儿童认知的fMRI研究ppt课件.ppt

视觉刺激下儿童认知功能评价的fMRI初步研究 CompanyLogo EEG ERP VEP PET MEG fMRI SPECT 远红外波谱 儿童脑功能的研究方法 BOLD fMRIDTIMRSSWIMTI CompanyLogo fMRI为正常脑发育及儿童时期神经精神异常的研究打开了一扇大门 孤独症 广泛性发育障碍 pervasivedevelopmentaldisorders PDD 中最常见的一种亚型 应用fMRI研究发现孤独症患者存在小脑 下丘脑 皮质通路异常注意缺陷与多动障碍 attentiondeficitandhyperactivedisorder ADHD ADHD前额皮层发育延迟学说及小脑对前额和纹状排列通路的影响机制 目前fMRI研究多集中于伴智力 情感等发育障碍的年长儿童 CompanyLogo 多集中于出生后的视觉形成 婴儿及儿童期视觉发育 损伤对视觉系统影响等机制的研究与探讨成人语义和语法处理位于不同脑区 而Brauer等对5 6岁儿童语言加工过程fMRI的研究发现 儿童语义和语法刺激均可激活颞上回 且双侧额下回的激活区域较成人范围大 国外也相继开展了应用fMRI对正常婴幼儿发育过程中语言 视觉等方面认知研究的尝试 CompanyLogo 儿童fMRI实验特点 婴儿及较小儿童须在镇静或睡眠状态下进行fMRI实验 要应用被动刺激的实验范式而对年长能合作的儿童 可采用fMRI进行认知功能研究BOLD信号为负值 我们以往对镇静儿童视觉刺激的fMRI研究发现 其BOLD信号为负值 与成人正BOLD信号不同 主要原因目前尚无定论是否与镇静剂有关 其相关性程度如何 CompanyLogo 目录 儿童清醒及镇静状态下视觉区激活的fMRI对比研究 1 2 3 注意缺陷多动障碍儿童小脑功能缺陷的fMRI研究 4 fMRI在脑室旁白质软化症中的应用 文盲与非文盲汉字与图片处理相关脑区的fMRI研究 CompanyLogo Partone 儿童清醒及镇静状态下视觉区激活的fMRI对比研究 CompanyLogo 前言 通过自身对照的方法 研究正常儿童分别在清醒状态和镇静状态下视觉刺激的fMRI BOLD信号反应的差异明确水和氯醛镇静 临床常规用量 下对儿童视觉区BOLD信号反应的影响效应 CompanyLogo 材料与方法 研究对象选择健康儿童志愿者 年龄6 8岁 男7例 女5例 共12名作为研究对象能够在清醒状态下耐受MRI检查无麻醉药物及镇静药物过敏史研究方法首先清醒闭眼状态下行视觉刺激任务的fMRI扫描休息30分钟后 口服水和氯醛50mg kg镇静 一次最大量 1g 若实验者1小时仍未熟睡 则放弃镇静状态下重复清醒状态下的视觉fMRI扫描 CompanyLogo MRI扫描 3 0T超导型磁共振扫描系统 8通道SENSE头线圈功能磁共振扫描 单次激发梯度回波EPI single shot FFE EPI 序列 TR TE 2000 30ms FOV 220mm 矩阵64 64 层厚4mm 每次EPI扫描之前 先行8秒哑扫以稳定磁场功能磁共振扫描后 加扫一个解剖定位及层厚与功能扫描完全一致的 IR 序列 TR TE 2500 15ms FOV 220mm 矩阵512 512 层厚4mm 以获得T1WI解剖图像 材料与方法 范式 实验1block实验2ER Activation 闪烁光2Hz 重复4次 30s 总时间4min StimulusInterstimulusintervalStimulusInterstimulusintervalStimulus 60s 5s Activation 闪烁光2Hz 重复4次总时间10min 材料与方法 CompanyLogo 图像分析及数据处理 fMRI图像导出至工作站 使用基于Matlab7 0的SPM2行后处理分析区组设计试验的fMRI数据 记录枕叶激活区的坐标及激活区像素数目分析事件相关试验的fMRI数据 以枕叶激活区为感兴趣区 采用SPM插件MarsBar行ROI分析 得到所有试验者的血流动力学响应函数 hemodynamicresponsefunctions HRF 并计算信号变化率对比清醒状态组与镇静状态组脑区激活并行组分析所有HRF测量结果均以均值 标准差表示 行配对t检验 以P 0 05为有统计学差异 材料与方法 CompanyLogo 结果 表1清醒与镇静状态下视觉激活脑区对照 Brodmann17区初级视皮层12 1210 10Brodmann18区视觉联合皮层10 