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静息态脑功能网络的磁共振成像研究进展 静息状态脑功能的应用进展 大脑是人体最重要的器官，包括12111个神经系统。在正常情况下，大脑消耗的能量约占人体总能耗的20%。然而，在执行任务时，大脑能量消耗的增加很小，而且用于维持非任务状态的神经活动也被认为是一种合作的、复杂的网络系统。在这种非任务状态下，也存在着动态的、动态的和静态的活动，这就充分体现了人类在执行任务时只执行特定的任务的复杂网络系统。最具体地说，静态状态是指受试者保持冷静，不接受外部刺激，并执行某些高级功能。近年来，人们越来越重视静态福利状态下的大脑功能研究。主要研究方法包括：功能磁共振成像（mri）、正电子传输段扫描（pe）、脑电图（eg）、脑磁图（meg）、扩散光学成像（dot）等。其中，作为非损伤脑成像技术在静态福利状态下的大脑功能研究中发挥着不可替代的作用。本文总结了vmri在静态休息状态下研究脑功能的基本原理和最新发展。 1 总结 1.1 信号间发生散相 目前使用最广泛的fMRI方法是基于血氧水平依赖(blood-oxygen-level dependent, BOLD)效应. 生物体血液中的氧主要以与血红蛋白结合(氧合血红蛋白)的形式存在. 氧合血红蛋白释放氧后形成的脱氧血红蛋白具有顺磁性, 可在血管及周边组织中产生局部不均匀磁场. 受该局部磁场不均匀性的影响, 血管及周边组织中不同水分子的磁共振信号间会发生散相(dephasing), 造成所观测到的宏观磁共振信号强度的降低, 且脱氧血红蛋白含量越高, 信号强度降低的幅度就越大; 相反地, 如果组织中脱氧血红蛋白的含量降低, 组织的磁共振信号强度就会上升, 这就是BOLD效应的由来. 而事实上, 当神经细胞活动增强时, 其能量消耗增加, 并随即引发局部脑血流(rCBF)的上升, 以补充能量代谢所需要的底物——葡萄糖和氧气. 神经细胞活动时耗氧量的增加与其所引发的rCBF的增加并不成比例. 实验结果表明: 神经细胞激活时所导致的rCBF增加(氧供给量的增加)幅度往往要大于氧气消耗量的增加幅度. 由此, 激活脑区最终表现为局部氧合水平升高, 去氧血红蛋白浓度降低, 在磁共振图像上呈现亮信号. 特别需要指出的是, BOLD-fMRI中所采集的信号并不直接反应神经细胞的活动, 而是度量由神经细胞活动所引发的脑区中去氧血红蛋白浓度的改变. 这种改变是局部脑血流, 脑血容积(CBV)及氧代谢速率(CMRO2)变化共同作用的结果. BOLD信号的变化与其他功能成像信号改变之间既有相关而又有所区别. 深刻理解其成像原理及信号来源, 对于实验结果的理解, 以及不同实验技术所得数据的分析至关重要. 1.2 静息状态脑功能研究 传统的BOLD-fMRI研究主要关注由外部刺激或执行任务所致的神经活动所引发的血氧水平的改变. 其实验范式通常是通过不同任务和对比状态的设计, 采集大脑在接收特定刺激或执行相关任务期间的磁共振图像; 将图像经过一定的预处理后, 用统计方法比较被试者在任务与对照状态时或不同任务间各脑区磁共振信号强度的不同; 最后将那些在统计学意义上有显著信号强度改变的区域定位于解剖结构, 并最终获得可视化的激活图像. 在此类研究中, 静息状态大多被选择作为任务状态的对照状态. 而事实上, 通过采集一系列静息状态脑的BOLD磁共振图像并提取某一有意义体素信号强度随时间的变化曲线(图1(a)), 可以发现静息状态下脑的BOLD磁共振信号并不是一成不变的, 而是随时间有所涨落. 1995年, Biswal等人首创性地提取了静息态BOLD信号中的低频成分(0.1 Hz, 如图1(a)所示)并对其进行了分析. 他们发现: 人脑左右半球的感觉运动皮层的BOLD信号低频涨落(low frequency fluctuations, LFF)存在显著的相关性(低频涨落间的相关性如图1(b)所示). Biswal等人认为, 这种相关性可以作为在静息状态下感觉运动皮层间存在功能连接的一个证据. 功能连接被定义为“空间上远离的神经生理活动之间在时间上的相关性”, 在脑功能研究中作为不相邻脑区间功能活动同步性的一种度量方式. 在这个观点提出后, 更多的研究发现静息状态下BOLD低频涨落信号的同步性广泛地存在于运动、 语言、 听觉、 视觉等系统及网络中. 由此可以推测: 大脑在静息状态下的功能活动并非是“噪声”般杂乱无章的, 而是有其特定的规律和组织方式. 这些研究成果不仅使得静息状态下脑功能研究成为近20年来神经影像学领域的热门方向之一, 也为脑科学研究的发展开辟了新的方向. 1.3 静息态脑功能研究 一些研究者发现静息态下大脑中BOLD信号低频涨落与呼吸、 心跳以及动脉血中二氧化碳分压(PaCO2)的节律性变化有关, 从而认为这些信号变化可