神經(jīng)電流磁場(chǎng)的MRI實(shí)驗(yàn)研究

熊紅川，羅 程，呂 粟，唐鶴菡，吳豈柱，龔啟勇，黃穎玲，堯德中

(1. 電子科技大學(xué)神經(jīng)信息教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610054; 2. 四川大學(xué)華西醫(yī)院磁共振研究中心 成都 610041;3. 四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院 四川 自貢 643000)

神經(jīng)電流磁場(chǎng)的MRI實(shí)驗(yàn)研究

熊紅川1,3，羅 程1，呂 粟2，唐鶴菡2，吳豈柱2，龔啟勇2，黃穎玲1，堯德中1

(1. 電子科技大學(xué)神經(jīng)信息教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610054; 2. 四川大學(xué)華西醫(yī)院磁共振研究中心 成都 610041;3. 四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院 四川 自貢 643000)

利用人類腦電alpha波在睜眼時(shí)被阻斷的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了用磁共振檢測(cè)腦電信號(hào)中最高能量段的alpha波的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，所得磁共振信號(hào)alpha頻段在不同條件下有明顯的改變，且主要在alpha活動(dòng)明顯的枕區(qū)有比較一致的變化，從而初步證明，在特定的條件下，應(yīng)用磁共振檢測(cè)神經(jīng)電流活動(dòng)信號(hào)是可能的。

alpha節(jié)律; 生物電位; 直接檢測(cè); 磁共振成像; 神經(jīng)元

在腦科學(xué)的相關(guān)領(lǐng)域如心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)生理科學(xué)等的研究中，腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)和功能磁共振成像(fMRI)是常用的手段。就技術(shù)而言，它們各具優(yōu)缺點(diǎn)。EEG/MEG有高達(dá)毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率，但空間分辨率只能達(dá)到厘米級(jí)；fMRI的空間分辨率可達(dá)毫米級(jí)。在時(shí)間分辨率上，常用的fMRI技術(shù)是利用神經(jīng)活動(dòng)引起的血氧飽和水平的變化(blood oxygenation level-dependent, BOLD)，由于血液動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)時(shí)間有秒級(jí)的延遲，所以，基于BOLD效應(yīng)的fMRI的時(shí)間分辨率不高，由此得到的激活信號(hào)并不是神經(jīng)活動(dòng)的直接表達(dá)[1]。自fMRI技術(shù)得到應(yīng)用以來，人們就一直考慮能否利用MR直接檢測(cè)神經(jīng)活動(dòng)[2-3]。理論上，有神經(jīng)電流(neuronal current，nc)存在就有相應(yīng)的神經(jīng)磁場(chǎng)(neuronal magnetic field，NMF)存在，因此，MRI技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)對(duì)該弱磁場(chǎng)的檢測(cè)成為需要研究的內(nèi)容。

最近十多年來，有關(guān)nc-MRI的探索工作一直沒有間斷，并可分為以下4類：(1)在水模(phantom)上進(jìn)行的MRI是否可檢測(cè)弱的瞬變電磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)性研究[4]；(2)對(duì)離體腦片的研究[5-6]；(3)對(duì)人腦神經(jīng)活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)性研究[7]；(4)利用簡(jiǎn)化或真實(shí)的神經(jīng)元仿真計(jì)算各種條件下神經(jīng)活動(dòng)引起的MR信號(hào)變化是否達(dá)到可檢測(cè)水平的模型研究[8-11]。在這些研究中，部分結(jié)果表明NMF是可以被直接檢測(cè)的，但也有一些研究未能檢測(cè)到可靠的nc-MRI信號(hào)[12]。

