脑成像技术.ppt

1,脑成像技术,2,参考书目,1、魏景汉罗跃嘉认知事件相关脑电位教程经济日报出版社2019魏景汉罗跃嘉事件相关电位原理与技术科学出版社20192、（美）STEVENJ.LUCK范思陆等译事件相关电位基础华东师范大学出版社20093、赵仑ERPs实验教程东南大学出版社2019,3,脑成像的概念,采用现代物理学与生物化学原理呈现大脑结构和功能活动的多种技术手段功能性磁共振成像(fMRI)正电子发射断层扫描(PET)脑电图(EEG)事件相关电位(ERP)脑磁图(MEG)单光子发射断层扫描(SPECT)光学成像也包括传统的X光放射影像和超声影像技术,4,发展脑成像技术的意义,脑成像作为认知神经科学研究最为主要的技术手段，使人类有史以来第一次能直接观察到大脑的心理过程和认知活动，有如研究脑功能的“显微镜”和“望远镜”,在国际著名的大学，神经科学、脑科学、认知科学、以及心理学研究机构，无一例外地拥有脑成像研究中心或实验室，中科院也建立了中国第一个拥有3TfMRI与128导ERP系统的大型脑成像研究基地,5,脑成像技术,以ERP、fMRI等为代表的脑成像技术的发明和发展，已成为现代高科技的一个竞争热点，汇集了信息科学、物理科学以及其它工程科学的众多高科技成果脑成像技术可以直接“观察”大脑的活动。采用脑成像技术研究脑的认知结构和功能，已成为脑科学与认知科学发展的一大趋势脑成像技术还有待完善。脑认知成像技术可以为我们对认知过程的脑功能形成直观的图像，但还受到时间、空间分辨率的限制,6,无创性或创伤性较小的测量活体人脑结构和功能的技术,这些技术统称为脑成像技术分类：脑结构成像脑功能成像,7,脑结构成像测量脑结构的静态特征如:CT脑功能成像检测脑的动态生理活动PETERPfMRI,8,技术positronemissiontomography,神经元的活动增加时，局部的血流量、氧代谢等均会随之而产生变化，因此，通过测量脑局部血流和代谢等次级反应就可以了解该部位神经元的活动,9,PET是通过回旋加速器产生放射性核素,合成能发射正电子的放射性示踪物,然后把它注入人体内,通过与计算机相连的射线照像机进行检测,从而了解标记物的分布,10,可以测定酶、递质、受体等物质在脑内的分布可以测量脑局部的葡萄糖代谢量，研究认知活动相关的脑局部神经活动,11,12,13,PET的灵敏度非常高，空间分辨率可达到3-6mm.，时间分辨率以分钟计，但是价格昂贵，约500万美元。由于要注射放射性物质，可能会对身体造成伤害,14,fMRIfunctionalmagneticresonaceimaging,多数的fMRI实验依据血氧含量对比度BOLD（blood-oxygenationleveldependnt)原理。,15,血液中的脱氧血红蛋白是顺磁性物质，氧合血红蛋白是逆磁性物质,当脑组织兴奋时，局部流入大量氧含量丰富的新鲜血液，从而使局部脱氧血红蛋白的含量下降，顺磁性物质减少,导致T2（T1和T2是描述核磁信号的参量）延长，在T2加权像上表现出信号增强.这种现象就是BOLD效应,16,17,18,优点,没有辐射损伤，通常不用给被试注射任何药剂，比较安全；FMRI的出现使我们能够从活体和整体上来研究脑，可以在无创伤的条件下，通过脑血流量、葡萄糖代谢和受体等的观察，了解人在行为活动时脑的各种功能活动，尤其是脑的高级活动情况。空间分辨率较高为1-2mm，时间分辨率中等约500毫秒。,19,问题,fMRI不是直接检测神经活动，而是对其次级反映的检测，那么所检测到的信号变化是否精确反映了神经活动变化的位置？为了提高成像定位的精确性，目前采用两种方法：使用高磁场强度；使用造影剂。,20,信号的变化是否精确反映了神经活动变化的大小？目前,所有的FMRI实验均假设BOLD信号变化的幅值越大.相应的神经活动的变化就越大;,21,信号的瞬态变化是否反映了神经活动的瞬态变化？