（生物医学工程专业论文）内源信号光学成像的数据处理方法及软件.pdf

a b s t r a c t b r a i ni m a g i n gt e c h n o l o g i e sr r ev e r yi m p o r t a n ti nd e e p l ya n a l y z i n gt h ec o u r s e so f i n f o r m a t i o np r o c e s sa n dr e v e a l i n gt h ec o m p l i c a t e df u n c t i o no fb r a i n c o m p a r e dt o o t h e rb r a i ni m a g i n gm e t h o d s ，o p t i c a lb r a i ni m a g i n gb a s e do ni n t r i n s i cs i g n a l sw o u l d n o ti n f l u e n c et h en o r m a la c t i v i t i e so fn e u r o n sa n dc a nm a k et h ep r o c e s so fr e c o r d i n g 1 a s tf o ral o n g e rt i m e ，f o rt h e r ei sn oc o l o r a t i o n , f l u o r e s c e n c em a t i e r a lo ro t h e re x t e r n a l s u b s t a n c ea d d e dt ot i s s u e s t h em o s to u t s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo p t i c a li m a g i n gl i e i ni t sl l i g ht e m p o r a lr e s o l u t i o na n ds p a t i a lr e s o l u t i o n , w h i c hi sap o w e r f u lt o o lt os t u d y t h ef u n c t i o n a lo r g a n i z a t i o na n dd y n a m i c sp r o c e s so ft h e c o r t e x b e s i d e s ，o p t i c a l i m a g i n gc a nb eu s e di nr e p e a t e de x p e r i m e n t sf o rm a n yt i m e sa n dc h r o n i ce x p e r i m e n t s o nt h es a n l ea n i m a l st oi n v e s t i g a t et h ec h a n g e so fb r a i nf u n c t i o n a lo r g a n i z a t i o n si n d e p t hw i mt h ec h a n g eo f t i m eo ra g e i nc a t sp r i m a r yv i s u a lc o r t e x ，t h e r ea l w a y se x i s to r i e n t a t i o nf u n c t i o n a lm a p s t h e l o c a t i o n so ff u n c t i o n a lo r g a n i z a t i o no ft h es a m ea n i m a l sw o u l dn o tc h a n g ed u r i n g r e c o r d i n gc o u r s e s m e a n w h i l e ，t h en e u r o n a lr e s p o n s e so fp r i m a r yv i s u a lc o r t e xt ot h e s a m ed r i f t i n gs i n u s o i d a lg r a t i n gw o u l dn o tc h a n g ea sw e l la n da l lt h ee x p e r i m e n t se a l l b er e p e a t e d m o r e o v e r , t w oc o m p l e m e n t a r ys t i m u l u sc o n d i t i o n sa c t i v a t ed i s t i n c t n e u r o np o p u l a t i o n si nd i f f e r e n ts p a t i a ll o c a t i o n so ft h eb r a i n i nt h ep a p e r , i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i sh a sb e e na d o p t e dt o d i s t r a c t o r i e n t a t i o nf u n c t i o n a lo r g a n i z a t i o n sf r o mc o r t e xi m a g e sr e c o r d e db yo p t i c a lr e c o r d i n g d i r e c t l y t h er e s u l t s i l l u s t r a t et h a t s p a c ei n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s c a n e f f e c t i v e l yd i s t r a c ts i n g l ec o n d i t i o nm a p sf r o mn o i s e ss u c ha su n e v e ni l l u m i n a t i o n , f l u c t u a t i o no fc o r t e xa n do t h e ri n t e r f e r e n c e s d i s t r a c t i n gf u n c t i o n a lo r g a n i z a t i o n so f o p t i c a li m a g i n gb yt h em e a n so fi n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i sp r e s e n t san o v e lw a y o f a n a l y z i n gt h ei n t r i n s i cs i g n a l s b a s e do nt h ef o r m e ra n a l y s i sm e t h o d s ，s o f t w a r eb a s e do nm a t l a bh a sb e e nd r a f t e d ， w h i c hc a nr e a l i z et h en o r m a lf u n c t i o nn e e d e di nt h ee x p e r i m e n t sa n df u l f i l lt h e f u n c t i o n so fd i s t r a c t i n go r i e n t a t i o nf u n c t i o n a l m a p sb yi n d e p e n d e n tc o m p o n e n t a n a l y s i sa n df i l t e r i n gd i g i t a l l y w i t ht h eh e l po ft h i sp l a t f o r m ，w ec a na n a l y z ea n d i i a b s t r a c t i n v e s t i g a t eo p t i c a li m a g i n gd a t ai no t h e re n c e p h a l i cr e g i o n sm u c hf a s t e ra n dm o r e c o n v e n i e n t l y k e yw o r d s - o p t i c a li m a g i n gb a s e do ni n t r i n s i cs i g n a l s ，f u n c t i o n a lo r g a n i z i n a t i o n , i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ，d a t aa n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的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。据我所知，除了文中特, 另j j d l ：i 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：责 日期：炒年皇月；。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：上导师签名：熟鲤鱼 日期： 加7 年歹月弓9 目 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代以来，伴随现代物理、电子技术与计算机技术的快速发展， 脑成像技术( b r a i ni m a g i n g ) 取得了长足的进步，一批功能强大的无创性脑成像 手段相继诞生。2 0 世纪9 0 年代，特别是“人类脑计划”的提出使得研究脑、开 发脑、保护脑和创造脑成为当今神经科学家们面临的重要课题。