在EEG研究中，alpha節(jié)律阻斷現(xiàn)象是在絕大多數(shù)人類腦電中都能觀察到的一種常見現(xiàn)象[13]。正常人在清醒閉目時(shí)alpha波增強(qiáng)；而在睜眼、思考問題或受到其他的刺激時(shí)，alpha波減弱或消失，該電生理現(xiàn)象稱為alpha波的阻斷，即在兩種不同狀態(tài)下，腦電活動(dòng)的能量在alpha頻段有較大的差異；此后若被試者再度安靜閉目，alpha波又重新出現(xiàn)。由視覺刺激造成的alpha節(jié)律阻斷現(xiàn)象主要出現(xiàn)在枕區(qū)視覺皮層。顯然，如果MR能夠直接檢測(cè)到神經(jīng)元的電流活動(dòng)，則閉眼靜息狀態(tài)下與睜眼(視覺刺激)狀態(tài)下獲取的MR信號(hào)，尤其在枕葉區(qū)域，尤其alpha頻段的幅值也應(yīng)有較大的差異。

本文對(duì)12位被試者進(jìn)行了閉眼靜息和睜眼(視覺刺激)的MR試驗(yàn)，檢測(cè)其MR信號(hào)的幅度變化。實(shí)驗(yàn)范式為分別掃描閉眼靜息和睜眼(視覺刺激)狀態(tài)，以進(jìn)一步探討MRI直接檢測(cè)神經(jīng)電活動(dòng)的可能性。

1 方法與實(shí)驗(yàn)

1.1 被試者

被試者為年齡20～24歲、無腦手術(shù)史的健康男女在校大學(xué)生12名，均已簽署知情同意書。

1.2 MR實(shí)驗(yàn)

在四川大學(xué)華西醫(yī)院磁共振中心GE 3T 磁共振掃描儀上獲得單層、EPI序列，MR數(shù)據(jù)；用機(jī)器可接受的最短TR間隔為40 ms。根據(jù)Nyquist定律，最高可有效檢測(cè)的頻率為12.5 Hz，正好可滿足通常的8～13 Hz的alpha頻段檢測(cè)要求。本文對(duì)掃描斷面取兩個(gè)方向：(1)常規(guī)的軸位斷面，取前后聯(lián)合下一層；(2)包含枕葉視覺皮層的斜位，斷面盡可能多包含灰質(zhì)。具體參數(shù)如下：TR(repetition time)=40 ms，TE(echo time)=15.7 ms，翻轉(zhuǎn)角FA(flip angle)= 22.4°，F(xiàn)OV(field of view)=24 cm×24 cm，成像矩陣為64行、64列，體素= 3.75 mm×3.75 mm×5.00 mm，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為512個(gè)時(shí)間抽樣點(diǎn)。掃描同層T1加權(quán)解剖像以便疊加顯示。實(shí)驗(yàn)范式為30 s閉眼、30 s睜眼視覺刺激。在每次掃描開始之前，針對(duì)不同條件的block，被試者都會(huì)被要求睜眼或閉眼。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文對(duì)獲得的MR數(shù)據(jù)首先用SPM的Realign作預(yù)處理，以消除運(yùn)動(dòng)誤差。由于數(shù)據(jù)的最初部分是在機(jī)器不穩(wěn)定時(shí)候獲得的，遠(yuǎn)偏離均值，所以拋棄數(shù)據(jù)的前72點(diǎn)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度即為440個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)被試者的數(shù)據(jù)，用手動(dòng)方法做出大腦模板(即去除顱骨及以外區(qū)域)，數(shù)據(jù)處理僅針對(duì)模板內(nèi)數(shù)據(jù)。

通過與解剖像匹配，對(duì)于軸位斷面分別取出白質(zhì)和腦脊液信號(hào)疊加平均，并作為回歸項(xiàng)，以消減腦脊液脈動(dòng)和白質(zhì)專屬信號(hào)對(duì)模板內(nèi)其他信號(hào)的影響。

1.3.2 頻譜分析

對(duì)原始數(shù)據(jù)作上述預(yù)處理后，本文對(duì)數(shù)據(jù)作頻譜分析，檢查alpha頻段(8～13 Hz)能量在不同狀態(tài)下的變化，以考察腦電的alpha節(jié)律阻斷現(xiàn)象是否能被MR檢測(cè)到。由于不同被試者間的alpha能量大小的個(gè)體差異較大，所得結(jié)果無法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。為此，以被試者自己靜息時(shí)的alpha頻段的能量為基準(zhǔn)對(duì)兩狀態(tài)下的能量歸一化，然后對(duì)兩狀態(tài)的alpha頻段能量作統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，考查用MR信號(hào)是否可檢測(cè)到alpha頻段的阻斷現(xiàn)象。