(实时性)研究者发现在给予刺激或停止刺激，即在静态与动态之间进行转换之间存在着瞬态变化，这可能是神经活动的瞬态变化，但是由于BOLD信号依赖于脑血流量、脑氧代谢量的综合变化，这种瞬态变化也有可能是这些能量代谢参数在不同时间表现不同反映而引起的,22,噪音大，不易进行听觉研究实验过程中要求被试保持静止,极微弱的运动都会造成结果的误差,23,实验设计,组块设计(blockeddesign)事件相关设计(event-relateddesign)。,24,组块设计,以组块的方式呈现刺激,一组块内重复呈现同一刺激两种类型的刺激，一类是任务刺激，一类是控制刺激。通过对任务刺激和控制刺激引起的脑局部血氧反应的对比，获得与任务相关的脑组织活动的信息。,25,优点:刺激时间长,BOLD信号变化明显缺点:非随机化刺激,可能引起被试注意力分散或期待反应;不能够区分组块中的单个刺激,会失去部分信息.,26,事件相关设计,次只给一个短暂的刺激，经过一段时间间隔再进行下一次相同或不同的刺激。随机化设计,避免了期待效应;可以提供单次刺激的脑激活信息,27,例,组块设计:要求被试分别完成想像运动和实际运动.想像运动-静止状态参加运动准备的脑区实际运动-想像运动参与运动准备和运动执行的所有脑区,28,事件相关设计要求被试根据提示完成延迟运动任务提示-运动准备-执行信号-完成运动准备阶段执行阶段,29,数据预处理,图像配准噪声处理空间标准化,30,图像配准就是把不同类型的图像或不同时间获得的图像进行对齐,目的有二:一是头动矫正,二是功能像和结构像的对齐,31,磁共振信号的噪声源较多，而针对不同的噪声应采取相应的处理方法。第一类是被试头部运动带来的系统噪声第二类是接收线圈前置放大器引起的热噪声第三类是与心跳、呼吸有关的脑组织搏动引起的系统噪声,32,不同个体脑的大小、形态各不相同，这不便于进行不同被试之间的比较和平均化，因此需要对脑样本进行空间标准化，并以标准坐标系统描述脑各个部分的位置。,33,数据统计分析,找出对刺激有反应的部位,并检测其是否达到显著水平在统计时,合理的统计阈值的选取非常重要.阈值不同,则所激活的脑区也不同,34,perfussion-fMRI灌注加权成像diffusion-fMRI扩散加权成像,35,ERP技术event-relatedpotentials,人脑皮层具有独特的电位活动，其连续的节律性电位变化为自发脑电活动，所记录下来的叫脑电图EEG感受器受到刺激后可以在大脑皮层产生电位变化，这种电位变化叫诱发电位。EEG主要来自突触后电位变化胞体和树突的电位变化。ERPs除皮质突触后电位以外，可能还含有皮质下组织活动及轴突动作电位变化,36,ERPs研究,成分研究,应用研究,CNVP300（P3a）N400？MMN,特点及其影响因素,起源及产生机制,心理生理,临床应用,特因条件,功能评估,注意、记忆、语言加工、知觉、意识等,神经精神科、昏迷愈后、辅助诊断等,航空、航天、航海、恶劣环境条件等,驾驶疲劳、智能评估、音乐认知能力、健康评估等,ERPs的研究分类,37,ERP的时间分辨率高，可以达到微秒级，可以展现单位为毫秒的大脑活动的认知过程。但其空间分辨率较差。采用增加电极的方法来解决之。现在最高达到256导。,38,1966:1771967-68:15011969-70:19711971-72:20631973-74:22161975-76:25381977-78:26241979-80:34451981-82:42081983-84:44161985-86:45381987-88:46101989-90:48041991-92:54791993-94:53862019-96:54612019-98:58882019-00:62052019-02:62992019-04:6996,ERP的发展趋势,39,尽可能远离人群和车辆，远离电动设备、高频电辐射源。应保持隔声安静。良好照明条件，可调及遮光设备。良好的通风及合适的温度。实验室宽敞，准备间或监测间、被试实验记录间。