脑成像技术如磁 共振成像( m r j ) 、功能磁共振成像术( f - m r i ) 、x 射线断层成像术( x - c t ) 、正 电子发射断层成像( p e t ) 的出现，使得神经科学家和医生不仅可以观察活体动 物和人脑形态的变化，而且也能观察到某些脑区功能的变化，为揭示脑的奥秘提 供了强有力的工具【1 1 。 对人脑功能的探测，不仅可以帮助我们深入分析脑的信息加工过程，揭示脑 的高级功能，而且也有助于我们认识各种各样的脑疾病。脑功能成像技术已在神 经科学研究以及神经系统疾病的临床诊断方面取得了很大的进展，它以神经活动 产生的血流或代谢方面的变化为信号，经过图像处理并运用成像技术，将脑的活 动以直观的图像形式表达出来。本章首先对比介绍常用的脑功能成像技术，相比 较而言，内源信号光学成像由于能提供空间取样、时间分辨率及空间分辨率三者 的最佳组合并且不需要加入任何外源性标记物等特点，表现出独特的魅力。接下 来，对内源信号光成像技术的发展做了简要的回顾，在本章最后介绍了本论文的 总体结构。 1 1 常用的脑功能研究技术 1 1 1 脑电图 脑电是无数大脑神经元群兴奋抑制振荡的综合，由丘脑向大脑皮层发生 的神经冲动形成间隙性脉冲，大脑皮层在间隙性脉冲的冲击下出现有规律的节律 性活动，即为自发电位。通过在头皮表面记录脑电活动情况来获得脑电图 ( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) 。通常在大脑皮层没有接受明显刺激的情况下记录， 称为自发脑电图。脑的高级功能活动所产生的电信号通常比自发电位小，将这种 信号从自发电位中提取出来，即事件相关电位( e v e n t - r e l a t e dp o t e n t i a l s ，e r p ) 。 电子科技大学硕士学位论文 事件相关电位在脑电信号中是一种存在时间锁定的诱发电压波动，其变化与所加 刺激及大脑的认知行为相关，对应了从接受刺激到识别刺激，并做出反应的整个 信息加工处理过程，不同的行为活动对应了复合波中的不同成分，可用于认知过 程以及外界刺激在大脑皮层的投射分析。脑电采集方便，成本小，时间分辨率高， 可精确至微秒级。 1 1 2 脑磁图 脑磁图( m a g n e t o e n c e p h a l o g a p h y ，m e g ) 测量的磁场主要来源于脑皮质锥状 细胞树突产生的突触后电位。单位面积脑皮质的数千个锥体细胞同时产生神经冲 动，集合成电流，从而产生与电流方向正切的脑磁场【2 】。脑神经元产生的磁场极 其微弱，即使是最大的神经磁信号如癫痫棘波也只有数p t ( 1 p t - - l o 。1 2 t ) ，因此测 量由神经元兴奋产生的磁场必须具备可靠的磁场屏蔽系统和灵敏的脑磁场测量装 置。磁场屏蔽系统主要由金属合金屏蔽室构成，脑磁场测量装置由超导量子干扰 装置( s u p e r c o n d u c t i n gq u a n t u mi n t e r f e r e n c ed e v i c e ，s q u i d ) 组成。m e g 具有较 高的毫秒级时间分辨率，但仍存在空间分辨率不佳的局限，如果与p e t ，c t 或 f - m r i 成像结合分析可获得更好的时空分辨结果。如果将m e g 获得的动态数据 与m r i 提供的三维解剖学图像相结合可形成磁源性影像( m a g n e t i cs o u r c ei m a g i n g ， m s i ) ，将生理功能与解剖结构融合在一起，更好地研究脑功能活动。 1 1 3 功能磁共振成像 功能性磁共振成像( f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，f - m r i ) 是在磁共 振成像技术( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) 的基础上发展起来的，依据成像 原理分为三类：( 1 ) 灌注基础上的f - m r i ，通过示踪剂在脑内的时间过程来计算 脑血流变化；( 2 ) 血流基础上的f - m r i ，被用于探查大血管的血流变化；( 3 ) 磁 敏感对照基础上的f - m r i ，例如血氧水平依赖性功能磁共振成像法( b l o o d o x y g e n a o o nl e v e ld e p e n d e n t ，b o l d ) 。简单的说，b o l d 效应是根据含氧和脱氧 血红蛋白磁化率的差异，以及神经元活动时引起的血流变化、血液氧浓度变化及 氧代谢率变化的综合机制。当大脑在内外刺激作用下处于功能活动状态时，脑激 活区静脉中脱氧血红蛋白相对减少，使局部脑组织t 2 时间延长，信号强度增加， 从而获得激活脑区的影像【3 】。由于b o l df - m r i 对神经元活动的敏感性是第一、 二类f - m r i 的2 3 倍，因此它是最最常用的f - m r i 技术。f - m r i 具有无创性、无 2 第一章绪论 放射性、可多次重复操作等优点，其优势在于其较高的空间和时间分辨率，能将 结构和功能图像融为一体4 ，5 1 。 