婁江華LOU Jianghua

馬麗佳1MA Lijia

李中林2LI Zhonglin

閆 鑌2YAN Bin

史大鵬1SHI Dapeng

李永麗1LI Yongli

基于實時功能磁共振神經(jīng)反饋系統(tǒng)對初級運動皮層自主調(diào)節(jié)研究

婁江華1LOU Jianghua

馬麗佳1MA Lijia

李中林2LI Zhonglin

閆 鑌2YAN Bin

史大鵬1SHI Dapeng

李永麗1LI Yongli

作者單位

1.鄭州大學人民醫(yī)院放射科 河南鄭州450003

2.解放軍信息工程大學 河南鄭州 450002

Department of Radiology，People's Hospital of Zhengzhou University，Zhengzhou 450003，China

Address Correspondence to： LI Yongli

E-mail： shyliyongli@126.com

2016-01-21

中國醫(yī)學影像學雜志

2016年 第24卷 第4期：241-244

Chinese Journal of Medical Imaging

2016 Volume 24 （4）： 241-244

目的 探討實時功能磁共振神經(jīng)反饋系統(tǒng)（rtfMRI）對正常志愿者初級運動皮層區(qū)（M1區(qū)）自主調(diào)節(jié)的作用。資料與方法 基于課題組建立的rtfMRI，選取右側(cè)M1區(qū)作為感興趣區(qū)（ROI），把該ROI的磁共振血氧水平依賴成像（BOLD）信號以曲線的方式反饋給受檢者，引導12例正常右利手志愿者通過運動想象進行M1區(qū)調(diào)節(jié)。在線數(shù)據(jù)采用TBV軟件進行分析，觀察ROI的BOLD信號改變，并進行組分析和3次訓練前后比較右側(cè)M1區(qū)信號變化程度。結(jié)果 組分析顯示，12例正常志愿者通過運動想象M1區(qū)上調(diào)差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；經(jīng)過3次訓練M1區(qū)的上調(diào)程度不斷提高，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。結(jié)論 應用rtfMRI在一定程度上能夠幫助受檢者自主調(diào)節(jié)初級運動皮層的活動。

磁共振成像；血氧水平依賴成像；運動皮質(zhì)；神經(jīng)反饋

【Abstract】Purpose To explore the feasibility of real-time function magnetic resonance imaging （fMRI） on autonomic regulation of primary motor cortex area （M1） activation in normal volunteers.Materials and Methods Twelve right-handed healthy subjects were trained for three times to regulate the blood oxygenation level dependent （BOLD） response at the right M1 area （ROI） using real-time fMRI system. The BOLD signal intensity of the ROI was feedback to the subject in a curvilinear manner. Turbo-brain voyager （TBV）was used for online data analysis. The signal change of the right M1 area before and after training was compared.Results The BOLD signal intensity of all the subjects increased significantly at the M1 area over sessions （P＜0.05）. The signal intensity at M1 area for all of the subjects elevated constantly after trained for three times，which showed statistic difference （P＜0.05）.Conclusion Real-time feedback training is helpful to acquire autonomic regulation of primary motor cortex activation.

【Key words】Magnetic resonance imaging； Blood oxygen level dependent imaging；Motor cortex； Neurofeedback

實時功能磁共振神經(jīng)反饋系統(tǒng)（real-time functional magnetic resonance imaging，rtfMRI）通過實時處理，可同步觀察和分析腦活動，從而幫助受檢者實現(xiàn)相關(guān)腦區(qū)的自主調(diào)節(jié)。近年來，已有學者通過rtfMRI神經(jīng)反饋系統(tǒng)實現(xiàn)了對局部相關(guān)腦區(qū)的調(diào)節(jié)［1-3］，但由于腦功能結(jié)構(gòu)復雜、地區(qū)差異的影響，尚不確定受試者試驗過程中理解能力不同等因素，基于rtfMRI神經(jīng)反饋系統(tǒng)的運動想象能否自主調(diào)節(jié)初級運動皮層區(qū)（primary motor cortex area，M1區(qū)）仍存在一定的爭議。朱文珍等［4］報道應用實時圖像處理技術(shù)可以準確地進行運動皮層的功能區(qū)定位，但目前國內(nèi)應用rtfMRI進行實時神經(jīng)反饋的研究鮮有報道?；诖耍狙芯窟x取大學本科以上學歷的在校大學生作為研究對象，應用rtfMRI觀察12例正常志愿者對初級運動皮層的調(diào)節(jié)，探討應用rtfMRI神經(jīng)反饋訓練對M1區(qū)的調(diào)節(jié)情況，為臨床應用提供理論基礎。

