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精神分裂症患者工作记忆与执行功能表现关系的功能磁共振研究
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基于SPM的脑功能磁共振数据处理技术硕士论文.pdf63页
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A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master of medicine
fMRI data processing technology
based on SPM
: Zhu Xining
: Biomedical Engineering
Supervisor
: Prof. Zhang Qiang
Huazhong University of Science and Technology
Wuhan, Hubei 430074, P. R. China
独创性声明
本人郑重声明，本学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成
果的总结。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或
集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文
中以明确方式标明。本人完全意识到本人将承担本声明引起的一切法律后果。
学位论文作者签名：
日期： 2008 年
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保
留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本
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保密□ ，在_____年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密□。
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任务难度与老化对大脑激活的影响——以线索记忆编码为例
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双手协同技能相关脑区的功能磁共振成像及半球优势研究
背景和目的　　随意运动的中枢控制机制在神经外科学基础研究和神经病学实践中都有着重要地位,近来对于功能性神经影像技术的要求也越来越多。以往的单光子发射计算机体层成像( SPECT)、正电子发射体层成像( PET),因为具有一定的副损伤及空间分辨率低等缺点,目前应用减少,fMRI越来越广泛的受到重视。　　双手协同运动是一种日常生活常见的高级运动技能,但对其中枢控制机制目前尚未研究清楚。本文利用全脑功能磁共振成像(fMRI)技术,研究参与双手协同技能的关键脑结构,并探讨执行双手任务的半球优势。　　方法　　实验对象为15例健康志愿者(男8名,女7名),年龄24~30岁,来自汕头大学在读本科学生,均根据标准量表确定为右利手,无精神病及其他病史,均签署知情同意书。实验设计采用组块设计(block design),共4个run,实验任务为两种双侧手指序列运动(双手镜面运动及双手平行运动),在每个 run中任务组块(12秒)和休息组块(18秒)交替呈现,而双手镜面运动及双手平行运动这两种不同的任务也是交替呈现。　　被试仰卧在磁共振仪(Philips,1.5T)内,头部固定,扫描过程中,由inquisit软件编程生成的听觉提示信号由无磁性耳机传至受试者耳内,受试者根据听觉提示,以1Hz(每秒一次)的频率执行双手镜面运动或双手平行运动任务。受试者实验前均接受训练,直至能够准确地完成两种任务。扫描过程中由一位主试者站立于扫描机床旁观察并记录受试者的行为学情况。　　fMRI数据使用SPM进行处理。通过比较进行两种双侧手指序列运动时脑fMRI信号的不同,显示与双手协同技能相关的脑激活区。所有被试的BOLD fMRI信号变化的平均结果以伪彩色表示其激活强度,并叠加于相对应的结构像。　　结果　　实验结果显示,双手镜面运动及双手平行运动都激活了大致相同的神经网络。双手镜面运动及双手平行运动均于双侧中央前/后回区域附近均可见簇状的激活区,且激活簇互相重叠形成一较大的兴奋区,该兴奋区以初级感觉运动区(primary sensorimotor cortex,PSM)为中心,向前延伸至前运动区(premotor area,PMA),向后延伸至顶叶区(parietal lobule,PAR),该兴奋区的激活体积及激活强度均以右侧较左侧为显　　著。