1 1 4 正电子发射断层显像和单光子发射断层显像 正电子发射计算机断层显像( p o s i t i o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，p e t ) 是通过扫描放射性示踪剂( 发射正电子p + ) 在人体内的运动，来获取细胞的代谢信 息并用以成像的核医学方法【6 】。它能测定大脑中不同区域葡萄糖的吸收率和血流量 变化。实验前先给被试注入一定量的示踪剂，当被试进行认知活动时，相关脑区 由于神经元功能活动引起血流发生变化，血液中示踪剂释放的正电子数量与周围 脑区存在差异，通过探测系统检测并加以描记。p e t 从分子水平显示受体、活体器 官代谢、和功能活动的影像技术。但由于现有正电子核素种类有限且半衰期短， 成像时间较长( 至少为几十秒) ，空间分辨率不佳，导致p e t 的推广受到限制。 单光子发射计算机断层显像( s i n g l ep h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ， s p e c t ) 与p e t 相似，利用发射丫射线的放射性核素进行器官断层显像。脑功能 s p e c t 显像主要包括局部脑血流( r e g i o n a lc e r e b r a lb l o o df l o w ，r c b f ) 、脑代谢显 像和脑神经受体显像。s p e c t 无需价格昂贵的回旋加速器产生放射性核素，核素 的半衰期较p e t 长，s p e c t 价格较低，实施检查方便。 1 1 5 基于内源信号的光学成像 脑皮层活动相关的内源性信号( i n t r i n s i cs i g n a l s ) 指由神经元电活动引起的有 关物质成分、运动状态的改变而导致的光学特性的变化。在与某些特定波长的光 量子相互作用后，通过成像仪器探测包含这些特性的光信号的某一时间间隔内的 空间分布，也就是脑功能的内源信号光学成像( o p t i c a li m a g i n gb a s e do ni n t r i n s i c s i g n a l s ) 。所谓内源，是指在不对组织施加任何染色、荧光标记等外源性影响，信 号由组织本身的光学特性变化( 包括光吸收和散射) 所引起。光学成像研究的范 围涵盖了从细胞、神经元网络、脑片、局部脑皮层到整体的脑功能成像，提供从 不同的时间和空间尺度上研究脑功能的成像技术，从而可以得到有关脑组织的解 剖结构信息、功能状态、血流动力学、代谢状况等参数的变化【7 s 1 。内源信号的光 学成像中的近红外谱技术( n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，n i r s ) 和光学相干断层成 像技术( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) 发展迅速，它们均能提供观察大脑 皮质功能柱的高分辨率图像。特别是n i r s 可穿透颅骨，已用于动物和儿童的无 3 电子科技大学硕士学位论文 创性脑功能研究。内源信号光学成像是到目前为止具有最高的空间分辨率和较高 的时间分辨率的在体脑功能成像技术，为研究脑皮层大范围的功能构筑和信息处 理机制提供了有力的工具，有助于阐明脑功能成像信号和神经电活动之间的关系， 以及神经血管耦合的精确过程。 1 2 光学成像与其他成像方法的关系 理解神经信息编码及处理机制，需要了解这些特定神经元群的功能响应过程， 包括获取皮层特定响应区域的功能构筑( 功能柱的空间分布模式) 及其对外界刺 激响应的动态变化( 时间特性) 。高等动物的脑皮层功能单元大约为5 0 0 - - 1 0 0 0 1 l m ， 常用的脑功能成像技术如功能磁共振成像( m 砒) 、正电子发射断层显像( p e t ) 和单光子发射断层显像( s p e c t ) 可以实现脑功能活动的三维空间定位，由于其 空间分辨率( f - m r i 、p e t 空间分辨率2 0 0 0 - - 4 0 0 0 微米) 和时间分辨率较低，却 不能提供功能柱水平的皮层功能构筑结构信息以及皮层活动的早期响应和快事件 相关信号。脑电图( e e g ) 和脑磁图( m e g ) 等其他脑功能研究技术，虽具备很 高的时间分辨率，但空间分辨率更不足已分辨皮层的功能构筑。 传统的微电极记录技术与内源信号的光学成像技术相辅相成。单道或多道单 细胞电生理记录为研究单个或少数几个神经元的活动特点或皮层单个神经元的功 能反应特性提供了很好的工具，然而脑功能往往是细胞集群活动实现的。2 一脱氧 葡萄糖( 2 一d e o x y g l u e o s e ，2 - d g ) 技术可以在动物死后显示出活动的脑区，甚至可 以看到单个细胞的活动。不过2 - d g 方法在同一被试动物上只能使用一种刺激条 件，时间分辨率只能以分钟或小时计算【9 】。作为到目前为止具有最高空间分辨率 和较高时间分辨率的在体脑功能光成像技术被用于研究神经元群体的功能构筑， 正好弥补了这个缺陷。 在微观层次上，多光子激发荧光显微成像、全内反射显微成像和激光扫描聚 焦显微成像对单个神经元细胞或神经元网络在亚细胞水平进行研究。当这些研究 手段与荧光标记技术结合后，可以检测神经活动过程中膜电位和钙离子浓度的变 化及神经递质的释放等。