1.3.3 相關(guān)分析

進(jìn)一步，本文對(duì)其中一位被試者的軸位斷面數(shù)據(jù)，在其視覺皮層區(qū)取3×3像素大小的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，疊加平均后作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與全斷面做相關(guān)分析，以此觀察全斷面信號(hào)與ROI信號(hào)的一致性。在此基礎(chǔ)上，又對(duì)全斷面信號(hào)做8 Hz以上的高通濾波，并在相同區(qū)域取一3×3大小的ROI，疊加平均后作為種子信號(hào)與全斷面做相關(guān)分析，以此觀察全斷面信號(hào)與ROI信號(hào)的一致性，從而判斷信號(hào)高頻成分的可信度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

12位被試者歸一化后在睜閉眼狀態(tài)下alpha頻段(8～12.5 Hz)能量如表1所示，歸一化方法如頻譜分析所述。由表1可以看出，高頻段時(shí)，在大多數(shù)被試者中，閉眼靜息時(shí)的能量明顯高于睜眼或視覺刺激狀態(tài)，與EEG的alpha節(jié)律阻斷現(xiàn)象一致，說明檢測(cè)到高頻段MR信號(hào)是真實(shí)可信的。顯著性檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(F=7.73，P<0.010 9)，統(tǒng)計(jì)方法為方差分析(ANOVAL)。結(jié)果表明，以被試者自己靜息狀態(tài)下能量為基準(zhǔn)歸一化后，兩狀態(tài)下高頻能量的差異是顯著的，即在睜眼狀態(tài)下，被試者的高頻段能量較閉眼靜息減少，在統(tǒng)計(jì)意義上是可信的。

表1 以被試者自己閉眼狀態(tài)能量為基準(zhǔn)歸一化后，睜眼狀態(tài)下alpha頻段(8～12.5 Hz)的能量

第1號(hào)被試者的數(shù)據(jù)如圖1所示，按數(shù)據(jù)分析中所述步驟進(jìn)行預(yù)先處理。然后在枕區(qū)視覺皮層取一3×3大小的ROI，其中心為(35, 49)，如圖1a所示。將ROI內(nèi)信號(hào)疊加平均后作為種子(Seed)，對(duì)模板內(nèi)的各點(diǎn)作相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)分布如圖1b所示。由圖1b可以看出，左右枕區(qū)的信號(hào)有極高的相關(guān)度，說明枕區(qū)信號(hào)有很好的區(qū)域一致性，屬于同一默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)，與已知的事實(shí)相符。由此說明實(shí)驗(yàn)所得到的MR信號(hào)并非隨機(jī)信號(hào)，而是實(shí)際檢測(cè)到的生理信號(hào)。圖1b是0～12.5 Hz全部信號(hào)的結(jié)果，即相關(guān)MRI信號(hào)同時(shí)包括了alpha和其他頻段的信號(hào)。

圖1 枕區(qū)ROI信號(hào)與全斷面信號(hào)的相關(guān)系數(shù)分布

為進(jìn)一步考察alpha高頻段信號(hào)的真實(shí)性，本文對(duì)全腦信號(hào)做8 Hz以上的高通濾波，在相同區(qū)域取一3×3大小的ROI，疊加平均后作為種子與全斷面做相關(guān)分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 8～12.5 Hz枕區(qū)ROI信號(hào)與全斷面信號(hào)的相關(guān)系數(shù)分布

圖2表明，與圖1b相似，ROI鄰域及相應(yīng)對(duì)側(cè)有較大的相關(guān)，可以認(rèn)為在這些高相關(guān)區(qū)域的信號(hào)有共同的活動(dòng)模式。在所得的相關(guān)性中，高頻信號(hào)也具有一致性，即在高頻部分，實(shí)驗(yàn)所得到的MR信號(hào)并非隨機(jī)信號(hào)，而是實(shí)際檢測(cè)到的生理信號(hào)。且由相關(guān)系數(shù)的分布可知，相較于圖1的全頻信號(hào)，這種相關(guān)更多地與灰質(zhì)的分布有密切的聯(lián)系。由于信號(hào)為高頻的alpha頻段，又與灰質(zhì)相關(guān)，因此，可以認(rèn)為這種高頻信號(hào)與高頻的神經(jīng)磁場(chǎng)NMF相關(guān)。

