生物物理学报
第二十四卷
第五期
ACTA BIOPHYSICA SINICA Vol.24 No.5
二八年十月 Oct. 2008
基于功能磁共振成像低频振幅算法的 逻辑计算任务的脑活动研究 于海燕 1,2， 钱志余 2， 张志强 1， 钟
元 2， 卢光明 1，
黄 伟 1，
陈志立 1
(1. 南京军区南京总医院医学影像科，南京 210002； 2. 南京航空航天大学生物医学工程，南京 210016）
摘要：利用功能磁共振成像 （functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI） 进行脑功能研究是目前的一个 热点。现以逻辑计算为认知任务，利用 fMRI 进行数据采集。采用低频振荡振幅 （amplitude of low frequency fluctuation，ALFF） 算法分别对 14 例正常人的计算和无任务静息状态的功能磁共振数据进行处理，并做对比分 析。观察振幅增强或减弱情况，发现计算任务下相关激活脑区存在低频振荡，逻辑认知的负载也导致了默认 （default mode） 网络改变；同时针对相关的改变做出了初步探索。 关键词：功能磁共振成像；低频振荡振幅；计算；静息 中图分类号：R338
认知的负载导致脑活动改变进行初步探索。
0
引
言
近 年 来 以 功 能 磁 共 振 成 像 （functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）为 基础的脑 科学认知探索逐步成为一个研究热点。其中逻辑计 算是一个高级、复杂的认知功能，在逻辑任务执行 中，有多个认知过程涉及并参与。而目前对于逻辑 计算的研究，多集中于不同的实验设计引起的不同 激活脑区的讨论，少有对计算下的信号低频振荡强 度研究。 低 频 振 荡 振 幅 （amplitude of low frequency fluctuation，ALFF） 算法通过对功能磁共振数据做 傅立叶变换计算功率谱，能够计算出大脑各体素的 低频振荡幅度，已分别在研究注意缺陷多动障碍 （attention deficit hyperactivity disorder， ADHD） 和睁眼、闭眼引起的视觉刺激差异中得到验证[1,2]， 而 Biswal[3]也发现灰质较白质有较高的低频振荡幅 度，这些都表明频率在 0.01～ 0.08 Hz 的 ALFF 反 映局部神经元的自发活动。 本文以逻辑计算为认知任务，首先对计算任务 与无任务静息状态下的功能磁共振数据进行分析比 较， 采 用 ALFF 算 法， 然 后 采 用 随 机 效 应 分 析 （paired t-test）得到计算状态相比静息状态低频振 荡振幅的差异，从脑代谢活动强度方面，对于逻辑
1
fMRI 数据采集与分析处理
1.1 脑功能实验任务设计 实验设计依次进行静息状态和持续刺激状态， 每个状态持续 4 min，共 8 min。持续刺激任务设 计为 4 位数与 2 位数的有借位的减法，采用心理学 实验软件 E-prime 编程实现。任务状态设计每个计 算式呈现 7.5 s，画面分为两行，第一行是计算式， 第二行是给出的两个答案，要求被试者在 7.5 s 内 计算出答案，并按键选择。如果第二行左边答案正 确，按左键，反之按右键。静息状态时，画面呈现 内容与任务状态相同，要求被试者不进行计算，双 眼注视屏幕。 1.2 数据采集 本文实验志愿者为 14 名学生，其中男性 10 人，年龄在 22～ 26 岁，平均年龄 24 岁，身体健 康，无神经系统疾病史和精神病药物服用史，均为
收稿日期：2008-05-23 基金项目：国家自然科学基金项目(30670600) 通讯作者：卢光明，电话：(025)80860185， E-mail：cjr.luguangming@vip.163.com
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基于功能磁共振成像低频振幅算法的逻辑计算任务的脑活动研究
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右利手。采用 GE 公司 Signa 1.5T 超导磁共振成 像仪，受试者实验时仰卧，头部加用软海绵固定于
率谱并进行开方，得到信号的低频振荡幅度；计算 频率在 0.01～ 0.08 Hz 的信号振幅 的平均值，即
线圈内以减少头部运动。与计算机连接的投影仪将 设计的任务内容投影到屏幕上，受试者通过安装在
BOLD 信号变化的强度；为消除个体间全脑 ALFF 总体水平的差异，每个体素的 ALFF 值除以全脑信
扫描线圈上的反光镜可以观看。实时功能成像序列 （real-time imaging process，RTIP） 采集 T2* 功能
号幅值的均值，对全脑逐体素做标准化；将静息和 计算状态标准化后的 ALFF 脑图做配对 t 检验的组 间分析，激活阈值设置为 P＜ 0.01，激活范围阈值 设为 270 mm3，即 10 个体素，得到逻辑计算相对
像，采集参数：TR=2000 ms，TE=40 ms，反转角 度为 90毅，体素大小为 (3.75 伊 3.75 伊 5.00) mm3，共
23 层，隔行扫描。 1.3 数据处理
采 用 SPM2 ( Statistical Parametric Mapping) 软件在 Matlab 7.0 的平台上对实验数据进行预处 理，对每个被试的 fMRI 数据首先进行时间校正， 接着进行头动校正，排除头部平动大于 1 mm、转 动大于 1.5毅的被试对象，而后将校正后的图像进行 标准化，采用 SPM 自带模板，归一化到标准的 MNI （Montreal Neurological Institute） 系统，并将 每个体素重采样至 （3 伊 3 伊 3）mm3；最后使用高斯 核函数进行平 滑，降低空间 噪声， 全宽 半高 值 （FWHM） 为 8 mm。 对预处理过的功能数据做带通滤波，以采用 hamming 窗 的 fir 滤波 器实现截止频 率为 0.01 ～ 0.08 Hz 的滤波，去除信号的高频干扰和低频漂移； 采用 REST 软件 （http://resting-fmri.sourceforge.net）