在宏观层次上，近红外光谱技术( n i r s ) 、基于扩散光 子密度波的扩散光学层析成像技术( d i f f u s e do p f i c a lt o m o g r a h p y ，d o t ) 和基于时 间分辨技术的光学层析成像( t i m e r e s o l v e do p t i c a lt o m o g r a p h y ) 的空间分辨率为 毫米级，但毫秒级的时间分辨率已足以对脑皮层神经活动引起的血容量和血氧变 化进行无创在体检测。介于微观和宏观之间的研究手段，基于脑皮层活动的内源 4 第一章绪论 信号光学信号成像具有很高的空间分辨率( 微米) 和时间分辨率( 毫秒) ，为在功 能柱水平研究皮层的功能构筑及动力学响应提供了有力的工具。相比较而言，内 源信号光学成像技术研究对象的范围涵盖了从分子和细胞到较大空间尺度的无创 脑功能成像；反映的信息包括神经元和神经胶质细胞的结构变化、神经细胞内特 殊分子的功能、神经细胞膜电位的变化、神经递质的释放以及脑皮层血液动力学 响应等因素引起的组织光学特性变化【1 0 1 。 内源信号光学成像只提供二维在体的高分辨率成像，不具备纵向层析能力。 而光学相干层析成像( o c t ) 和多光子激发荧光显微成像都具备高分辨的深度方 向( 纵向) 层析能力，在脑皮层功能活动的高分辨三维成像中有望发挥重要作用 【1 1 1 。 1 3 在体光成像技术的发展 1 9 8 2 年g r i n v a l d 在海马脑片研究中使用电压敏感染料，并用光学记录成像技 术显示出可见的神经元电活动扩散现象【1 2 】。这种方法依赖于电压敏感染料将神经 元的电活动转换成光学信号，然后用光敏感器件检测，从而把神经元的电活动直 接转变为图像。由于电压敏感染料具有药理学副作用，影响了神经元的正常活动， 而且为了保证毫秒级的时间分辨率，其空间分辨率低、视野范围小，使用受到了 限制。 事实上，很久以前就有人发现许多组织( 包括脑) 中存在着与代谢及电活动 有关的内源性信号【”，1 4 ，1 5 】，直到1 9 8 6 年g r i n v a l d 等首次报道了这种与神经元活 动相关的脑内源性光学信号，并用光学成像方法显示了大脑皮质的功能构筑【1 6 1 。 这种基于内源信号的光学成像是目前为止空间分辨率最高( 达o 1 毫米) 的一种整 体动物脑成像技术，最早用于猫和猴视觉皮层功能构筑的研究。在猫和猴的视皮 层区域已有文献报道成功记录到方位功能图和眼优势图【1 6 1 ，在大鼠的感觉皮层也 成功记录到了功能图。由于不用毒性染料，光成像技术很适合于长时间活体记录 或长期记录，甚至在神经外科手术时对人进行实验。目前，采用内源信号光学成 像研究特定皮层区域功能构筑过程中，一般选用对功能活动皮层区域中总的血红 蛋白浓度( 如5 5 0 纳米、5 7 0 纳米) 或血氧( 6 0 0 纳米) 变化敏感的单波长光源照 明。定量检测h b 和h b 0 2 浓度变化的皮层功能光学成像需要多波长光源照明【l o 】。 在以前的研究中多采用狭缝和衍射光栅获取皮层反射光谱信息，而今已发展了滤 光片转轮【1 7 1 、多波长发光二极管f 1 8 1 以及单c c d 成像芯片多波长分光器技术【19 】等 5 电子科技大学硕士学位论文 多波长内源信号光学成像新方法，实现对脑皮层功能活动中血容量、血氧浓度相 对变化的高分辨率二维成像。 1 4 本论文的研究内容 1 4 1 内源信号分析的研究现状 用于脑光学成像的内源信号成分构成复杂，既包含与刺激相关的成分，也包 含与刺激无关的成分，因此各个成分表现出不同的时空模式。主成分分析 ( p r i n c i p l ec o m p o n e n ta n a l y s i s ，p c a ) 在假设各信号源互不相关并线性混合的条件 下，把观测信号分解成若干相互正交( 不相关) 的成分。早在1 9 9 2 年，s i r o v i c h 和e v e r s o n 2 0 】开始使用空间p c a 从光成像数据中恢复原始信号，s c h u e r 等对未加 任何刺激时的皮层图像采用时间p c a ，提取出与血管脉络模式相关的成分，以此 移除线性混合信号中的血管伪迹影响【2 1 1 。g a b b a y 等通过结合p c a 与标准差分成 像方法【2 2 1 ，s o m b o r g e r i 2 3 】结合p c a 与多抽头谐波分析( m u l t i t a p e r h a r m o n i ca n a l y s i s ) 改进了前人的方法。盲源分离作为p c a 的扩展和推广，补充了一些假设条件来分 离混合信号。独立成分分析( i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ，i c a ) 【2 4 】和延迟空 间去相关( e x t e n d e ds p a t i a ld e c o r r e a l t i o n ，e s d ) t 2 5 】分别假设不同的源信号统计学独 立和互不相关。s c h i e s s l 2 6 】等使用p c a 对方位功能图先进行数据降维后再通过i c a 去除皮层功能图血管伪迹改进其信噪比。