1 資料與方法

1.1 研究對象 2014年6—12月對12名鄭州大學人民醫(yī)院正常志愿者進行M1區(qū)rtfMRI神經(jīng)反饋訓練，其中男7名，女5名；年齡22～30歲，平均（24.00±0.66）歲，學歷均為大學本科以上，均為右利手，且經(jīng)頭顱MRI掃描無腦內(nèi)病變，無精神疾病及頭顱外傷史，無MRI掃描禁忌證。本研究經(jīng)鄭州大學人民醫(yī)院倫理委員會批準，所有受檢者試驗前均簽署知情同意書。

1.2 rtfMRI系統(tǒng) 課題組搭建的rtfMRI系統(tǒng)，包括GE Discovery 750 3.0T MRI掃描儀、用于數(shù)據(jù)傳輸及在線分析的移動工作站、Turbo-Brain Voyager 1.1（TBV；Brain Innovation，Maastricht，The Netherlands）軟件、視覺刺激儀（深圳市美德醫(yī)療電子技術(shù)有限公司）及給予反饋的投射裝置（圖1［5］）。掃描時，圖像重建工作站重建后的圖像數(shù)據(jù)通過課題組基于TCP/IP協(xié)議開發(fā)的傳輸腳本實時傳輸至移動工作站。移動工作站有2個顯示器，1個用于顯示經(jīng)TBV軟件在線數(shù)據(jù)分析得到的腦激活圖，另1個用于顯示視覺反饋信息。TBV界面主要包括大腦動態(tài)激活圖，所選感興趣區(qū)（ROI）腦區(qū)激活曲線及受檢者的頭動曲線圖（圖2）。

1.3 儀器與方法 采用GE Discovery 750 3.0T MRI掃描儀，使用8通道頭部線圈，為了減少掃描過程中受檢者的頭動，掃描前適當固定受檢者的頭顱。功能像掃描之前先進行軸位T1結(jié)構(gòu)像掃描，掃描參為：TR 8.2 ms，TE 2.26 ms，層數(shù)200，層厚1 mm，翻轉(zhuǎn)角12°，視野256 mm，像素1 mm×1 mm×1 mm，平面空間分辨率256 mm×256 mm。磁共振血氧水平依賴成像（BOLD）功能像數(shù)據(jù)采集采用EPI序列進行，掃描參數(shù)：TR 2000 ms，TE 30 ms，矩陣64×64，層厚4 mm，層間距0，層數(shù)33，翻轉(zhuǎn)角90°，視野24 mm。

1.4 試驗方法 掃描前告知受檢者試驗目的、流程及相關(guān)注意事項，取得受檢者的知情同意及最大程度的配合。試驗前給受檢者展示BOLD-時間信號曲線圖例（圖3）并加以說明，訓練內(nèi)容包括實際對指運動和想象對指運動，大概1 h。每名受檢者調(diào)節(jié)3次，每天調(diào)節(jié)1次，每次包括試驗前訓練、試驗中功能定位和反饋訓練，連續(xù)調(diào)節(jié)3 d。整個試驗過程中，受檢者按時作息，未飲酒、咖啡、茶等刺激性飲料，未參加聚會及劇烈運動。

圖1 tfMRI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［5］。A為GE Discovery 750 3.0T MRI掃描儀；B為MR工作站及操作臺；C為用于數(shù)據(jù)傳輸及在線分析的移動工作站；D為刺激儀以及給予反饋的投射裝置

