BOLD信號振蕩與低頻穩(wěn)態(tài)腦響應研究.pdf

1、神經(jīng)活動的節(jié)律性是指一群神經(jīng)元在某個相同頻率上活動，是神經(jīng)活動的基本特征。在相同頻率上活動的神經(jīng)元通過相位的同步化而達到信息交流的目的。根據(jù)最新的同步門控假說，高頻神經(jīng)振蕩的同步性是由低頻神經(jīng)振蕩的相位來鎖定的。這種跨頻段的相位-波幅耦合是神經(jīng)振蕩的一條主要規(guī)律。此外，不同腦區(qū)的神經(jīng)振蕩的優(yōu)勢頻率不同，越高級的腦區(qū)對應的優(yōu)勢頻率越低。從功能上講，越低頻的神經(jīng)振蕩越趨于功能整合，越高頻的神經(jīng)振蕩越趨于局部信息加工。大量的電生理研究揭示了高

2、頻神經(jīng)振蕩對認知活動的重要性；但是由于技術原因，低頻神經(jīng)振蕩的機制尚未得到有效揭示，從而使神經(jīng)振蕩的理論存在很大的缺陷。近年來快速發(fā)展的功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）技術以其低頻信號、高空間分辨率及與神經(jīng)活動的相關性而成為研究低頻神經(jīng)振蕩的利器。
　　本文主要是以fMRI技術為載體，在靜息態(tài)和任務態(tài)下研究低頻振蕩的頻率特征及與特定認知活動相關的低頻穩(wěn)態(tài)腦響應（

3、 low frequency steady-state brain response，lfSSBR）。研究內容分為兩部分：
　　第一部分，系統(tǒng)研究了靜息態(tài)下血氧水平依賴信號（ blood oxygen level dependent，BOLD）低頻振蕩的頻率特征。前人研究已經(jīng)表明：不同腦區(qū)的BOLD振蕩具有頻率特異性；但是這些研究對 BOLD振蕩的頻段劃分、生理噪聲的影響等問題沒有很好地解決。本論文在一個回歸掉生理噪聲的大樣本（n

4、=64）中采用頻率滑窗的方法（窗口寬度0.03 Hz，步長0.01 Hz）考察了BOLD振蕩在較寬頻段（0.01-0.25 Hz）的頻率特征。結果表明，BOLD振蕩在全頻段的波幅分布呈現(xiàn)出三明治式結構：大腦的頂部和底部波幅較小，中間部分波幅較大。波幅的頻率分布表現(xiàn)出皮層-邊緣系統(tǒng)相分離的特點：皮層區(qū)域在較低的頻段相對波幅較高，而邊緣系統(tǒng)和一些皮層下結構在較高的頻段相對波幅較高。BOLD振蕩的頻率特征在部分腦區(qū)具有極高的被試間一致性，反映

5、了靜息態(tài)下共同的腦活動狀態(tài)；而大部分腦區(qū)的穩(wěn)定性較低，暗示這些區(qū)域的 BOLD振蕩可能依賴于即時的認知活動。
　　第二部分，在國際上首次提出lfSSBR的概念，并以此為基礎系統(tǒng)地研究了認知過程中低頻振蕩對腦功能的調節(jié)。本論文借鑒穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位（steady-state evoked potential，SSEP）的思想，利用穩(wěn)態(tài)響應的波幅穩(wěn)定、高信噪比、頻率鎖定及fMRI高空間分辨率等優(yōu)點來探索與特定認知過程相關的低頻振蕩。

6、　　首先，在簡單反應時任務和語義理解任務中成功誘發(fā)出 lfSSBR。lfSSBR與SSEP具有相似的波形，但比SSEP探測的頻率更低、空間定位更準確。lfSSBR的腦區(qū)與任務激活區(qū)相似但二者的機制不同：lfSSBR測量的是BOLD信號的可變性（variability），而腦激活測量的是 BOLD信號均值的變化；lfSSBR不依賴神經(jīng)血氧耦合，而用于計算腦激活的一般線性模型（general linear model，GLM）是建立在神經(jīng)血

7、氧耦合的假設之上。此外，lfSSBR還表現(xiàn)出感覺運動偏向，反映了低頻振蕩與神經(jīng)靈活性的關系。因此，lfSSBR是一種與SSEP及GLM不同的探索與認知狀態(tài)相關的低頻腦響應的指標。
　　其次，基于具有可重復性的注意網(wǎng)絡測驗（attention network test，ANT）研究了lfSSBR對大尺度腦網(wǎng)絡的調節(jié)。警覺、定向、執(zhí)行控制三個注意網(wǎng)絡具有高度的相似性，因此提供了很好的重測范式；但傳統(tǒng)的ANT對注意網(wǎng)絡分數(shù)的測量信度不高

8、。本論文結合非正交比較方法和組塊實驗設計，極大地促進了注意網(wǎng)絡分數(shù)的測量信度，更準確地測量了注意網(wǎng)絡分數(shù)，有效地揭示了注意網(wǎng)絡之間互相抑制的關系，對注意系統(tǒng)的理論和應用研究有重要貢獻。在此基礎上，采用改進的ANT探討了lfSSBR對大尺度腦網(wǎng)絡的調節(jié)。結果表明，lfSSBR對腦網(wǎng)絡的調節(jié)具有頻率特異性，且對大腦總體狀態(tài)的調節(jié)要遠遠強于對不同注意狀態(tài)的調節(jié)，從而為低頻振蕩的皮層興奮性假說提供了有力的支撐，有助于神經(jīng)振蕩理論的完善。

9、　　最后，利用面孔識別任務研究了lfSSBR對腦網(wǎng)絡的調節(jié)方式。當任務以0.05 Hz的頻率呈現(xiàn)時，lfSSBR在基頻的波形近似于正弦波。在正弦波的上升支和下降支而非波峰和波谷，右側梭狀回面孔區(qū)（fusiform face area，F(xiàn)FA）的功能連接受到了調節(jié)，表明lfSSBR對腦網(wǎng)絡的調節(jié)是相位依賴性的。這一發(fā)現(xiàn)強調了低頻振蕩的相位對認知功能的重要作用，支持了最新的同步門控假說。
　　綜上所述，本論文一方面揭示了低頻 BOLD