盲源分离改进了从光学成像原始数据中 提取与刺激相关的信号成分的空间模式。这些方法与经典的功能构筑分析由于没 有标准的度量比较，对图像质量的改善仍有很大争议，如果通过与其他成像方法 结合，可以对数据结果进一步证实分析。 1 4 2 本论文的研究目的和意义 在经典的光成像分析方法中，通过叠加单次实验( t r i a l ) 记录中的不同时刻 点的数据，可能会丢失不同时刻的相位信息。鉴于此，为了将功能构筑信息从与 刺激无关的信号成分中直接分离，本文中尝试用独立成分分析直接从皮层图像提 取方位功能图信息而不是用叠加平均的方法，这与前人工作上有所不同( 在得到 皮层图像后对图像进行信噪比的改善) 。采用独立成分分析方法提取光成像的功能 图从另一角度对内源信号进行分析。 值得一提的是，虽然本论文的实验设计并不复杂，但数据存储量仍相当庞大， 6 第一章绪论 约1 0g i g ab y t e s ( g b ) 左右。为了减少重复性操作，方便进行内源信号的提取和 其他图像分析，同时提高数据处理的效率，本论文开发了基于m a t l a b 平台的内源 信号光成像处理软件。在此基础上，将经典的光学成像数据分析与i c a 分析，数 字滤波等功能集于体的光成像数据处理软件。利用此平台可以更加方便、快捷 地对其他脑区的光学实验数据进行分析研究。软件预留的接口，可以在以后的工 作中不断完善其功能。 本人主要围绕光成像的数据分析进行探讨，结合i c a 直接分离内源信号的方 法，开发了基于m a t l a b 平台的光成像数据分析软件。文章的脉络如下： 第一章对比介绍了常用的脑功能成像方法和基于内源信号光学成像技术及光 学成像的发展概况； 第二章主要介绍了内源信号光学成像的原理和其采集过程； 第三章主要介绍了光学成像的数据采集过程和经典的分析方法，并通过矢量 分析得到了伪彩色功能图； 第四章通过引入独立成分分析直接从脑皮层图像中分离功能构筑图像，并做 了相关的分析讨论； 第五章介绍了结合经典分析和i c a 分析处理的光成像数据分析软件。 第六章为本论文的工作总结部分并对后续工作进行展望。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章基于内源信号的光学成像原理 第一章概要介绍了基于内源信号的光学成像技术的发展及与其它脑功能成像 技术的比较，在本章中将要详细阐述内源信号的来源及其生理特性，为下一章节 的光学成像实验和数据分析做铺垫。 2 1 内源信号的产生机制 2 1 1 内源信号的来源 现代成像技术已经表明：局部的新陈代谢活动与血液流动同神经元的功能活 动有着很强的联系。一些与神经元电活动紧密耦连的生理性活动是大脑皮层的内 源信号的来源，这些生理性活动包括了局部新陈代谢和血流所产生的光学性质变 化。内源的定义是，在对组织不施加染色和荧光标记等任何外源性条件的情况下， 组织本身由于吸收和散射的变化而产生的的信号。 f r o s t i g 等人的研究表明，内源信号至少包含局部血流量的变化、血红蛋白氧饱 和水平的变化与散射光的变化这三种成分【2 7 】。将会引起局部脑区对特定波长光的 吸收率会由于这三种生理过程而发生变化，所以我们利用上述与脑内神经元活动 有关的光学变化而采用电荷耦合器件( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 摄像机来记录 整片脑区中的兴奋区域和相对不兴奋区域，通过计算机处理即可显示成二维图形。 2 1 2 内源信号的生理解释 大脑的氧消耗量在感觉系统受到刺激时增加，此过程与f - m r i 类似，最初的 表现为脱氧红血蛋白含量增加。当脱氧血红蛋白浓度开始增加时一般被被认为是 反应的“起始点”。接着由于延迟的大血流量流向活动的脑区提供含氧量高的血液， 局部血流量的变化主要是由外部刺激导致一系列生理反应，致使神经元所在局部 的毛细血管补充血液，或由于毛细血管迅速充盈以及静脉扩张引起血管容量的变 化。局部血量的增加使局部区域在血红蛋白最大吸收波长的吸收增加【2 8 】。 活动依赖性的血红蛋白氧饱和水平的变化是内源性信号的另一种成分。影响 这一变化的因素比较复杂。这种氧合作用本身的变化包含两早期成分和延迟成分 8 第二章基于内源信号的光成像原理 两种成分。早期成分是指先由神经元代谢活动增强，兴奋脑区耗氧量的增加，从 而造成血红蛋白氧含量的减少，因此皮层变暗；延迟成分是由于活动依赖性的血 流量的增加以至脱氧血红蛋白的浓度降低。出现这种现象的原因是由于携带着高 浓度含氧血红蛋白的血液补充了兴奋的组织区域从而提高了局部组织中血红蛋白 的含氧水平。 前面两个成分与血红蛋白含量有关，构成了4 0 0 “0 0 n m 波长段的主要信号。 与皮层活动相关的散射光变化是另外一种重要的内源性信号成分。细胞生理 活动由于兴奋区域的神经元活动增强而增强。水和离子的运输，胞外空间的扩张 和收缩，毛细血管的扩展，神经递质的释放等细胞生理活动都会对散射光产生影 响。光散射成分构成了波长6 3 0 r i m 以上的内源信号，并在高于8 0 0 n m 以上成为 主导成分。在6 3 0 n m 附近，第二种信号占主导地位。 内源信号产生机制的复杂性使得其确切机制在当前仍不完全清楚。