器材：脑扫描仪附属用品（电极帽、导电膏、钝头注射器等）必备物品（酒精、棉签、双面胶、视力表等）,ERPs实验室,40,ERP的基本实验程序：实时刺激呈现-头皮脑电放大-数据采集-数据分析刺激呈现的方式依据不同的实验来选择。电极的安放使用在1958年国际脑电学会制定的10-20国际脑电记录需要，主要有两条标志线：矢状线、冠状线。,41,ERP实验流程,42,被试的选择及注意事项,正常被试的研究要注意被试的性别、社会背景、受教育情况等。另外，还要注意利手问题，尤其在需要被试进行按键或拨开关的作业任务中。,正常（大学生？）,临床病人,儿童,特因条件,43,刺激物的分类,刺激物分类,体感,听觉,视觉,非图形,图形,闪光,几何图形、文字、面孔、自然景观,纯音、短声、白噪声、动物叫声,语音,自然环境声,微弱脉冲电流,44,刺激参数,体感,听觉,视觉,对比度亮度视角,频率声压级上升/下降时间,0.10.5ms，15Hz，50uV,刺激呈现时间,刺激间隔SOA、ISI,刺激参数,刺激呈现概率,三大要素,45,刺激呈现E-Prime简介,E-Prime是实现心理实验计算机化的一个可视化编程语言平台，是一个涵盖实验生成到毫秒精度的数据收集分析的应用软件套装。功能：实验设计、生成、运行、收集数据、编辑和预处理分析数据,46,Eprime的优点,E-Prime能呈现的刺激可以是文本、图像和声音（可以同时呈现三者的任意组合）提供了详细的时间信息和事件细节（包括呈现时间、反应时间的细节），可供进一步分析，有助于了解实际实验运行的时间问题专门面向心理实验，并针对心理实验的时间精度作了优化。刺激呈现与屏幕刷新同步，精度可达毫秒相对于传统编程语言，E-Prime易学易用，实验生成快速,47,E-Studio-Interface,E-Studio由四个部分组成:1.Toolbox2.StructureView3.PropertiesWindow4.Workspace,48,（一）国际10-20系统双耳孔间依10%与20%定出5个点；鼻根与枕骨粗隆间经Cz依20%定出2个新点；双侧T3与T4、前后距鼻根与枕骨粗隆10%处，共4点连线成一周，按20%定出8个新点；空间等距距离地定出4个点，有效电极共19个点。再加两个耳垂参考电极，共21个点。,49,50,64导,51,导,52,EEG放大A/D叠加总测量转排伪存盘平绘图EOG模滤换数滤均统计光盘记录(离线式),ERP数据提取过程,53,实验范式,OddballGo-Nogo,54,1Oddball模式,Oddball实验模式是指采用两种或多种不同刺激持续交替呈现，它们出现的概率显著不同组成标准刺激(standardstimuli)大概率(85%)偏差刺激(deviantstimuli)小概率(15%)令被试对偏差刺激进行反应，因此该偏差刺激称为靶刺激（Target）或目标刺激。诱发P300、MMN等与刺激概率有关的ERP成分时的经典实验模式。,55,Oddball范式,两种刺激以随机顺序出现，这样，对于被试来说，小概率刺激的出现具有偶然性，因为它很少才出现一次，感觉有点怪（Odd）。但实验任务却要求被试关注小概率刺激，只要小概率刺激一出现就尽快做出反应。可见这里的靶刺激是小概率刺激。在这种条件下，实验记录到在小概率刺激出现之后300ms时观察到一个正波，称为P300，这个波在Pz点附近最高。研究发现P300的波幅与所投入的心理资源量成正相关，其潜伏期随任务难度增加而变长。,56,P300与任务难度,P300潜伏期随任务难度的增加而延长实线：具体人名虚线：人名性别断线：出现的词中挑出“刺”的反义词,57,P300反映的认知过程，一种解释认为，P300代表知觉任务的结束，即对所期盼的靶刺激或目标刺激做出有意识加工时，相关顶叶或内侧颞叶部位受到激活，产生负电位，当加工结束时这些部位又受到抑制，于是出现了P300。