3 討 論

雖然有許多水模、離體組織和理論計(jì)算等方法的研究暗示了nc-MRI的可行性，但現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果不理想，雖有成功的報(bào)道，也很難重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最早使用誘發(fā)反應(yīng)[3,7]的nc-MRI報(bào)告得出的結(jié)論為幅度變化占優(yōu)并且強(qiáng)度能達(dá)到1%，因此相較于BOLD效應(yīng)具有可比性。然而，使用完全相同的實(shí)驗(yàn)范式，有人能成功重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]，而有的研究卻未能重復(fù)[12]。在對(duì)蝸牛神經(jīng)節(jié)的研究中[5]，也報(bào)告了檢測(cè)到非常大的信號(hào)變化(5%)，一方面是由于沒有BOLD效應(yīng)的影響；另一方面可能是該研究憑借的軸突尺寸巨大，從而減小了部分容積效應(yīng)和較小的成像體素。

本文的研究結(jié)果顯示，在高頻段、閉眼靜息狀態(tài)下，MR信號(hào)幅度變化的功率高于睜眼(視覺刺激)狀態(tài)的功率，與熟知的人腦腦電alpha節(jié)律的阻斷現(xiàn)象吻合，表明本文檢測(cè)到的高頻段MR信號(hào)是真實(shí)可信的。圖2的結(jié)果則證明，在圖1所得的相關(guān)性中，高頻信號(hào)在枕區(qū)的一致性是其主要原因。即在高頻部分，實(shí)驗(yàn)所得到的MR信號(hào)并非隨機(jī)信號(hào)，而是實(shí)際檢測(cè)到的生理信號(hào)。由此可以認(rèn)為MR能夠檢測(cè)到高頻信號(hào)(8 Hz以上)，并且該信號(hào)和灰質(zhì)的分布有密切的聯(lián)系。而在腦組織的信號(hào)中，常規(guī)的生理信號(hào)，如呼吸、心沖擊脈動(dòng)、生理代謝導(dǎo)致的化學(xué)變化、BOLD效應(yīng)等都是低頻變化的信號(hào)，唯有神經(jīng)電沖動(dòng)導(dǎo)致的NMF是高頻變化的，雖然實(shí)驗(yàn)中所檢測(cè)體素的高頻信號(hào)的組成還不清楚，但已顯示神經(jīng)電沖動(dòng)導(dǎo)致的NMF高頻變化應(yīng)是其中的重要成份，所檢測(cè)到的高頻信號(hào)理應(yīng)就是NMF造成的MR信號(hào)變化。然而，也有被試的功率譜(PSD)在高頻段的睜閉眼狀態(tài)并無明顯區(qū)別。造成該現(xiàn)象可能有以下的因素：(1)被試者的alpha節(jié)律阻斷不明顯；(2)與掃描截面的位置和朝向有關(guān)；(3)被試者的腦電活動(dòng)強(qiáng)度不大，以至被噪聲淹沒。當(dāng)然，本文的工作作為關(guān)于MR直接檢測(cè)神經(jīng)電活動(dòng)的探索性研究，雖然得到了一些積極的結(jié)果，但直接的信號(hào)質(zhì)量不高，難以直接應(yīng)用。在今后的工作中會(huì)在理論數(shù)值仿真、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、后期數(shù)據(jù)處理等多方面對(duì)該問題做更深入的研究，以證實(shí)MR直接檢測(cè)神經(jīng)電活動(dòng)的可行性或提供可檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)方案。

[1]GRINVALD A, SLOVIN H, VANZETTA I. Non-invasive visualization of cortical columns by fMRI[J]. Nat Neurosci,2000, 3: 105-107.