另外,右侧额叶(主要是右额中回前部及右额下回后部)、双侧颞叶缘上回、双侧辅助运动区(supplementary motor area,SMA)、小脑、脑桥、基底节均在这两种手指序列运动中得到激活。其中,左侧小脑半球的激活体积大于右侧。双侧PAR、右侧PMA、右侧额下回下部在双手平行运动激活强于双手镜面运动。没有出现双手镜面运动激活强于双手平行运动的脑区。总的来说,双手平行运动激活脑区的位置与双手镜面运动是几乎相同的,并且两种手指序列运动均在大脑皮层出现右侧优势,在小脑出现左侧优势,无论是大脑各脑区还是小脑,双手平行运动的激活体积均大于双手镜面运动。　　结论　　本实验结果表明,双侧PAR、右侧PMA、右侧额下回下部为双手协同技能相关脑区,对于右利手志愿者来说,执行双手任务更依赖于右侧大脑皮层运动区及左侧小脑。
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2016任务难度与老化对大脑激活的影响
更新时间：&&&&&&&&
来源：网络&&&&&&&&
&&&&&&&&字数：3000字
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1　前言众所周知，认知老化神经科学主要关注的是大脑和认知功能随年龄变化的关系，其最终目的是要建立老化对认知影响和大脑影响之间的直接联系(Cabeza，Nvberg，&Park，25)。目前有三种基本取向来达到这一目的：第一，神经心理取向，比较健康老化和各种脑损伤病人的认知变化情况;第二，相关取向，计算神经测量和认知测量间的相关;第三，脑区激活法，分别测量老年人和年轻人在完成认知任务时的脑激活状况。其中，脑区激活法可以同时对神经活动和认知成绩进行测量，在考察脑激活和认知成绩的直接关系上具有明显的优势，因此，越来越多的研究开始采用这种方法来考察在老化过程中大脑和认知之间的关系。在脑区激活法中，比较常用的一种手段是通过操纵认知任务难度的变化来观察行为成绩与大脑激活的差异，但是，任务难度与大脑激活的变化关系至今尚不明确。因此，了解任务难度和大脑激活之间的变化关系具有重要的理论和实际意义。已有的研究基本上都较为一致的发现大脑会随着任务难度的增加而出现激活增强(例如，Chee，Westphal，Goh，Graham，&Sone，　23;Drager，Jansen，　Bruehmann，　Forster， Pleger，&Zwitserlood，24;Gould，Btown，&Owen，23;　Heuninckx，　Wenderoth，Debaere，Peeters，　& Swinlaen，　25;　Livesev，　Wall，　&　Smith，　27; Leshikar，Gutehess，Hebrank，Sutton，&Park，21; Tregellas，Davalos，&Roias，26)。但是，这种增强究竟是特定任务相关脑区的激活强度增强(例如， Braver，　Cohen，　Nystrom，　Jonides，　Smith，　&　Noll，1997;Carlson，Martinkauppi，Rama，Salli，Korvenoja，& Aronen，1998)，还是其他任务不相关脑区的补偿性参与而导致激活面积增加(例如，Klingberg， O'Sullivan，& Roland，1997)，还存在很多争论。例如，Gould等(23)的研究通过变化空间记忆容量大小来考察难度变化和大脑激活之间的线性关系。结果发现：随着任务难度增加，与任务相关的特定脑区的激活强度出现了增强，而不是激活了更多其他脑区。然而，Drager等(24)的研究通过控制词语生成的困难程度来考察词语生成难度和大脑激活的关系，结果发现，随着任务难度增加，导致的是大脑更多认知网络的激活，而不是仅仅语言相关脑区的激活增强。此外，还有研究发现这种随难度增加的脑区激活增强既包括激活强度也包括激活面积(Rypma，Prabhakaran，Desmond，Glover，&Gabrieli，1999)。那么究竟为什么会出现这种分歧呢?本研究推测这可能和所采用的任务性质有关。但目前研究所涉及的任务难度大多是单维的，很少有研究能在同一个实验里变化两种不同性质的任务，因此，就无法直接考察任务性质对脑激活增强模式的影响。如果能在一次实验研究中同时设计两个或多个不同性质的任务难度，那么就可以对此做出回答。基于此，本研究将采用汉语双字词对为实验材料，以线索回忆为实验任务，通过操纵词对记忆任务中最常用的两个维度&相关性和词频(Mehzer&Constable，25;Chee，Dennis， Daselaar，Fleck，&Cabeza，23)的难度来考察大脑激活增强与任务性质的关系。