122 10Brodmann19区视觉联合皮层8 121 10 清醒镇静 意识状态 Brodmann分区 注 2名志愿者因镇静后躁动 数据摒弃 CompanyLogo 表2HRF信号变化率 镇静组和非镇静组的信号变化率数据进行非参数t检验 P 0 05在所检查的12名儿童中 有5例清醒状态下HRF信号变化率为负值 结果 CompanyLogo 同一被试镇静和清醒闭眼状态视觉刺激脑区激活对比 镇静状态清醒状态 CompanyLogo 同一被试镇静和清醒闭眼状态视觉刺激脑区激活对比 镇静状态清醒状态 原始视觉区 PVC V1区的前部 该部位接受视野周边的视觉纤维透射 CompanyLogo 清醒闭眼状态下除Brodmann17区初级视皮层激活外 同时可出现Brodmann18区和Brodmann19区激活 即纹旁区及纹周区 视联合区 其功能为综合视觉信息 形成有意识的知觉 10例在镇静和清醒状态下BOLD信号变化均为负值主要原因目前尚无定论 可能与儿童视觉区突触密度高于成人 视觉区激活时氧消耗量明显增加 而CBF增加的速度相对较慢 不足以代偿视觉区神经元氧耗量的增加 致使去氧血红蛋白的与氧和血红蛋白的比例迅速升高 引起了视觉区血氧水平下降儿童期的视觉负激活与镇静状态可能无关水合氯醛镇静对儿童原始视觉区fMRI的视觉刺激结果无显著影响 结论 CompanyLogo Parttwo 事件相关fMRI在脑室旁白质软化症脑性视觉损伤评价中的应用 CompanyLogo 前言 脑室旁白质软化症 PVL 是引起脑瘫的重要原因之一 胎儿发育过程中由缺血而导致的脑室周围供血动脉的分水岭区 即脑室旁白质缺血性脑梗死所引起的 视野缺损在病程的早期即可出现脑性视觉损伤 cerebralvisualimpairment CVI 是PVL脑瘫患儿常见而重要的合并损伤 常由于视交叉后通路受损而出现暂时性或永久性视力缺损BOLD fMRI可直接评价CVI 基于局部血氧水平的变化 在给定特殊的任务后 采用快速MRI成像序列可观测所引发的局部神经元激活 CompanyLogo 婴幼儿在BOLD fMRI检查时受限 在进行fMRI检查时需要病人的配合 保持静止不动 理解并执行所需的实验任务脑瘫的患儿多同时伴有智力障碍 不能配合设计一种被动式范式并在使用镇静剂状态下进行BOLD fMRI检查可克服这些障碍由于视觉刺激不需要病人的配合 可被动式呈现本研究的目的 给与被动式视觉刺激任务后 应用慢速事件相关fMRI来评价镇静状态下PVL患儿的CVI 前言 CompanyLogo 患儿的选择选择24例PVL婴儿 男11例 女13例 年龄0 6 1 5岁 平均1 2岁 包括12例早产儿 12例足月儿 作为研究对象所有的患儿均进行了全面的眼科检查 双眼视力评估应用Teller视敏度卡片 24例患儿中 18例出现视力缺损 占75 其中6例 占33 3 为盲或偏盲 12例 占66 7 为弱视 其余6例 占24 为视力正常 4例 或接近正常 2例 同时 选择12例年龄匹配的正常儿童作对照 男5例 女7例 年龄0 5 1 4岁 平均1 0岁 材料与方法 CompanyLogo 数据采集所有小儿均应用水合氯醛镇静MR检查采用3 0TMR扫描仪 应用8通道SENSE头线圈fMRI检查使用GREEPI序列 TR TE 2000 30ms FOV 220mm matrix 64 64 4 mmaxialslices 所有功能扫描开始前均加扫8s的哑扫描以确保组织磁场稳定功能扫描完成后进行同层解剖像扫描 解剖像扫描常规采用IRT1WI TR TE 2500 15ms FOV 220mm matrix 512 512 thickness 4mm 材料与方法 范式 实验1block实验2ER Activation 闪烁光2Hz 重复4次 30s 总时间4min StimulusInterstimulusintervalStimulusInterstimulusintervalStimulus 60s 5s Activation 闪烁光2Hz 重复4次总时间10min 材料与方法 CompanyLogo 材料与方法 数据分析数据分析应用SPM2分析软件 采用广义线性模型 Generallinearmodel GLM 对每一像素反应幅度进行评价 以F检验确定差异的显著性采用域值 0 05 校正 来检验激活区像素对功能磁共振数据进行头部旋转和移位的刚体运动校正以8 8 10mm的半高全宽 FWHM 高斯核进行空间平滑EPI图像Talairach空间标准化解剖像与功能像配准 