圖2 TBV界面。左側(cè)為大腦激活圖（圖中腦結(jié)構(gòu)左側(cè)代表右側(cè)解剖位置），紅色與黃色表示該區(qū)域腦組織激活，激活強度最高位于右側(cè)M1區(qū)。右側(cè)上面2個框內(nèi)為對應腦組織激活曲線圖，藍顏色代表靜息，綠色為對指運動任務，每種顏色間隔為30 s。右底部為6方位頭動曲線檢測圖。當時間曲線位于藍色區(qū)域，受檢者執(zhí)行靜息，位于綠色區(qū)域執(zhí)行對指運動任務。曲線代表ROI腦激活程度，曲線升高代表上調(diào)激活

圖3 反饋給受檢者的BOLD-時間信號曲線：縱坐標為BOLD信號，橫坐標為時間?；疑尘按韺χ高\動的BOLD-時間信號曲線，綠色代表靜息的BOLD-時間信號曲線，藍色代表想象運動的BOLD-時間信號曲線。當時間曲線位于灰色區(qū)域執(zhí)行對指運動，位于綠色區(qū)域受檢者執(zhí)行靜息，位于藍色區(qū)域受檢者執(zhí)行意念想象任務

腦功能數(shù)據(jù)采集前先進行T1結(jié)構(gòu)像掃描，用于離線分析自身配準。T1結(jié)構(gòu)像掃描結(jié)束即進入rtfMRI神經(jīng)反饋調(diào)節(jié)階段。rtfMRI神經(jīng)反饋調(diào)節(jié)主要包括功能定位和反饋訓練，均采用Block試驗設計。

功能定位采用30 s靜息與30 s左手對指運動交替進行的方法，共5個循環(huán)，時長5 min 6 s（前6 s數(shù)據(jù)舍棄）。掃描過程中受檢者根據(jù)投影上的提示分別進行相應的任務，所有受檢者均采取左手對指運動，在受檢者進行對指運動的同時，在TBV同步顯示的腦激活圖中勾畫出所選ROI即右側(cè)大腦半球M1區(qū)，在TBV中保存所選ROI。在線數(shù)據(jù)分析在移動工作站TBV軟件上進行，隨著掃描數(shù)據(jù)的不斷傳輸，TBV軟件能夠?qū)崟r呈現(xiàn)動態(tài)腦激活圖、ROI腦區(qū)BOLD-時間變化曲線及受檢者6個方位的頭動曲線（圖2）。

反饋訓練階段采用20 s實際動指、30 s靜息、30 s想象運動交替進行的方法，共進行6個循環(huán)，時長8 min 6 s（前6 s數(shù)據(jù)舍棄）。整個過程均給予神經(jīng)反饋，將功能定位時所選ROI腦區(qū)的調(diào)節(jié)激活圖以連續(xù)曲線的形式反饋給受檢者（圖3），讓受檢者進行M1區(qū)的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程中受檢者可以根據(jù)神經(jīng)反饋曲線用意念想象動指運動，以達到較好的調(diào)節(jié)效果，當時間曲線走到顏色變化區(qū)時切換相應的任務。預先告知受檢者，試驗過程中只能通過想象調(diào)節(jié)相關(guān)腦區(qū)激活，盡量全身放松，避免任何運動對試驗結(jié)果的干擾。

1.5 離線數(shù)據(jù)分析 MRI掃描儀在序列開始的幾個TR時間場強不穩(wěn)定，且受檢者需要時間適應掃描環(huán)境，舍棄前3個TR時間的數(shù)據(jù)。采用SPM頭動校正以排除受檢者因呼吸等因素造成的不可避免的頭動影響，若平動超過1.5 mm、轉(zhuǎn)動超過1.5°，則該組數(shù)據(jù)舍棄。本試驗所有受檢者的數(shù)據(jù)均符合上述要求。為了進行受檢者間比較分析，所有受檢者的數(shù)據(jù)均空間標準化到EPI模板。最后對數(shù)據(jù)進行高斯平滑處理（FWHM=4 mm）以提高信號的信噪比［5-8］。

