目的:人脑顶叶是高度进化相关的区域,与其他非人灵长类动物的解剖差异较大,在人类学习记忆、空间感知、语言听力等高级认知功能中发挥重要作用。人脑高级功能的执行并不是由某个脑区独立完成,而是需要几个功能不同的脑区相互协作。各个脑区之间能够相互协作的结构基础是白质纤维束,它由神经细胞轴突组成,将不同脑区的信息进行传输、整合,被誉为人脑中的“高速公路”。纤维束示踪技术是目前脑白质研究的“金标准”,研究者在活体非人高等灵长类动物中应用该技术能准确判断纤维束的方向和皮层的终止区域。不过由于伦理问题,纤维束示踪技术并不能应用于人类大脑的研究,研究者们根据其他高等灵长类动物的研究结果通过类比推测人脑中对应纤维束的解剖信息。既往研究结果表明,随着进化的发展,与其他高等灵长类动物相比,人脑发生了较大的变化,尤其是与语言、情感相关的纤维束,因此,继续根据猴脑的研究结果类比可能会导致错误的结果。近年来弥散张量成像(Diffusion Tensor Imaging,DTI)技术的应用使在体研究人脑白质纤维束成为可能。不过受到数据采集方式、分辨率以及追踪算法的限制,DTI技术不能解决纤维交叉、纤维束起止点的问题,并且容易产生虚假连接。最近新发明的高清纤维束成像(High Definition Fiber Tracking,HDFT)技术结合了弥散谱成像(Diffusion Spectrum Imaging,DSI)数据采集、广义Q空间(General Q-sampling Imaging,GQI)数据重建以及特定参数下的确定性纤维束追踪,该技术将分辨率提高到了亚毫米级别,能有效克服DTI技术的局限性。既往研究表明,高清纤维束成像技术的追踪结果与人脑已知的白质纤维束高度吻合。目前,在已知的顶叶相关长联络纤维中,上额枕束(Superior Fronto-Occipital Fasciculus,SFOF)和中纵束(Middle Longitudinal Fasciculus,MdLF)是存在争论较大的两条纤维束。既往研究表明,SFOF在猴脑中确定存在,但其是否存在于人类大脑、具体的走行和皮层连接方式还存有争论;MdLF是近年来才被发现的纤维束,其在人脑顶叶和枕叶的皮层终止区域、分段方式以及潜在功能还存有争论。本研究应用先进的HDFT技术和Klingler纤维束解剖技术对SFOF是否存在于人类大脑及其可能的走行和皮层连接方式进行探索;应用HDFT技术研究人脑MdLF的走行、皮层连接方式和左右大脑半球的偏侧性,并根据MdLF的走行方式和连接的功能区对其进行分段。我们的研究结果为今后进一步研究上述纤维束的功能提供了解剖基础,在临床中为术前手术入路设计、精准切除肿瘤、保护神经纤维束提供帮助。研究方法:第一部分:首先应用Klingler纤维束解剖技术对4例尸脑进行由外至内和由内至外的逐层解剖,探索人脑中上额枕束的解剖位置。然后进行高清纤维束追踪成像实验,该实验共包含健康受试者852例,其中个体研究包含10例,来源于招募的健康志愿者;模板研究包含842例,来源于人脑连接组计划大样本量模板(Human Connectome Project,HCP-842),以上受试者均接受3.0T磁共振DSI序列扫描,GQI重建,之后根据纤维束解剖研究结果采用全脑种子点与多个感兴趣区(Region of Interest,ROI)结合的确定性追踪方法追踪人脑的SFOF。第二部分:高清纤维束成像实验共包含健康受试者852例,其中10例是招募的健康志愿者,用于个体间差异的研究;842例来源于HCP-842大样本量模板,用于研究纤维束在人群中的普遍存在方式。852例受试者均接受3.0T磁共振DSI序列扫描,GQI重建,应用确定性追踪方法对人脑MdLF进行重建,观察其走行方式。应用DSI-studio软件将Brodmann模板和改良的自动解剖模板(Automated Anatomical Labeling,AAL2)通过线性转换配准到每个受试者的QA弥散空间上,用来明确MdLF的功能区和大脑皮层的连接方式,并以此对MdLF进行解剖分段。应用统计学软件SPSS 22.0对左、右大脑半球MdLF及其亚分段的体积和长度进行定量分析。结果:第一部分:在纤维束解剖研究中,我们在尾状核头上方、放射冠内侧发现了一部分与丘脑上脚伴行疑似上额枕束的纤维;在丘脑尾部也发了部分向顶叶方向走行疑似SFOF的纤维,但由于受到丘脑背侧交叉纤维的影响,未能对目标纤维进行完整追踪。根据解剖结果我们定位了三个ROI,为高清纤维束成像追踪SFOF提供了帮助。