在裸露的 脑皮层和透过头皮、颅骨进行无损伤测量的在体脑皮层活动研究中，内源信号中 占主导地位的是光吸收变化的成分。皮层的内源性信号的幅度仅占皮层平均反射 光强度的0 1 0 2 ，它是一种非常微弱的光强变化。活体动物皮层表面的生物学 噪声的幅度接近1 ，这是由于呼吸和心跳影响会产生波动，所以必须采用一些 抑制脑波动的方法来降低生物学噪声。另外，要求成像系统有的物理系统噪声必 须低于0 1 ，c c d 摄像头的动态范围必须达到6 0 d b 。 在第三章中将会详细说明如何采用恰当的方式获得数据，以及使用有效的分 析方法从混有背景噪声的皮层图像中得到光成像的功能图像，另外第四章中将引 入独立成分分析( i c a ) 方法，从另一个角度分析光成像的皮层数据，盲提取内源 信号的本底图像和单条件功能图方位功能图。 2 2 内源信号的采集 由内源信号的产生机制可知，在同一刺激条件下局部脑区对特定波长光的吸 收和散射各不相同。内源信号的光学成像是指利用与脑内神经元电活动有关的光 学变化，使用电荷耦合器件( c c d ) 摄像机记录下来整片脑区中的兴奋区域和相对 不兴奋区域，然后将光学信号转化为数字信号的整个过程。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 3 内源信号光成像的应用 从广义上来说，内源光信号成像主要应用在所有不对待测神经组织施加外源 性标记和染色时的后向散射光光强成像中【1 6 】。它的研究对象有从分离的神经纤维、 培养神经元细胞到离体脑片、裸露的活体动物脑皮层和脊髓，以及神经外科手术 过程中的人脑皮层。而它的研究内容则主要集中在考察生理状态下哺乳动物特定 皮层区域的功能活动、神经电活动与血液动力学响应的耦合关系、神经血管的耦 合与调节机制，以及表征脑病理状态、探索脑疾病相关的病理机制。在研究脑皮 层功能活动时，该方法被广泛用来研究猴、猫、大鼠和小鼠等哺乳动物的视觉皮 层2 9 1 、听觉皮层【3 0 】、躯体感觉皮层【3 1 】和嗅觉皮层的功能构筑。在研究脑皮层病理 状态时，该方法表现出了检测癫痫、脑缺血和皮层扩散性抑制等脑疾病相关过程 的动态发展变化方面的巨大潜力。 ( 1 )采用慢性光学成像可以实现长时程记录，甚至可以利用近红外光的穿 透性，透过颅骨获得皮层图像，它可以完成某些急性实验所不能完成的研究课题。 ( 2 )光学成像可用于对动物麻醉状态和清醒状态的研究比较。 光学成像技术在麻醉猴和清醒猴的记录是吻合的，然而p e t 只能记录清醒受试 者功能信号，不方便记录在麻醉状态下很弱的信号。同样在f - m r i 中，也存在着同 样的问题。出现这种现象的原因可能在于信号的来源不同：p e t 信号主要来源于血 流变化，而光学成像的信号主要来源于血氧浓度的变化和光散射。通过对猴的实 验，光成像技术表明，清醒猴血红蛋白氧化水平的变化比麻醉猴的变化小，而血 流变化大很多【3 2 1 。由于对麻醉动物的研究并不能表明清醒动物的行为差异或在清 醒状态下特定皮层区域的功能结构，所以利用光学成像对清醒动物的研究极有意 义。 ( 3 )基于内源信号光学脑成像技术很适合于对新皮层的发育和后天经验可 塑性的研究，因为其不必引进有毒药品，对动物伤害小，可以对同一动物做长达 几周以至几个月的长期记录。 通过猫和雪貂的实验【3 3 】发现，从出生后首次记录到方位图到动物发育完全这 段时间内，方位柱的空间分布没有变化。即使是对小猫进行单眼剥夺和反转缝合， 仍然不影响其方位柱的分布结构，而仅仅改变了功能图的强度。更为有趣的是， 如果给猫的两个眼球以完全不同的视觉经验，出现的方位柱的分布却仍然完全相 同。光学成像技术除了可以提供必要的时间和空间分辨率外，最重要的是它可以 进行长时间对比研究。 l o 第二章基于内源信号的光成像原理 ( 4 )在神经外科手术时，医生可以在光学成像技术的帮助下，在患者暴露 的皮层区域进行功能或功能边界定位，精确确定癫痫的发生区域，同时还可以获 得该区域高分辨率的功能图像。 已有早期的研究发现【3 4 , 3 5 ，舌头运动时在体感皮层可以记录到较大的光学信 号，作名字指认( n a m i n ge x e r c i s e s ) 是b r o c a 和w e r n i c k e 语言区，其也可以记录到 类似的信号。1 9 9 2 年，h a g l u n d 等对记录癫痫脑外科手术期间脑皮层的内源光信号 变化进行了初步尝试。s h o h a m 掣3 6 】对1 2 个受试者的光学记录表明，人新皮层内源 信号的噪声很大，并且还有与皮层功能活动无关的血管噪声影响，这是由于没有 颅骨密封装置的原因。尽管如此，他们还是成功地对体感皮层手的代表区做了定 位，并用差分e e g 技术做了验证。光学信号的幅度与在一般实验动物上所记录的 相比要大很多，时程也不同。2 0 0 1 年，s c h w a r t z 和b o n h o e f e r 名e n a t u r em e d i c i n e 上发 表了应用g a b a 阻断剂诱导雪貂皮层癫痫发作模型的体内源光信号成像结果【3 7 1 。 实验中观察到在神经元电活动增强的皮层区光反射信号降低，同时在发生剧烈放 电的神经元群周围出现了神经元电活动的抑制，该区域光信号增强。