CompanyLogo 材料与方法 数据分析采用感兴确区 ROI 方法对所有ERfMRI枕叶激活区的数据进行定量分析应用SPM工具箱MarsBar对ROI数据进行统计学分析 获取所有患儿及对照组的血液动力学响应函数 HRFs 并定量测定 BOLD反应时程 timecourse TC 峰值到达时间 timetopeak TTP 回归基线时间 timetothebaseline TTB BOLD反应幅度 AR 所有的数据分析采用配对t检验 以P值小于0 05为有统计学差异 TC TTB TTP AR 1 CompanyLogo 结果 12例正常儿童中视觉刺激使儿童的视觉皮层BOLD信号呈现明显的负激活最大激活区位于距状沟的前上部 初级视觉皮层 V1区 前部24例PVL患儿4例无激活像素6例激活区细小7例激活区偏移3例激活区细小 偏移血液动力学响应模式 HRFs 分析所有24例PVL患儿中 TC TTP及TTB均明显延迟 p0 01 早产儿与足月儿组间比较 TC TTP及TTB均有统计学差异 p 0 05 所有HRFs中 信号回归基线后均出现正尖头信号波动 CompanyLogo CompanyLogo 表2PVL患儿与正常对照组激活区像素与临床视觉检查结果对照 CompanyLogo 与成人对照 CompanyLogo 足月PVL患儿 临床视觉检查结果 激活区略减小 HRF曲线达到最大信号变化率时间轻度延迟 CompanyLogo 激活区移位 足月PVL患儿 临床视觉检查结果 激活区移位 HRF曲线达到最大信号变化率时间延迟 CompanyLogo TTP AR 早产PVL患儿 临床视觉检查结果 激活区移位且范围减小 HRF曲线达到最大信号变化率时间延迟 反应总时间延长 CompanyLogo TCTTPTTBAR 早产PVL患儿 临床视觉检查结果 PVC 激活区范围减小 HRF曲线达到最大信号变化率时间延迟 反应总时间延长 CompanyLogo 表2PVL患儿与正常对照组HRFs组分析结果对照 CompanyLogo 结论 PVl患儿的激活区像素数目小于正常对照组 其减少程度与临床视觉检查结果显著相关 可能与大脑视觉区供血血管损伤 视觉区皮质或视觉传导通路受损 或视觉区神经元活动改变引起BOLD信号变化的方式改变有关区组刺激视觉激活区移位 除与PVL导致视觉区皮质结构损伤有关外 还可能与半球间视觉区的功能重组有关 由于儿童视觉区功能的可塑性 这种功能重组有可能全部或部分代偿PVL损伤带来的视觉缺陷慢速事件相关fMRI研究 了解这种血液动力学响应模式的形状可有利于预测视觉神经活动所导致的BOLD信号变化 PVL患儿HRF时程明显延长 包括视敏度检查为正常或接近正常的PVL患儿 提示视网膜视觉传入至PVC的通路受损或传入延迟 CompanyLogo Partthree 文盲与非文盲儿童汉字与图片处理相关大脑皮层的fMRI研究 CompanyLogo 前言 脑功能偏侧化现象 CompanyLogo 左侧额下回 传统的语言区Broca区左颞上回 BA22 后部 听感觉性语言中枢Wernicker区梭状回与顶 颞交界区 第三语言区 左侧梭状回中部区域 传统被认为视觉字形区顶下小叶的角回 BA39 视觉语言中枢 阅读中枢顶上小叶 BA7区 与视觉搜索和空间注意 空间工作记忆和语言工作记忆有关 前言 CompanyLogo 材料与方法 研究对象 文盲组 19例 男10例 女9例 年龄11 5 1 4岁 非文盲组 23例 男13例 女10例 年龄10 6 1 6岁 所有被试的纳入标准主要为 1 均无脑肿瘤 感染 代谢性脑病等疾病 无头创伤病史 无MRI扫描禁忌症者 无神经系统疾病病史 2 均无服用任何典型或非典型精神活性药物史 3 均为右利手 CompanyLogo fMRI范式 6 10s s 事件相关设计 s1 s2 s72 576s72对刺激36对汉字辨别刺激 靶刺激 18YES 18NO 36对图形辨别刺激 基线刺激 18YES 18NO CompanyLogo 事件相关范式图示 示例图片 辨别结果 图形辨别相同 图形辨别不同 汉字辨别相同 汉字辨别不同 CompanyLogo fMRI扫描参数 表1 fMRI扫描参数 CompanyLogo 结论 汉字辨别较简单图片辨别反应时长文盲组较非文盲组执行辨别任务时反应时长 结果 表2文盲与非文盲组行为学数据分析 表3组内分析脑区激活情况 CompanyLogo 非文盲组汉字 图形 文盲组汉字 