用。弥散加权成像是建立在人体组织微观流动效应基础之上，利用人体内不同情况下水分子扩散程度的不同所造成的信号改变进行磁共振成像。研究证明水分子具有随机自由运动的特性，即所谓布朗运动(也称热运动、弥散运动、扩散运动)，这种运动在空间任意方向上都有运动轨迹，且受分子结构及温度影响。弥散张量成像是在弥散加权成像基础上发展起来的一种fMRI技术，是利用人体内水分子在不同方向上其自由运动不同所造成的信号改变进行成像的，它是一项显示组织内微观结构的成像技术。脑磁共振波谱分析(MRS)是一种利用NMR现象和化学位移作用，进行系列特定原子核及其他化合物定量分析的方法，于1973年首次应用于医学领域。在临床上，主要用于研究人体内部器官，对组织代谢和生理生化改变进行定量分析。

三、ERP技术和fMRI技术的结合应用

目前，ERP和fMRI的研究已经深入到心理学、生理学、医学、神经科学、人工智能等多个领域，发现了许多与认知活动过程密切相关的成分。例如：Sutton等在识别不同声调时记录到一个潜伏期约300ms的正波(P300)，大量研究结果表明P300是与注意、辨认、决策、记忆等认知功能有关的ERP成分，现在己广泛应用于心理学、医学、测谎等领域；N?覿?覿t?覿nen等采用相减的方法首先提取出失匹配负波(mismatchnegativity，MMN)和加工负波(processing negativity，PN)，并提出了注意的脑机制模型和记忆痕迹理论，成为近年注意研究的前沿问题；Kutas & Hillyard首先观察到反映语义认知加工过程的N400，围绕N400的一系列研究，促进了对人脑语言加工脑机制的认识，而且，N400的发现不仅在于使ERP增加了一个具有特定意义的成分，扩大了ERP的研究范围，重要的是将ERP成功地运用到了语言心理学，给语言心理学注入了新的活力，使探讨语言加工的脑机制成为可能。fMRI不仅实现了对视觉运动加工区的精确定位，而且阐明了各脑区的功能作用。早期fMRI研究表明，手部运动的功能活动区在对侧中央沟周围皮层，是个较为局限的区域。主要为第一皮层功能区(SM1)和辅助运动区(SMA)、运动前区(PMA)。SM1主要位于中央沟前后区域，是对侧主要兴奋区，同侧几乎检测不到。fMRI研究显示，口述语言可引起额叶、强叶及扣带回前部的兴奋，其所采用的简单词语刺激多为同一字母开头的单词，同时每隔2—5秒，受试者会得到视觉或听觉的暗示。词语生成时可引起补充运动区、扣带前回、左侧运动前区、左侧Broca区、左侧背侧额前皮质、左侧颞后回、双侧丘脑及双侧基底节区的兴奋，生成动词和生成名词时无显著性差异。记忆是人类认知和适应日常生活的基础，应用fMRI对记忆机制的研究有利于揭示人脑工作原理、防治记忆疾思和提高人类记忆潜力，而且对于发展新型信息处理机器也有重大作用。目前对儿童脑功能成像的研究主要集中在以下两个方面：大脑发育的研究和术前感觉运动及认知区域定位的研究。fMRI己越来越多地应用于临床疾病的分析，如术前脑功能的定位、术中癫痫灶的切除范围，它也开始用于预测异常脑组织生长后的功能障碍，如认知障碍、失语症、运动障碍，其中最令人兴奋的是在与组织结构异常无关的神经功能损伤方面的应用，它也可能将被发展用于直接定位中枢神经系统兴奋性药物的作用部位。

ERP不像普通诱发电位记录神经系统对刺激本身产生的反应，而是大脑对刺激带来的信息引起的反应，反映的是认知过程中大脑的神经电生理改变。ERP的优势在于具有很高的时间分辨率，是研究认知过程中大脑活动的不可多得的技术方法。

fMRI是通过测定磁共振信号变化来反映血氧饱和度及血流量，而不是直接显示神经细胞的功能活动，所以在临床工作中特别是在脑肿瘤患者中fMRI的敏感度会下降，其原因一是由于脑肿瘤内和肿瘤周围血管自身调节功能较低，在受到刺激时血流量增加不明显或不增加，造成fMRI对还存有功能活性的感觉、运动皮层的敏感性减低或不能显示；二是由于占位效应的影响，肿瘤及其周围压力增大，小静脉受压，使功能活动区的氧合血红蛋白的流出速度加快，局部浓度减低，这样脱氧血红蛋白的相对浓度增大，MR信号降低，从而削弱了fMRI对功能活动区的检出能力。因此fMRI还有许多技术问题需要深入研究和探索，但它作为一种新的成像手段具有高分辨率、高精确度、非侵袭性、无须注射对比剂等特点。它对脑表面和深部的活动均能显示，对合作良好者具有很高的敏感性。

在分别做ERP和fMIR实验的时候，我们知道做两次实验所产生的额外变量要大于在一次实验当中的，所以误差也会变大，因为实验的任务，不同的准备时间，实验环境等都会影响被试实验的时候的脑波的变化，即使在一个定义好的认知实验中同一个被试在同一个任务下也会可能有不同的表现，在两种技术分别实验的时候.多个激活脑区在头皮上的独立映射可以称为观测峰值的独立成分或子成分，而每个激活脑区称为独立源。独立成分分析(Independent Component Analysis，ICA)的普遍性在于它的简单原理，即不同的生理过程都会产生统计上独立的信号。头皮所记录到的EEG是来自多个源的信号的总和，ICA可以计算出统计上独立的可能由不同生理过程产生的单个信号。作为20世纪90年代发展起来的一项信号处理方法(Comon，1994)，ICA的基本含义是把信号分解成若干个相互独立的成分。目前，ICA被认为是处理生理信号的首选方法。进来我们在动机行为实验中运用了一个实验接着一个实验的ERP技术来作为变量预测BOLD的反应.运用ERP的单个变量提取的方法来测BOLD信号在脑的特定的部位是行为管理研究的一个关键。

正是由于两种技术具有各自的优点和巨大的应用价值，而为了更好揭开人类大脑这个黑箱子的秘密，迫使两者结合使用的方法已经提上日程，当前正是研究的热点问题，ERP和fMRI已经在科学、临床等领域取得了很多成果，当前新的发展趋势是fMRI将向着与多种技术联合的方向发展，就可以得到更多的脑功能活动信息。随着该技术的不断完善，两种高时间分辨率和高空间分辨率的技术的结合使用必将成为探索人类认知(如学习、记忆)与思维活动等复杂、诊治脑部疾病的一种有力工具，也将带来脑科学研究的又一个朝气的春天。