同时，为了便于对不同性质任务之间进行比较，我们设计了三种任务难度，中间难度既是相关性维度的高难度，同时也是词频维度的低难度。我们预期认知任务难度的性质不同可能会导致脑区激活增强的方式不同，并且这种脑区激活增强可能和任务难度之间存在一种一一对应的递变关系，即难度越强时，激活的面积或强度越大。此外，前人有关老化的研究都较为一致的发现：老年人在完成认知任务时，大脑前部区域(如额叶)的激活相对年轻人来说存在着相对增强的现象(Cabeza，22;Davis，28)，这种增强既包括大脑激活面积的相对增多，也包括某些特定脑区激活强度的相对增强。并且对于老年人大脑的这种激活增强的作用，大部分研究者都认为这种激活增强是大脑的一种功能重组，可以起到补偿作用(Cabeza， Anderson，Locantore，&McIntosh，22;Heun- inckx，Wenderoth，&Swinnen，28)。那么，当难度增加时，老年人是否也会表现出在额叶等大脑前部脑区的过度激活现象呢?这也是本研究尝试探讨的问题。因此，本研究将通过操纵两种性质、三种难度水平的线索回忆任务，来考察大脑激活和任务性质、难度变化之间的关系，以及这种变化受老化的影响。本研究假设：①随着任务难度增加，脑激活可能受任务性质的影响，而表现出不同种类的激活增强;②大脑激活与任务难度增加之间可能存在一种一一对应的递变关系;③在难度增加时，老年人可能会调用更多的额叶等脑区来补偿其行为成绩。
2　研究方法2.1　取样从北京市崇文区、丰台区选取62名社区老人参加初筛，标准为6岁以上，身体健康，受教育程度为中学(包括中专、技校等)。经过初筛，选取12名老年人接受fMRI扫描，其中男4名，女8名，年龄为6岁到77岁，平均年龄为65&5.67岁，平均受教育年限为9.9年。老年人自评健康良好，智力基本正常，无抑郁症状，大脑结构基本正常。年轻人15人，其中男8名，女7名，年龄为2-29岁，平均年龄为22.2&2.93岁，平均受教育年限为12年。以3mm作为过度头动标准，在线索回忆中剔除4名年轻被试，最终有效被试人数为11人;剔除2名老年被试，最终有效被试人数为1人。2.2　研究工具2.2.1　筛选工具主要包括许军等人编制的《自测健康评定量表(SRHMS)》、Radloff编制的《流调中心抑郁量表(Center for Epidemiologic Studies Depression Scale)》、 Folstein编制的《简易精神状态检查(MMSE)》、龚耀先修订的韦氏记忆量表、王大华等人编制的基本心理能力测试程序以及利手检查表和身体适应性检查表，以确认被试为右利手并可以接受磁共振扫描。2.2.2　实验材料从《现代汉语频率词典》中从高频开始选取25个名词双字词，随机两两配对。在北京城市大学、中山大学、华南师范大学，请7名在校大学生对每一个词语的抽象性以及每个词对的联系性进行1-5评分，分数越高表示该词越抽象，词对联系性越强。根据词对相关程度和词频的高低，选出三组词对：高频高相关词对(如，文章-内容)、高频低相关词对(如，代表-玻璃)、低频低相关词对(如，镰刀-意象)，每组12对，三组词对的笔划及抽象性差异均不显著。2.2.3　任务设计及基本流程试验刺激程序采用神经心理学编程程序&E- prime&编写，刺激内容经由与磁体外工作站相连的Samtec Stimulus System(for fMRI)系统(深圳 Sinorad Medical Electromic公司)施加，受试者在磁体孔内通过特制眼镜可清楚看到投影幕上呈现的刺激内容。以线索回忆作为项目记忆任务。在屏幕上呈现双字名词词对，要求被试记住，并告知被试稍后将进行记忆测试。从词对的相关程度和词频两个维度来设计任务，每个维度设计两个难度水平，其中相关维度的高难度任务同时也是频率维度的低难度任务，因此，共三种任务，词对相关维度的高低难度任务分别为：高频低相关词对和高频高相关词对，词频维度的高低难度任务分别为：低频低相关词和高频低相关词对。采用block设计，每个任务包括3个block，每个block由学习(24s)、测试(24s)、基线(24s)三部分组成，每个block包含四组词对。学习阶段，屏幕上方呈现&学习&二字，中间呈现一个分为四个象限的大方框，每次随机在其中一个象限中呈现学习材料，每组材料呈现3秒，四组材料呈现一遍后，以随机顺序重复一遍。测试阶段，屏幕上方呈现&测试&二字，中间呈现一个大方框，在方框内以随机顺序呈现探测词，探测词为所学过词对的第一个词，要求报告与之相对应的第二个词。时间为5秒，每个词只呈现一次;探测词呈现之间以五角星号间隔，时间为1秒。在呈现探测词时，要求被试大声报告出所要求的答案，如果遗忘则在五角星号出现时报告&忘了&。基线阶段，白屏呈现黑色&+&号24秒，要求被试注视。为了使机器到达比较稳定的阶段，也为了减少指导语对被试大脑活动产生的影响，在第一个block开始前外加1秒基线。每个block的时间为72秒(如图1)，3个block外加任务前1秒基线，总扫描时间为339秒。
