基于功能磁共振成像的運動系統(tǒng)腦功能網(wǎng)絡(luò)研究.pdf

1、運動系統(tǒng)腦功能主要包括完成某項任務(wù)的明顯的肢體運動的運動執(zhí)行（ME）和沒有明顯肢體運動的精神上對運動執(zhí)行進(jìn)行排演的運動想象（MI），是腦機(jī)接口（BCI）的理論基礎(chǔ)和腦功能研究的重要領(lǐng)域，已經(jīng)證實了在訓(xùn)練運動員、音樂家，以及恢復(fù)運動殘疾病人的運動功能障礙等方面起著重要的作用。當(dāng)前對運動系統(tǒng)腦功能的研究主要集中在功能磁共振成像（fMRI）實驗、腦功能定位及腦功能區(qū)域之間的關(guān)系，而對腦功能動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究還很缺乏，特別是缺乏對動態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)的定量

2、分析與評價。本文圍繞運動系統(tǒng)腦功能的神經(jīng)機(jī)制，利用相關(guān)的分析方法及數(shù)學(xué)模型對大腦運動系統(tǒng)腦功能網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)之間的連接關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究。制定了運動相關(guān)的fMRI實驗方案，分析了左右利手運動腦區(qū)和下皮層結(jié)構(gòu)的功能不對稱性，以及運動執(zhí)行和運動想象腦功能網(wǎng)絡(luò)及其差異。主要工作如下：
　　 ⑴提出了利用Gauss卷積模型分析初級運動皮層（Primary motor cortex，M1）的fMRI信號在時間域不對稱性的方法，對左右利手手指序

3、列運動的實驗進(jìn)行系統(tǒng)的定量研究。發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行動手任務(wù)時，利手運動與非利手運動相比較，對應(yīng)了更長的神經(jīng)元簇的平均響應(yīng)延遲和更大的響應(yīng)延遲的標(biāo)準(zhǔn)差，并證實了這一結(jié)果與利手性和雙手動或單手動的運動模式無關(guān)。進(jìn)一步，通過比較雙手運動和單手運動兩種不同的運動條件下Gauss函數(shù)的兩個參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)兩個參數(shù)在雙手運動中都顯著變小，顯示了非利手運動對利手運動的影響作用。研究結(jié)果將左右利手動手功能在空間域的不對稱性擴(kuò)展到了時間域，顯示了Gauss模型的

4、參數(shù)可以定量地刻畫這種時間域上的差異。
　　 ⑵利用fMRI信號研究了左右利手性對腦功能活動的影響，分析了雙手運動和單手運動在M1和小腦（Cerebellum，CRB）激活區(qū)的定位上的不對稱性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)了左右M1的激活最大值點的坐標(biāo)沒有統(tǒng)計顯著性差異，并且激活位置關(guān)于利手性不敏感，說明在M1的利手偏利性不是由位置體現(xiàn)而是通過激活強度和激活區(qū)域的大小來體現(xiàn)的。在小腦皮層，發(fā)現(xiàn)了左右利手被試在雙手運動和單手運動中小腦激活位置的統(tǒng)計顯

5、著差異性，發(fā)現(xiàn)了小腦的利手不對稱性具有同側(cè)偏利性，而且把結(jié)論推廣到了左利手。
　　 ⑶提出了利用時不變Granger因果（Granger causality，GC）分析探測左側(cè)M1和其他腦區(qū)的有效連接的方法，選取左側(cè)M1作為種子，對右利手執(zhí)行的經(jīng)典雙手運動實驗的fMRI信號進(jìn)行分析，研究大腦和下皮層結(jié)構(gòu)的動態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)。研究結(jié)果表明在Granger因果動態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，右利手被試的左側(cè)M1也在手指運動中起主導(dǎo)性作用，并證實了雙手運動

6、中雙側(cè)M1的信息交換；結(jié)果同時發(fā)現(xiàn)了左側(cè)輔助運動區(qū)（Supplementary motor area，SMA）在動手運動中對左側(cè)M1的顯著性因果連接，證實了在右利手被試中，SMA關(guān)于左側(cè)M1是一個"因"且對其有主導(dǎo)作用。另外，組分析結(jié)果證實了蚓體（Vermis）和小腦在雙手運動中對左側(cè)M1活動的影響并把結(jié)果推廣到了大數(shù)目的被試群體。
　　 ⑷提出了利用去除偽因果關(guān)系的條件Granger因果（CGC）方法，基于fMRI數(shù)據(jù)來研究利

7、手和非利手運動執(zhí)行和運動想象過程的腦有效連接功能網(wǎng)絡(luò)及其差異。通過選擇對側(cè)M1，雙側(cè)SMA和雙側(cè)背側(cè)運動前區(qū)（PMd）作為感興趣區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了右手任務(wù)比左手任務(wù)出現(xiàn)了更多的有效連接的閉合回路；運動執(zhí)行比運動想象出現(xiàn)了更多的有效連接。結(jié)果進(jìn)一步表明，無論是左右手任務(wù)，還是運動執(zhí)行或運動想象的實驗條件，SMA和M1之間的前饋和反饋的有效連接回路是發(fā)生在對側(cè)的腦半球，PMd和SMA之間的信息交換也主要發(fā)生在同一個腦半球中。特別發(fā)現(xiàn)了左側(cè)PMd對

8、右側(cè)M1和右側(cè)PMd都有直接的影響，而不是經(jīng)由右側(cè)PMd對右側(cè)M1產(chǎn)生影響。
　　 本研究揭示了運動執(zhí)行和運動想象網(wǎng)絡(luò)的異同點，表明了在運動執(zhí)行和運動想象過程中，大腦運動腦區(qū)之間的相互連接是與利手相關(guān)的。5.利用神經(jīng)元水平的動力學(xué)因果模型（DCM），對右利手被試?yán)趾头抢诌\動執(zhí)行和運動想象的fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來研究兩種實驗條件下相關(guān)運動系統(tǒng)腦區(qū)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)和實驗刺激模式對激活腦區(qū)及之間有效連接的影響，并比較運動執(zhí)行和運動想象