而Donchin（1981）认为，P300的潜伏期反映的是对刺激物的评价或分类所需的时间，而P300波幅反映的是工作记忆中表征的更新。后一种观点得到支持更多，这意味着P300也许可成为研究高级认知过程，比如工作记忆的脑机制，特别是过程机制问题。,58,另外，P300也普遍存在于哺乳动物中，如老鼠、猫、猴等，这说明P300可能代表着神经系统的某种基本活动。近年来精确脑定位手段，如fMRI，发现P300的脑内源不只一个，因而P300不是一个单纯的成分，与多种认知加工有关。现在，P300的概念发生了变化，许多潜伏期很不相同的波形也称为P300，这样就成了一个家族，称为晚正复合体（latepositivecomplex）。,59,研究者一般将P300划分为P3a和P3b，这两个子成分分别具有不同的头皮分布和不同的认知功能。P3a一般在额区达到最大波幅，反映了对意料之外的刺激或环境中非常显著的事件的注意定向，反应被动加工状态。P3b一把在定去和中央区达到最大波幅，反映了工作记忆的在线更新，反映主动加工状态。,60,2、Go-Nogo模式,两种刺激的概率相等Go刺激令被试反应的刺激，即靶刺激Nogo刺激不需被试反应的刺激特点：排除了刺激概率对ERP的影响；由于没有大小概率之分，大大节省了实验时间，但也丢掉了因大、小概率差异而产生的ERP成分,61,一、脑电数据的采集与记录,62,EEG记录前的准备1、被试填写“被试情况表格”；2、关于洗头（使用中性洗头膏）；3、使被试了解实验的科学性和无损伤性；4、详细讲解指导语；5、提醒实验过程中应注意的问题，如放松、少动等。需要说明的是，要告诉被试实验中间可以休息，但要在实验前上厕所；考虑到限制眨眼导致的伪迹可能更大，可以要求被试在自然放松的前提下，尽量少眨眼，但不能限制被试眨眼。,63,1步骤,设置或修改脑电记录文件（SETUP文件），根据下述记录参数。电极安放戴电极帽。记录（record）。保存记录文件(save)，注意文件名的取法，特别小心不要用同名文件覆盖，以免前功尽弃。,64,2记录参数,放大倍数对脑电的放大倍数至少在5万倍以上，注意对EOG的放大倍数应减小1半或2/3。分析时间(epoch)与基线(baseline)根据实验模式和研究目的设定分析时间，多在1000ms左右，刺激发生前的基线常为100200ms。频带宽度(bandpass)使其仅够放大拟研究的ERP信号，则落在频带外的噪音与干扰信号不被放大，达到排除目的。频带宽度的高通一般为0.010.1Hz，低通为40100Hz。皮肤阻抗应使其低于5k。每个记录点的脑电位均需与参考点的电位进行比较而得到电位差，因而此处的皮肤阻抗尤需降到尽可能低的程度。采样频率（A/DRate）与时间分辨率成正比。例如250Hz的采样频率,时间分辨率为4ms。,65,二、波形平均与叠加,66,1步骤,提取并打开连续脑电文件合并任务数据消除眼电伪迹对脑电分段(Epoch)滤波(filter)基线校正(baselinecorrect)排除伪迹平均(average)保存,67,注意,行为数据的采集，包括反应时间、按键反应、正确率和错误率、以及事后的口语报告（由于口语报告会产生大量肌电，所以ERP研究一般不能进行实时的口语报告或出声思维）,68,三、波形识别与测量,69,1波形识别与测量,波形判断：从一系列波形中判断有关成分，是ERP研究的一个技术难关。可根据峰潜伏期、波形、及其头皮分布，参照总平均图与文献进行判断，丰富的经验也是一个重要的因素。,70,2波峰测量,波幅测量峰峰，基线峰峰潜伏期测量起始时间(始潜时)的测量一般地，波幅反映了大脑兴奋性的高低，潜伏期是神经活动与加工过程的速度和评价时间。,71,-200,200,400,600,800ms,-2.0,-4.0,2.0,4.0,6.0,潜伏期,基线峰,峰峰,72,3平均波幅测量,适用：信噪比不太好的波形，如差异波固定法或连续测量法：如间隔20、50、100和150ms。较客观、标准统一，便于测量及比较；但在个体差异大时，数据可靠性较差。