1.6 統(tǒng)計學方法 采用SPM 8中的廣義線性模型（GLM）對每個受檢者的每個run進行單獨分析，回歸掉6個頭動參數(shù)，然后采用單樣本t檢驗和配對t檢驗進行組分析；組分析結(jié)果均采用基于蒙特卡羅模擬法Alphasim校正，P＜0.05，連續(xù)體素數(shù)目＞85；前后3次訓練的信號變化程度采用單因素方差分析，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 在線結(jié)果觀察 功能定位時可以同時觀察到不同腦區(qū)的激活曲線，對指運動激活腦區(qū)主要分布于兩側(cè)中央前回、中央后回、左右側(cè)小腦半球等腦區(qū)。分別勾選不同的運動相關(guān)腦區(qū)，觀察到小腦激活曲線與ROI激活曲線一致性最好，同側(cè)小腦激活曲線較對側(cè)小腦一致性好，激活強度最高位于右側(cè)M1區(qū)，確定ROI為右側(cè)大腦半球M1區(qū)（圖2）。功能定位時，可以觀察到M1區(qū)的時間-信號曲線波動與靜息-運動任務交替一致（圖2）。反饋訓練時，激活腦區(qū)主要分布于兩側(cè)額葉、左右側(cè)小腦半球等腦區(qū)，激活強度最高位于右側(cè)M1區(qū)，M1區(qū)的時間-信號曲線波動與動指-靜息-想象運動任務交替一致（圖3）。

2.2 離線對指運動及功能訓練腦功能分析結(jié)果 應用組分析（P＜0.05），功能定位腦區(qū)激活主要分布在對側(cè)M1區(qū)、輔助運動區(qū)（supplementary motor area，SMA區(qū)）及同側(cè)小腦（圖4A）。反饋訓練腦區(qū)激活腦區(qū)激活分布在對側(cè)M1區(qū)、SMA區(qū)、同側(cè)額葉及同側(cè)小腦（圖4B）。

2.3 3次功能訓練ROI激活的前后分析 3次試驗ROI即右側(cè)M1區(qū)信號變化程度不同，差異有統(tǒng)計學意義（F=5.58，P＜0.05），隨著神經(jīng)反饋訓練的增加，右側(cè)M1區(qū)的激活信號強度不斷提高（圖5）。

圖4 功能定位及反饋訓練腦區(qū)激活分布。A.功能定位腦區(qū)激活分布圖（圖中腦結(jié)構(gòu)左側(cè)代表右側(cè)解剖位置），主要分布于對側(cè)M1區(qū)、SMA區(qū)及同側(cè)小腦（箭）；B.第3次反饋訓練的腦區(qū)激活分布圖，主要分布于對側(cè)M1區(qū)、SMA區(qū)、同側(cè)額葉及同側(cè)小腦（箭）

圖5 前后3次訓練的信號變化程度單因素方差分析結(jié)果。*P＜0.05，隨著神經(jīng)反饋訓練的增加，M1區(qū)的激活信號強度不斷提高

3 討論

腦功能MRI可以無創(chuàng)性地對人腦的功能活動進行成像，它結(jié)合了功能、影像和解剖3個方面的要素，是一種在活體人腦定位各功能區(qū)的有效方法。rtfMRI技術(shù)是在fMRI基礎上發(fā)展的一種神經(jīng)反饋方法。rtfMRI系統(tǒng)實現(xiàn)全腦功能成像并同步處理，實時反饋給受檢者，為神經(jīng)科學的研究及臨床醫(yī)學的應用提供了方法和手段。本研究應用本課題組搭建的rtfMRI系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時對正常志愿者M1區(qū)的自主調(diào)節(jié)。