2 0 0 6 年 s c h w a r t z 等进一步展示了利用该技术可对手术中癫痫病人的脑皮层功能、病理和癫 痫灶边界进行定位【3 8 】。 已有报道近红外光在人类婴儿中进行穿透性照射的相关研究【3 9 1 。内源信号的 光学成像技术有着巨大的前景，如果能通过无损伤的颅骨对人脑进行功能成像， 必然是对现有的脑功能成像技术的重大突破。 2 4 内源信号光成像的优点 基于脑内源信号的光学成像技术为研究活体动物的大脑皮质，尤其是视皮质 大范围的功能组织结构提供了有力的工具，它使过去只能用2 - d g 标记和放射性 自显影技术才能显示的皮质功能柱能长时间实时显示。它不仅可以用来研究视觉 皮质，而且可以用来研究听觉皮质、体感皮质等的功能。这种技术与微电极单细胞 记录技术、脑内微量电泳技术、神经药理学技术、各种免疫组化荧光染色技术乃 至分子生物学技术结合，可以深入研究功能意义明确的脑区，联系分子和细胞水 平的事件与整体功能，有机结合分析方法和综合方法，更加有利于阐明大脑皮质 工作的基本原理。 与现今常用的脑功能成像技术相比较，内源信号的脑光学成像技术具有自身 的特色和优势，主要表现在以下五个方面：( 1 ) 无毒：与早期的基于电压敏感燃 电子科技大学硕士学位论文 料的光学成像技术而言，内源性信号的光学成像避免了因电压敏感型染料的毒性 对神经元正常活动的影响。( 2 ) 可连续长时间记录：如上点提到的一样，避免了 对有毒性燃料的实现使得在活体上进行长时间实验变为了可能；( 3 ) 较高的时间 和空间分辨率。( 4 ) 使用简单，费用较低：虽然现今对m r i 、p e t 都有很大的研 究，但相对而言，内源性信号的光学成像具有装置小巧价格便宜的优点，并且可 以根据实验的需要灵活设计系统，大大降低成本。( 5 ) 可多次实验：可对同一个 体进行多次、重复实验，从而探讨脑功能的时间或年龄变化。 1 2 第章视皮层内游信号光学成像的数据采集和基本分析方法 第三章视皮层内源信号光学成像的数据采集和基本分析方法 31 脑内源信号的光学成像实验装置及过程 311 基本的实验装置 内源信号的粟集通过用一套功能成缘的光学系统( 如图3 - l 所示) ，在计算机 数字化处理后扶得一系列图像数据。该数据反应了实验过程中的不同刺激条件下， 腑部皮层区域活动强度的变化。整套光学系统主要由光学成像系统和视觉刺激系 统两个子系统组成。自f 者包括光源部分、c c d 摄相机采集部分、数7 成像控制器、 计算机终端处理设备等，后者包括图形发生嚣和高分辨率显示器等。以下的章节 中将会详细地介绍成像系统这几部分。 h3 - i 光学成像系统示恿蚓。卉制为视世刺激系统，打侧为光学成像系统，一：# j 匝过h 线连 接实现视世刺激! ，信号采集的同步( 摘ni n v i v oo p t i c a l i m a g i n go fc o r l i c a la r c h i t e c t u r ea n d d y n a m i c si n m o d c 几1 t e c h 口u 器i n n e u r o s c i e n c e r 器e a r c huw i n d h o r s ta n d i j o h a n s s o n ( e d i t o r s ) s p r i n g e r v e r l a g ，1 9 9 9 ，c h a p t e r2 ) 1 3 电子科技大学硕士学位论文 如图3 1 所示，图像是从动物暴露的皮层上获得的：由光导纤维光束投射仪 产生的光照射到动物皮层，同时在屏幕上显示周期性运动的光栅( 此光栅用于刺 激动物的视觉系统) 。这样，在光导纤维光束投射仪和周期性的运动光栅同时工作 时，c c d 相机记录下对刺激产生反应的动物初级视皮层的影像。简单地说，由于 光栅具有亮度突变的轮廓特征，用作刺激图像，高等动物的视皮层区域会有明显 的反应，表现为皮质细胞反应的兴奋区域抑制区域分布。 如前所述，内源信号的脑光学成像技术是基于大脑皮层兴奋区域和抑制区域 血红蛋白含氧量不同，引起皮层表面光反射和折射不同的原理进行成像。c c d 摄 相机中的电荷耦合半导体装置，正是起到了将光学影像转化为数字信号的作用。 本实验中，使用数字式扫描c c d 摄像机p c o 1 6 0 0 ( p c o ，g e r m a n y ) 通过小室 的透明玻璃窗口采集皮层图像，通过计算机终端显示成二维图像。 成像的光源采用卤素灯，输出光通过干涉滤波片获得特定波长的光。本实验 采用两种不同滤色片。先采用绿光( 5 5 0 h m ) 滤色片产生绿光照射暴露皮质，c c d 摄像机镜头聚焦于皮层表面获得脑表面清晰的血管图后，再换用红光( 6 4 0r i m ) 滤色片产生红光，经光纤照射皮质，微调聚焦面子皮层下约3 0 0 - - 5 0 0 i _ t m 处，此时 表面的血管脉络已足够淡化，可忽略血管伪迹的影响，记录动物双眼受不同方位 条形运动光栅刺激时的脑功能光学成像图。实验中c c d 摄像机的采样速度为2 0 帧秒，采样图像大小为2 4 0 x 6 0 0 像素。一次光学记录的采样周期( t r i a