[2]SCOTT G C, JOY M L, ARMSTRONG R L, et al. RF current density imaging in homogeneous media[J]. Magn Reson Med, 1992, 28: 186-201.

[3]KAMEI H, IRAMINA K, YOSHIKAWA K, et al. Neuronal current distribution imaging using magnetic resonance[J].IEEE Trans Magn, 1999, 35: 4109-4111.

[4]BODURKA J, JESMANOWICZ A, HYDE J S, et al.Current-induced magnetic resonance phase imaging[J]. J Magn Reson, 1999, 137: 265-271.

[5]PARK T S, LEE SANG Y, PARK J H, et al. Observation of the fast response of a magnetic resonance signal to neuronal activity: a snail ganglia study[J]. Physical Meas, 2006, 27:181-190.

[6]PETRIDOU N, PLENZ D, SILVIA A C, et al. Direct magnetic resonance detection of neuronal electrical activity[J]. Proc Nat Acad Sci, 2006, 103: 16015-16020.

[7]XIONG Jin-hu, FOX P T, GAO Jia-hong. Directly mapping magnetic field effects of neuronal activity by magnetic resonance imaging[J]. Hum Brain Mapp, 2003, 20: 41-49.

[8]KONN D, LEACH S, GOWLAND P, et al. Initial attempts at directly detecting alpha wave activity in the brain using MR[J]. Magn Reson Imaging, 2004, 22: 1413-1427.

[9]XUE Yi-qun, GAO Jia-hong, XIONG Jin-hu. Direct MRI detection of neuronal magnetic field in the brain: theoretical modelling[J]. NeuroImage, 2006, 31(2): 550-559.

[10]XIONG Hong-chuan, HUANG Yin-ling, HU Zhao-tong, et al. Simulation study of the dendritic effect on direct MRI detection of neural electric event[J]. Journal of Electronic Science and Technology of China, 2009, 7(1): 92-95.

[11]HUANG Yin-ling, XIONG Hong-chuan, YAO De-zhong.Direct MRI detection of the neuronal magnetic field: the effect of the dendrite branch[J]. Physics in Medicine and Biology, 2010, 55(18): 5599-5616.

[12]CHU R, DE ZWART J A, VAN GELDEREN P, et al.Hunting for neuronal currents: absence of rapid MRI signal changes during visual-evoked response[J]. NeuroImage,2004, 23(3): 1059-1067.

[13]LOPES D A SILVA F H, STORM VAN LEEUWEN L W.The cortical source of alpha rhythm[J]. Neurosci Lett, 1977,6: 237-241.

編 輯 黃 莘

MRI Experiment Study on Neuronal Current Magnetic Field

XIONG Hong-chuan1,3, LUO Cheng1, Lü Su2, TANG He-han2, WU Qi-zhu2,GONG Qi-yong2, HUANG Ying-ling1, and YAO De-zhong1

(1. Key Laboratory for NeuroInformation of Ministry of Education, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054;2. Huaxi MR Research Center, West China Hospital, Sichuan University Chengdu 610041;3. School of Automation and Eletronic Information, Sichuan University of Science & Engineering Zigong Sichuan 643000)

Neuronal current magnetic resonance imaging (nc-MRI)can improve the temporal resolution of functional magnetic resonance imaging (fMRI). To explore the feasibility of the nc-MRI, an experiment is designed by, using MR to detect the differences of alpha wave activity under different conditions. One of the conditions is in the darkness with eyes closed to promote alpha wave activity and the other is a visual stimulus with eyes opened to suppress alpha wave activity. Our results show that the MR signal obtained in the alpha band changes significantly,and the changes in the occipital area where the alpha activity is prominent are more consistent. that means, in particular conditions, it is possible to apply nc-MRI to detect neuronal current activity.

alpha rhythm; bioelectric potential; direct detection; magnetic resonance imaging;neuron

TNQ81

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.06.030

2009- 05- 10;

2009- 12- 23

國(guó)家自然科學(xué)基金(60571019, 30525030)

熊紅川(1968- )，男，博士，主要從事腦電節(jié)律方面的研究.

book=951,ebook=399

·機(jī)械電子工程·