在高清纤维束追踪实验中,我们成功的在10名健康志愿者的20个大脑半球中和HCP-842大样本量模板中追踪到了SFOF。结合皮层分割技术明确了SFOF的皮层终止区域,我们认为人脑的SFOF与猴脑不同,其主要起始于额上回和额中回,在侧脑室前角水平汇聚成一束紧密的纤维,走行于尾状核头上方、丘脑背侧上方、胼胝体下方和内囊内侧,之后向后上方走行主要终止于顶上小叶和楔前叶。第二部分:我们应用高清纤维束成像技术对10名健康志愿者的20个大脑半球和HCP-842大样本量模板中的MdLF进行定性和定量的研究。我们发现人脑MdLF主要起始于颞极、颞上回和颞横回,主要终止区域是顶上小叶、楔前叶、楔叶和外侧枕叶皮质。根据MdLF的皮层连接方式,我们将MdLF分成MdLF-I、MdLF-II和MdLF-III三个亚段,其中MdLF-I起始于颞上回中部(BA 22),终止于顶上小叶(BA 7)和外侧枕叶(BA 19);MdLF-II起始于颞横回(BA 42),终止于顶上小叶(BA 7);MdLF-III起始于颞极和颞上回前部(BA 38),终止于外侧枕叶皮质(BA19)。应用独立样本t检验对人脑左、右半球MdLF及其亚段的体积和长度进行定量分析,结果显示,在体积方面,人脑的MdLF和MdLF-III存在偏侧性(左侧右侧),P0.05,有统计学意义,MdLF-I和MdLF-II不存在偏侧性,P0.05,无统计学意义;在长度方面,人脑两侧MdLF在总长度上有侧偏性(左侧右侧),P0.05,有统计学意义,MdLF的三个亚段在长度上没有偏侧性,P0.05,无统计学意义。结论:第一部分:1、我们认为SFOF存在于人类大脑,但仍需应用其他技术进一步验证。2、人脑中SFOF主要连接额叶与顶叶。3、人脑SFOF可能具有视觉处理、空间感觉和认知处理的功能。第二部分:1、人脑MdLF在顶叶和枕叶的终止区域主要是顶上小叶、楔前叶、楔叶和外侧枕叶皮质。2、根据解剖与功能区的连接情况,人脑MdLF可以分为MdLF-I、MdLF-II和MdLF-III三个亚段。3、人脑MdLF参与视觉-空间、视觉-听觉以及语言功能的调控。
【学位单位】：中国医科大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R322.8
【部分图文】：
图 1 追踪 SFOF 时 ROI 的设计以追踪左侧大脑半球的 SFOF 为例，（A）在矢状位上，侧方观察 3 个 ROI 所处的区域，其所处区域由前至后（红、绿、蓝）分别对应前连合水平、丘脑水平以及松果体水平。（B～D）在冠状位的 QA 图上，所有 3 个 ROI 都位于胼胝体下方、侧脑室外侧以及内囊内侧。
图 2 SLF、IFOF 和 CB 的重建方法（A）重建 SLF 时，我们将 SMG、AG、PCN 和 SPL 设置为种子点，在冠状位平中央前回水平画 1 个矩形 ROI，在轴位平颞上回水平画 1 个矩形覆盖枕叶的 ROA。SMG，缘上回；AG，角回；PCN，楔前叶；SPL，顶上小叶。（B）在重加 IFOF 时，我们将整个枕叶设置为种子点，在冠状位上分别在外囊水平和中央后回水平画各画一个 ROI。SFG，额上回；MFG，额中回；Por，额下回眶部；Ptr，额下回三角部；Pop，额下回岛盖部；FP，额极；OFC，眶额皮质。（C）重加 CB 时，CB 分为前、中前、中后、后背侧和后腹侧 5 部分，分别将他们设置为种子区域进行分段合成。
图 3 大脑半球由外向内的逐层解剖对右侧大脑半球的由外向内的逐层解剖。（A）逐层去掉大脑表面的额灰质结构、U 形纤维、状束、上纵束和壳核，我们暴露出了内囊和放射冠。（B）切除内囊前部的纤维，我们可以看到尾状核头、丘脑、丘脑前脚和丘脑上脚。（C）进一步切除内囊结构我们的暴露出了丘脑及其投射纤维。（D）切除部分丘脑我们可以进一步观察丘脑脚，有部分纤维与丘脑上脚伴行走行于丘脑背侧。（E）为了进一步追踪这部分纤维，我们应用内镜由下至上观察（D）中蓝色矩形虚线框丘脑背侧的纤维，发现该部分纤维结构较为复杂。（F）完全切除丘脑及部分投射纤维之后，我们发现丘脑尾部上方有部分纤维向顶叶方向走行，如白色箭头所示。Cor. Rad, 放射冠；Int. Cap,内囊；Thal, 丘脑；Caud，尾状核；STP，丘脑上脚；ATP，丘脑前脚；PTP，丘脑后脚。
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本文编号：
2883909