以往研究顯示，應用實時神經(jīng)反饋可以調(diào)節(jié)特定相應腦區(qū)［1，9-11］，如運動腦區(qū)的初級運動皮層、前運動皮層及情緒腦區(qū)的杏仁核等，而M1區(qū)是研究最多的運動腦區(qū)之一，以往fMRI研究顯示M1區(qū)活動與實際運動密切相關(guān)。Decharms等［1］研究發(fā)現(xiàn)，通過認知可以誘導出輔助運動區(qū)的激活，小腦的激活可能與大腦相關(guān)運動功能連接有關(guān)；在以往Block設計的fMRI對指運動研究中，同樣也發(fā)現(xiàn)在運動腦通路中小腦通過運動環(huán)路投射至M1區(qū)，同側(cè)小腦激活顯著［11-12］。Ruiz等［13］研究發(fā)現(xiàn)，大腦在執(zhí)行具體的功能時需要多個腦區(qū)共同參與，相互之間以腦網(wǎng)絡的形式共同發(fā)揮作用。Berman等［14］研究顯示，神經(jīng)反饋試驗未能成功激活M1區(qū)，并指出該結(jié)果與以往研究不一致，可能與訓練強度不夠有關(guān)，也可能與運動想象的策略、選擇的腦區(qū)及ROI的范圍有重要關(guān)系。

神經(jīng)反饋的訓練，需要受檢者高度的配合，本研究選擇本科以上學歷的大學實習生作為研究對象，其理解能力較高，可以得到極大程度的配合，獲取的試驗結(jié)果更加可信。以往研究對象的納入標準為排除一般禁忌證的正常志愿者，學歷及年齡無特殊要求。本研究試驗前給予1 h充分訓練，試驗前均達到足夠的訓練強度，以排除訓練強度不一致對結(jié)果的干擾。

本研究應用rtfMRI系統(tǒng)觀察12例正常志愿者M1區(qū)激活，結(jié)果顯示通過運動想象可以達到與實際運動相似的激活。通過在線觀察激活腦區(qū)及離線結(jié)果分析，觀察到M1區(qū)的時間-信號曲線波動與靜息-對指、對指-靜息-想象對指的任務交替一致，想象運動對M1區(qū)的激活可以接近實際對指對M1區(qū)的激活。本研究中受檢者共調(diào)節(jié)3次，每天調(diào)節(jié)1次，連續(xù)調(diào)節(jié)3 d，結(jié)果顯示通過3次訓練，想象對指運動對M1區(qū)激活程度不斷提高，與以往多數(shù)研究［1，15-16］結(jié)果一致。通過rtfMRI神經(jīng)反饋運動想象不斷地訓練，對M1區(qū)調(diào)節(jié)能力會不斷加強，最終可以達到與實際運動相似的激活程度。

此外，試驗過程中觀察到其他一些運動相關(guān)腦區(qū)也有明顯激活，尤其是輔助運動區(qū)和同側(cè)小腦，與既往研究一致。本研究認為同一種運動可能由多個不同腦區(qū)共同參與，因此試驗中會觀察到其他運動相關(guān)腦區(qū)的激活［11-12］。試驗過程中同樣觀察到一些與運動無關(guān)腦區(qū)的激活，但是激活程度低于M1區(qū)，其原因可能為受檢者執(zhí)行想象運動的同時會收到一些視覺、聽覺等刺激信息，會激活相應腦區(qū)，但是激活程度會明顯低于高度注意中的想象運動［13］。

總之，本研究采用課題組搭建的rtfMRI系統(tǒng)，通過運動想象實現(xiàn)M1區(qū)的自主激活，這種特定腦區(qū)的自主調(diào)控，為進一步闡述行為與認知間的神經(jīng)生理學機制及腦功能的臨床研究奠定了基礎，對臨床偏癱患者運動功能康復的輔助治療具有潛在的重要臨床價值。然而，本研究樣本量較小，無法完全排除視覺、聽覺等各方面刺激的影響，有待進一步完善研究。

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（本文編輯 張春輝）

Autonomic Regulation of Primary Motor Cortex Using Real-time Functional Magnetic Resonance Imaging Neural Feedback Training

李永麗

2015-11-27

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.04.001

國家自然科學基金面上項目（81271534）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2012 AA011603）；河南省科技廳科技攻關(guān)項目（2012-2014）（132102310063）；2012度河南省衛(wèi)生廳科技攻關(guān)項目（201202023）。

R445.2