图形 非文盲组图形 汉字 文盲组图形 汉字 图1组内分析脑区激活对比 枕下回 顶上下小叶 颞上回 额中回 CompanyLogo 非文盲组右侧额下回显著激活 而文盲组此区未见激活 右侧额下回可能与汉字语义处理有关两组听觉性语言中枢 左侧颞上回后部均未见激活 可能是由于每一组汉字辨别只有4秒钟 在非常短的时间内辨别两个汉字主要通过汉字结构辨认进行语义识别 从知觉水平上来说 汉字形 义的联系可能要比形 音的联系强 非文盲组与文盲组汉字辨别任务脑区激活对比 非文盲组 文盲组 CompanyLogo 图形辨认时双侧颞上回后部明显激活 可能由于图片为所熟悉的图形 在识别图形时非文盲组会自动认知其中文的发音及音调图片非常简单 不需要过多的视觉注意对其结构进行辨认 视觉区激活相对不显著 汉字辨别 图形辨别 非文盲组汉字辨别与图形辨别任务脑区激活对比 CompanyLogo 结论 CompanyLogo 注意缺陷多动障碍儿童小脑功能缺陷的fMRI研究 Partfour CompanyLogo 传统的 大脑小脑环路 学说 认为小脑只参与机体的运动调节 Brodaletal 1978 近几年有研究认为小脑输出仅部分投射到运动皮层 小脑和大脑皮层的其它区域间亦存在交互作用 Hooveretal 1999 小脑 丘脑 前额叶 神经回路假说 认为小脑亦参与认知行为的调节 Middletonetal 2001 模式图如图1所示 图1 前言 CompanyLogo 本研究将运用以卡通图片为刺激的分类n back范式fMRI 来初步探索ADHD儿童小脑功能有无异常采用分类n back范式的理由 1 分类n back范式为一种较为复杂的工作记忆范式2 工作记忆缺陷是ADHD的核心缺陷之一3 尽管在工作记忆任务执行过程中 前额叶激活最为显著 但n back工作记忆任务执行过程中 以后脑激活更为显著 并有小脑被激活的证据4 本研究以儿童为研究对象 儿童时期参与工作记忆的神经网络与成人明显不同 成人以腹侧前额叶和下颞叶神经网络参与为主 而儿童顶叶 岛叶 尾状核和小脑参与为主 前言 CompanyLogo 研究对象 病例组 12例ADHD儿童 男10例 女2例 年龄10 5 1 4岁 对照组 12例发育正常儿童 男9例 女3例 年龄10 6 1 6岁 两组被试在受教育程度方面相匹配病例组儿童满足DSM IV中有关ADHD的父母和教师问卷诊断标准 且未经过治疗 7名患者以注意缺陷为主 5名患者为混合型所有被试的纳入标准主要为 1 无神经系统疾病病史 无精神分裂症 情绪障碍 学习困难 广泛性发育障碍类疾病病史 2 均无服用任何典型或非典型精神类药物史3 韦氏智测 WISCC R 得分大于80者4 均为右利手 材料与方法 CompanyLogo 实验范式 分类n back范式刺激经E Prime软件编程 并经AVOTEC投射到被试者视野范围内小涴熊图片刺激为n back靶刺激 其它图片刺激为基线刺激参数如下 1 刺激持续时间为500ms 2 靶刺激出现后刺激间隔时间为1500ms 其它间隔时间为500ms 3 刺激的视角 垂直方向为3 4 水平方向为2 6 4 实验由三段不同的任务组成 每段任务由124个刺激组成 25 为涴熊 23 为其它动物 22 为无生命的物体 30 为 每段任务持续时间为2分35秒 三段任务共需7分35秒被试需做出按键反应 用来获得行为学数据 主要为正确反应率和平均正确反应时 CompanyLogo n back范式图示 刺激由一些动物类和非动物类彩色卡通图片及加号 组成加号刺激随机插入图片刺激间 保证被试执行任务期间有固定注视点 也有助于确保图片刺激的无规律性 CompanyLogo 图像分析与数据处理 行为学数据分析采用SPSS10 0软件 对病例组和对照组的IQ 正确反应率和平均正确反应时进行t检验 p 0 05为有统计学意义 影像学数据分析 基于Matlab平台的SPM2软件包 预处理 头动校正 若头动大于3mm或3 则放弃该数据 时间校正 空间标准化 以SPM2默认的MNI模板为模板 重新取样体素大小为3 3 3mm3 对3D T1图像亦进行空间标准化处理 平滑处理 半高全宽值为8mm fMRI BOLD反应采用标准的血液动力学反应函数模型 CompanyLogo 将前面两个刺激均为动物类图片刺激的靶刺激对应的BOLD反应 定义为正确n back反应在个体水平 采用主效应模型 将正确n back反应和基线刺激反应做比较 正确n back反应 基线刺激 p 0 001 uncorrec