具体法或间断法根据总平均图确定某一成分的时间窗口。根据总平均图而定，针对性较强，但主观性较大，不利于比较。,73,ERP波,按潜伏期分：早成分（10毫秒以内）中成分（10-50毫秒之间）晚成分（50-500毫秒）慢波（500毫秒以后）内源性成分-外源性成分内源性成分(N2P3)与被试的精神状态和注意力有关，不受刺激物理特性的影响外源性成分（P1N1P2)主要受刺激的物理特性的影响,74,命名：正波为P负波为N其后标出潜伏期如：P300绘图时一般上负下正,75,现在发现的ERP成分主要有CNV、P300、BSP、MMN、N400、PN等。,76,2.1CNV,CNV（ContingentNegativeVariation）关联负变。实验中，告知被试，他将得到两个信号（声音或闪光等），他的任务是在第一个信号出现后开始准备反应，但并不反应，当出现第二个信号之后则要尽快做出反应；两个信号之间的时间并不固定。结果发现，在两个信号之间，被试的脑电出现了负向偏转（或负向变化，负变），这个脑电负向变化形成的类似高原的波形就是CNV，在被试完成按键反应后CNV就消失了。,77,叠加12次，Cz点。A:短声,B:闪光,C:短声+闪光。前三种情况都不出现CNV.第四种情况下，令被试在闪光出现时尽快按键，按键即将闪光终止，只有这时才出现CNV.,78,这个结果是1964年由Walter等发现的，当年发表在Nature（203，380384）上。Walter等发现CNV在Cz点最大。但由于早期的头皮记录点较少，一般只有几个，所以无法解决CNV的源定位问题。CNV被认为主要与心理因素有关。比如期待、意动、朝向反应、觉醒、注意、动机等，可以认为它基本上是一个综合的心理准备状态的反映，处于紧张或应急状态的反映。,79,2.3MMN,MMN（mismatchnegativity）译为失匹配负波，它的也是采用Oddball范式得到的。经典实验是这样的做的，在Oddball范式下，大概率刺激为1000Hz纯音，小概率刺激为800Hz纯音，分别在两只耳朵中出现，让被试进行双耳分听，只注意一只耳的声音，并对小概率刺激做出反应，不注意另一耳的声音。结果发现，无论注意与否，在约250ms内，小概率刺激均比大概率刺激引起更高的负波。以小概率刺激引起的ERP减去大概率刺激引起的ERP，会得到一个差异波，是一个存在100250ms之间的明显的负波。,80,MMN图示,81,MMN与标准刺激/偏差刺激差异的关系：随偏差增大而增大。声强MMN，标准刺激为80db，偏差刺激分别为57db,70db,77db。,82,这一结果最早由Naatanen（1978）报告。随后的一系列研究表明，MMN反映的是人脑对刺激差异的无意识加工，即使在两种刺激都不加以注意的情况下也出现了MMN，这说明人脑有对刺激间差异进行无意识加工的能力，或者说人脑能够对不同刺激自动地做出不同的反应。,83,2.4N400,N400，是研究脑的语言加工原理的常用ERP成分，最早由Kutas于1980年报告，这一篇报告发表在当年的Science（207，203205）上。他们通过屏幕向被试呈现一些句子，句子的每个单词从前往后是逐个出现的，先出现的几个句子都是正常的符合语法和语境的。在呈现句子时同步记录每个单词呈现后引起的脑电变化。,84,实验设计前几个句子都是正常的，最后一个句子的最后一个单词是明显畸义的。实验观察到在这个畸义词出现之后400ms左右出现了一个新的负成分，这就是N400。,85,语义畸异程度越大N400越大：THEPIZZAWASTOOHOTTO,86,目前一般认为N400与长时记忆的语义信息的提取有关。但进一步研究发现，与P300相似，N400也有许多子成分，分别与不同的认知过程相关，有彼此不同的脑内源。而且也发现N400不仅与语言加工有关，面孔、图画等非语言刺激也能诱发N400。皮质-内侧颞叶系统对产生N400有重要作用。,87,N