于静息状态各脑区低 频振荡幅度增强或减 弱的 结果。
2
实验结果
对计算组和静息组数据做配对 t 检验的组间分 析，得到计算状态相比静息状态的低频 BOLD 信 号振荡幅度差异的统计，针对脑区振幅增强或减弱 的结果，我们可以分析讨论计算时大脑活动改变 情况。 2.1 振幅增强结果 由图 1 和表 1 可看出，计算状态相比静息状态 振幅增强的脑区主要有双侧中央前回和中央后回的 运动前区，另外激活区有右额叶内侧回、双侧额上 回、双侧颞叶梭状回、海马回、颞上回、右颞中 回等。
做 ALFF 分析，计算信号在 0.01～ 0.08 Hz 下的功
5 0 原5 X=原39
X=7
T score
Y =原27
Z=原36
X=58
Fig.1 Strengthened ALFF derived by paired t-test, in which warm colour means strengthened ALFF and cold colour means weakened ALFF
生
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物
物
理
学
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报
Table 1 Details of brain regions where ALFF is strengthened Anatomical region Frontal lobe
Peak activated location
R precentral gyrus R medial frontal gyrus L superior frontal gyrus R superior frontal gyrus
Parietal lobe
L postcentral gyrus
Temporal lobe
R fusiform gyrus L superior temporal gyrus R superior temporal gyrus R middle temporal gyrus L insula
Cerebellum
Broadmann area
t-value
4
6.78
18, 54, 6
10
4.64
原12, 51, 原24
11
4.48
12, 66, -9
11
4.15
原48, 原18, 57
3
5.14
48, 原27, 原30
36
8.42
原45, 18, 原42
21
5.98
60, 原21, -3
21
5.44
57, 9, 原24
21
4.94
原30, 原27, 15
13
3.72
x, y, z (MNI) 30, 原24, 57
原3, 原54, 原27
L anterior lobe
7.08
15, 原42, 原51
R posterior lobe
4.84
P < 0.01 was used to determine significant cluster
2.2 振幅减弱结果 计算状态相比静息状态振幅减弱的脑区主要发 生在双侧后扣带回和相邻的楔前叶，双侧角回，双
侧顶下小叶，双侧颞中回，左侧颞上回，双侧额中 回和额下回 (见图 2)。
5 0 原5
Fig.2
Z=45
Z=36
Z=3
Y =45
Y =原72
Y =原57
T score
X=原54
Weakened ALFF derived by paired t-test, in which warm colour means strengthened
ALFF and cold colour means weakened ALFF
第5期
基于功能磁共振成像低频振幅算法的逻辑计算任务的脑活动研究 Table 2
Details of brain regions where ALFF is weakened
Anatomical region Frontal lobe
Peak activated location
L middle frontal gyrus R middle frontal gyrus L inferior frontal gyrus
Parietal lobe
L inferior parietal lobule R inferior parietal lobule
Occipital lobe
R uncus
Temporal lobe
R middle temporal gyrus L middle temporal gyrus L superior temporal gyrus R insula
Limbic lobe
R cingulate gyrus R posterior cingulate gyrus
Cerebellum
L posterior lobe R anterior lobe
P < 0.01 was used to determine significant cluster
3
405
分析与讨论
3.1 ALFF 改变结果分析 在持续计算状态下，ALFF 升高区反映了该区 存在着较强的低频振荡，BOLD 信号相比静息期增 强，同时这些区域也是计算任务的激活区[4]。在持 续的认知任务刺激下，相关的任务激活区存在着低 频振荡[5,6]。有研究表明自发的神经活动导致了低频 振荡，这种自发活动是连通脑区之间的相互作用， 在电神经生理学上具有重要意义。但是电神经生理 学所关注的这种自发活动与 fMRI 观察到的低频振 荡之间的关系还需进一步研究[1]。计算过程中有视 觉数字形式、听觉口语编码、近似数量表达的认知 过程参与 [7,8]。在大多数数字有关任务中，左侧顶 叶、左侧前运动皮质以及右侧小脑有联合的激活模 式。双侧中央前回属于前运动皮质的运动辅助区， 有研究显示，前运动皮质可能直接参与了逻辑计算 过程[9,10]。而本文中该区域振幅增强进一步证实了 在逻辑计算过程中，前运动皮质起重要作用。双侧 额上回及额叶内侧回的振幅增强则是由于计算过程 中有工作记忆[11]的参与。
