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基于血氧水平依赖(BOLD)的功能磁共振技术(fMRI),由于其无损性,高敏感性和易于操作性,已经被广泛地用于对静息态人脑自发活动的研究中。然而,BOLD fMRI技术只能间接地反映神经元活动,是神经元活动引起的脑血流(CBF),血容积及血氧水平等综合的复杂效应。而基于动脉自旋标记(ASL)的fMRI技术可以测量CBF这个单一的生理指标,CBF的变化一般由神经元的活动引起。在本论文中,将基于BOLD(研究一至三)、ASL,(研究四)技术及结合两种技术(研究五)研究静息态人脑的活动特性。
研究一:计算方法fALFF。用BOLD fMRI技术,静息态功能连接能检测系统水平的脑活动,而低频波动振幅(ALFF)能反映局部脑活动的强度。然而ALFF对脑池及大血管附近的生理噪声很敏感。在本文第三章,我们对ALFF方法进行改进,提出了比值低频振幅(fALFF)的方法,即低频段(0.01-0.08 Hz)活动强度与全频段活动强度的比值,用来压制生理噪声的影响。我们发现相对于ALFF,fALFF的方法能够改进探测脑自发活动的敏感性与特异性。
研究二:静息态脑活动预测任务状态下的脑激活。我们同时使用局部脑活动强度(ALFF和fALFF)和静息态功能连接指标来预测N-back工作记忆任务的脑活动及行为学表现。我们发现额-顶叶间的静息态功能连接及这些脑区的ALFF和fALFF均能显著地预测任务激活和行为表现。我们进一步的研究发现在额项区域的静息—任务活动的相关性随着工作记忆任务强度的增加而增强。我们认为静息态下自发的脑活动非常重要,在特定的一系列脑区为特定认知任务的执行及表现提供基础。
研究三:丘脑和视觉皮层间的静息态功能连接。此外,我们将静息态功能连接应用于研究丘脑与视觉皮层间的相互关系,并且探讨这两个脑区间功能连接的强度是否受到不同生理状态的调节,如睁眼和闭眼状态。我们观测到这两个脑区显著相关。我们进一步发现丘脑与视觉皮层的相关及双侧丘脑间的相关强度在睁眼状态下减弱。这些数据为不同静息状态下丘脑与视觉皮层的自发神经元活动的相关性提供证据。
研究四:CBF的静态和动态特性。与PET相似,ASL fMRI能测量CBF,而ASL fMRI对CBF的测量方式是无损的。CBF是反映神经元活动的单一生理参数,基于CBF加权的时间序列也有可能用来检测静息态脑活动的动态特性。在本文第四章,作为概念验证,我们研究了静息态CBF的静态和动态特性。我们发现后扣带回,丘脑,脑岛/颞上回和内侧前额叶的静态CBF显著高于全脑均值。CBF的动态变化在默认网络的脑区间高度相关。动态CBF在这一系列脑区内也显示了很强的局部一致性和很高的ALFF。我们认为,默认网络这些脑区内较高的静态和动态活动提示他们在维持和执行基本脑功能方面起了至关重要的作用。
研究五:BOLD与ASL技术的结合研究。最后,在本文第五章,我们结合静息态BOLD和ASL fMRI技术,探讨了这两种技术在被试间相关性,并且研究了两种技术检测闭眼和睁眼两种静息态脑活动差异的能力。我们发现,静息态CBF和BOLD活动的强度,包括fALFF和ALFF,在靠近灰质和白质交界处的大部分灰质区域内相关。此外,静息态CBF和BOLD活动的强度这两种指标均能检测闭眼和睁眼状态间脑活动差异,只是检测的差异脑区位于空间上不重叠的位置。在这个研究中,我们直接将静息态BOLD活动与CBF联系起来,并且建议在将来的研究中同时采集静息态BOLD和ASL数据。