基于磁共振的网络分析方法在癫痫中的应用研究

发布时间：2019-10-09 07:32

【摘要】：人类大脑能够高效率地分离和整合多源信息,并能创造新知识,是已知自然界中最复杂的系统之一。利用磁共振成像技术和网络分析方法探索大脑结构和功能是现代脑科学研究的重要手段,取得了丰硕的研究成果,推动了认知神经科学的极大进展,促进了各种神经及精神疾病的研究、诊断和治疗。癫痫是一种大脑神经元异常同步放电导致中枢神经系统功能紊乱的疾病,癫痫无预见地反复发作给患者生活、学习和工作带来严重的影响,让其家庭背负沉重的心理和经济负担。本文以癫痫为研究对象,采用脑电、功能磁共振和弥散磁共振成像技术,利用复杂网络和图论方法,系统探讨了癫痫的血流动力学响应函数、认知控制网络、默认模式网络和大尺度全脑解剖结构网络。具体内容如下:首先,研究了慢波颞叶癫痫的血流动力学响应函数。本研究招募的是发作间期大脑呈现慢波放电的颞叶癫痫患者,同步采集了他们的脑电和功能磁共振数据,把脑电中的慢波作为瞬时刺激,考察由此引起的血氧水平依赖信号的变化,然后与经典的血流动力学响应函数进行比较。结果表明,慢波颞叶癫痫患者的血流动力学响应函数存在明显的改变,并且有较大的个体差异,可见有必要对每一个患者建立个体的血流动力学响应函数,并且应该对该函数做进一步的研究。第二,研究了痫性放电对脑功能连通性的影响。近年来,利用脑电和功能磁共振对各类癫痫患者的脑功能连通性进行了多方面的研究,但这些研究都没有深入探讨痫性放电对功能连通性的影响。本文通过仿真不同数量和幅度的痫性放电,观测大脑任务正和任务负网络之内及二者之间功能连通性的变化情况。结果表明,痫性放电的数量和幅度对脑功能连通性都存在显著的影响,研究癫痫脑功能连通性时应该考虑如何消除这种影响。第三,研究了儿童失神癫痫认知控制网络(cognitive control network,CCN)的结构连接。已有研究表明儿童失神癫痫患者的认知控制网络中功能连接发生了变化。为了探索这些改变相应的结构基础,本文采用基于弥散张量成像的纤维束追踪技术,构建了每个被试的CCN网络。结果发现患者组CCN网络中主要纤维束上平均各向异性(fractional anisotropic,FA)值显著降低,平均弥散度(mean diffusivity,MD)值显著增加,并且左侧前额叶皮层到丘脑的纤维束上平均FA值与病程呈显著的负相关关系。这些结果为儿童失神癫痫患者CCN网络的功能连接异常提供了相应的结构基础,这些结构连接异常可能是导致患者认知控制功能异常的重要原因之一。第四,研究了儿童失神癫痫默认模式网络(default mode network,DMN)的结构连接。已有研究表明失神癫痫患者DMN网络中的功能连接发生了改变。为了探索这些改变相应的结构基础,本文使用基于弥散张量成像的纤维束追踪技术,构建了每个被试DMN网络脑区间的纤维束连接。结果表明,在所有被试中一致发现后扣带/楔前叶到内侧前额叶、后扣带/楔前叶到左右双侧的内侧颞叶都存在纤维束连接。通过组间统计比较,发现患者组的后扣带/楔前叶到内侧前额叶纤维束连接上的平均FA值及连接强度都显著降低,而平均MD值显著增加,并且其FA值与癫痫病程呈显著的负相关关系,这些改变可能影响了患者DMN网络的功能连接。第五,研究了儿童失神癫痫的全脑解剖结构连接网络。虽然在以往的脑电和功能磁共振研究中已发现失神癫痫患者大脑功能连接异常,但很少有人知道这些患者大脑结构连接是否存在异常。本文推测,由于大脑结构连通性破坏,反映到失神癫痫患者上就是大脑功能连接的降低。本文采用弥散张量成像的纤维追踪技术来构建大脑白质结构网络,网络节点由90个大脑皮层脑区和皮层下结构组成。研究中采集了儿童失神癫痫患者和健康对照组的弥散张量成像数据,然后应用图论方法研究了这些患者的网络拓扑和节点属性是否显著改变。结果表明,患者组和对照组的白质结构网络均表现出小世界特性,但是患者组的网络连接强度、绝对聚类系数、全局及局部效率都显著地下降,而特征路径长度显著增加。在皮层下结构、眶额叶区和边缘系统发现患者组脑区间的纤维连接、脑区连接强度、效率等降低,并且其子网络受损。本研究初步证实了儿童失神癫痫白质结构网络的拓扑结构受到损伤。眶额叶和皮层下结构的连通性和效率降低,可以作为解剖学的证据,以对儿童失神癫痫中观察到癫痫样放电的功能异常提供支持。眶额叶中的子网络可能在失神发作中扮演了关键角色。这些发现为更深入地理解失神癫痫的病理生理机制开辟了新的途径。
【图文】：

流程图,功能网络,流程,网络节点

图 1-1 构建大脑结构和功能网络的流程注：图左边展示的是基于弥散磁共振成像的解剖结构网络的构建流程。右边展能磁共振成像的功能网络的构建流程。具体来说：（1）网络节点的定义：通常弥振都需要利用先验的脑图谱（如 AAL 模板）来划分脑区作为网络节点。（2）网络定义：对于弥散磁共振数据，通常采用确定性或概率性的纤维束追踪技术来确定

设计矩阵,回归参数,动参数,傅立叶

模型假设可以为一个线性低通系统的输出，作为输入一个脉冲时的应进行建模。淆集：头动的影响通过 6 个参数（3 个方向的平移参数和 3 个方向的行建模。整个设计矩阵，，如图 2-1 所示。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R742.1;R445.2

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