Broadmann area
t-value
原36, 30, 36
9
7.1
6
4.84
原54, 15, 9
44
4.78
-60, 原45, 36
40
7.12
60, 原33, 39
40
6.55
15, 原103, 原6
18
7.70
42, 原72, 27
39
5.18
原63, 原36, 原12
21
4.93
原63, 原51, 9
22
3.5
39, 15, 3
13
4.33
6, 0, 45
24
4.89
6, 原43, 25
23
4.63
x, y, z (MNI) 30, 原3, 66
原33, 原66, 原33 42, 原54, 原27
3.57 3.08
组分析结果表明 ALFF 减弱主要表现在双侧 PCC 及相邻的楔前叶，双侧角回和较广泛的颞叶 区域，这与静息状态 default mode 脑区组成较一 致。这种结果在其他认知任务的负激活的研究中也 有发现[12]。逻辑运算需要较高的准确度，降低了任 务无关的想法，在需要注意力导向的任务中， default mode 脑区活动被抑制。 一般认为额中回和额下回在复杂计算过程起调 控作用并参与符号、数字算式的理解[13～15]，而双侧 顶下小叶是数量表达及数量语义处理中枢[16,17]，在 以前有关计算的研究中也是被激活区域。但在本文 中上述区域计算时的振幅相比静息时却发生减弱， 原因可能是在用 ALFF 算法处理时，计算的振幅是 基于基线的上下振荡幅度，而计算过程中 BOLD 信号处于较高的基线水平，但是振荡幅度不大，导 致了振幅相比静息时减弱的情况。 3.2 计算引起 default mode 网络变化 大量 PET 及 fMRI 研究证实，静息状态如闭目 清醒、无特定任务执行下的大脑，默认 （default mode） 网络区域呈高代谢状态[18]；而在任务执行， 尤其需要注意认知加工任务时，这些区域的活动则 明显减弱[15]，这种现象在 fMRI 上表现为伴随特定
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任务相关脑区的激活，default mode 脑区出现负激 活。这些脑区存在同步相关性，构成一个 default mode 网 络 ， 主 要 包 括 后 扣 带 回 （posterior
发活动受到抑制，与经典默认网络比较，我们认为 逻辑计算导致了 default mode 网络脑区的改变。
cingulated cortex，PCC） 及相邻的楔前叶、角回、
参考文献：
腹 侧 扣 带 回 前 部 ( ventral anterior cingulated cortex， vACC) 和 内 侧 前 额 叶 ( medial prefrontal
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CHEN Zhi-li1
(1. Department of Medical Imaging, Nanjing General hospital of Nanjing military command, Nanjing 210002, China; (2. Department of Biomedical Engineering, College of A utomation, Nanjing University of A eronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China)
Abstract: The brain function researching by functional Magnetic Resonance Imaging has recently attracted attention. The sustained mental calculation was performed as a cognitive task and collected data using MRI. The resting-fMRI data and calculation-fMRI data of 14 normal volunteers were analyzed by the arithmetic of ALFF. The amplitude of low frequency fluctuation was compared between resting data and calculation data. Monitoring amplitude changes of signal, the results showed that low frequency fluctuation exited in some activated brains and default-mode network regions changed in response to loading external cognitive. Besides, reasons of regional changes were investigated primarily. Key Words: fMRI; ALFF; Mental calculation; Rest state
This work was supported by a grant from The National Natural Sciences Foundation of China (30670600) Received: May 23, 2008 Corresponding author: LU Guang-ming, Tel：+86(25)80860185，E-mail：cjr.luguangming@vip.163.com