图1　扫描任务时间序列示意图2.3　实验步骤2.3.1　初筛过程首先对老年人进行初筛，要求被试完成背景问卷、自评健康量表、流调中心用抑郁量表、MMSE、利手检查表、既往相关病史调查、磁共振身体适应性核查表、裸视力检查和简单听力检查。采用个别施测，由主试讲解并读出题目，被试做出反应，主试由心理学专业研究生担任。根据初筛结果剔除被试，有以下情况之一者不能成为实验的正式被试： MMSE得分低于24分，有脑血栓、冠心病等病史，脑部受过重大创伤，体内植入金属(包括金属补牙及不可拆卸的金属假牙)，视力或听力严重衰退。2.3.2　任务练习程序在正式扫描前，向被试解释研究目的、任务要求、注意事项，签订知情同意书，并进行任务练习。练习任务采用与正式任务完全一样的形式，所用材料与正式任务相近，但对词频、笔划、抽象性、联系程度等因素未做严格控制，练习任务中使用的所有词语将在正式任务中不再出现。主试向被试解释每个任务的要求，并演示实验过程，被试表示理解后，要求被试完整做一次练习任务，以保证被试完全掌握任务要求。部分老年被试对任务的理解相对比较困难，可重复练习，直到可独立完成任务为止。2.3.3　正式扫描过程首先采用自旋回波序列采集T2加权像，以保证所用被试的大脑结构基本正常，时间约为5秒。第二步采用EPI序列采集功能像，时间约为12分钟。第三步采用MPR序列采集三维多层面重现的结构像，时间约为7分3秒。
2.4　数据收集2.4.1　脑成像数据收集磁共振图像获取采用北京市宣武医院3T西门子扫描仪。fMRI成像采用回波平面成像序列(Echo Planar Imaging，EPI)。成像范围覆盖全脑，轴状位扫描，重复时间(Repetition Time，TR)=2s，回波时间(Echo Time，TE)=3ms，25层，层内分辨率=64&64，视野(Field of View，FOV)=24mm&24mm，层厚=5mm，层间距=1mm，翻转角为9度。fMRI扫描在正常光线下执行，嘱咐被试按指导语进行反应、头尽量不动，并用软物和绷带对头部进行固定。每个被试，一次fMRI扫描持续进行339秒，进行3次，共得到339幅图像。2.4.2　行为数据收集被试在接受扫描过程中，主试进入磁共振扫描室，记录被试反应，若回忆正确直接记1分，若回忆错误或报告&忘了&，则记录被试的实际反应。2.5　数据管理与分析2.5.1　脑成像数据管理与分析本研究采用通用软件SPM2进行数据预处理和统计分析。考虑到磁场达到稳态需要的时间以及被试对环境的适应，前5幅图像被剔除，预处理阶段进行了头动校正、空间标准化、空间平滑和时间平滑等。并采用一般线性模型对fMRI独立数据进行随机效应分析，在滤波过程中，要求尖峰(任务激活的频段范围)不能位于低频段漂移的频率范围。本研究利用GLM模型检测每个被试的激活区，首先利用方波函数和标准的血液动力学函数卷积得到期望的模型曲线。将每一个体素的时间-信号强度曲线与模型曲线进行相关分析，获得全脑像素的相关系数。然后，对系数进行像素水平的t检验，对激活区域进行掩模处理。组内分析采用SPM2基本模式(ba- sic model)单样本t检验以检测编码过程与基线状态的大脑激活情况，根据激活情况设定统计阈值概率最高为p&.1(未校正)，激活体积阈值设定为3个体素。任务难度间的比较采用SPM2基本模式(basic model)双样本配对t检验来考察编码阶段的年龄差异，根据激活情况设定统计阈值概率p&.1(未校正)，激活体积阈值设定为1个体素。2.5.2　行为数据管理与分析行为层面数据用SPSS17软件包进行重复测量方差分析。3　结果与分析3.1　行为层面结果与分析以年龄分组为被试间变量，难度作为被试内变量，对反应正确率进行重复测量方差分析。结果发现，难度主效应显著(F(2，5)=98.774，p&.1)，并且多重比较结果显示三个难度之间均有显著差异，随任务难度的逐步增加，正确率逐步降低;年龄主效应显著(F(1，25)=11.682，p=.2)。年轻人在三个难度上的正确率普遍高于老年人;难度与年龄交互作用显著(F(2，5)=4.275，p=.19)，简单效应分析显示无论是三个难度在每个年龄组上，还是两个年龄在每个难度上均存在显著差异相关推荐：浅议逻辑学与人工智能探究东西方文化和管理思想融合创新的发展逻辑
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