基于組獨(dú)立成分分析的情緒刺激功能磁共振成像研究

周春宇，武杰

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海, 200093)

0 引言

情緒是內(nèi)心情感的外在表現(xiàn)形式，既能在一定程度上體現(xiàn)個人思想、 行為的生理及心理狀態(tài)，也能反應(yīng)個人主觀認(rèn)知水平的變化情況。情緒狀態(tài)是影響人體認(rèn)知執(zhí)行水平、 誘發(fā)腦疾病的重要因素，如何促使腦部激活區(qū)域更好地面對情緒波動，已經(jīng)成為腦科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究內(nèi)容[1-2]。根據(jù)現(xiàn)有資料記載可知，在過去較長的一段時間內(nèi)，我國腦科學(xué)研究單位主要依靠獨(dú)立成分分析方法，研究腦部激活區(qū)域在情緒刺激中的變化情況。獨(dú)立成分分析在不依靠假設(shè)條件的情況下，分離提取由情緒刺激帶來的人體生理性變化指標(biāo)，再在既定腦組織區(qū)域內(nèi)，對比這些指標(biāo)與理想數(shù)據(jù)間的差值，進(jìn)而得出腦部激活區(qū)域?qū)η榫w刺激的應(yīng)變情況[3-4]。但這種方法不能充分提取各腦組織的共同特性，為解決上述問題，在保留獨(dú)立成分分析方法應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對所有腦組織進(jìn)行跨個體融合，建立一種組獨(dú)立成分分析方法，并利用該方法探究腦部激活區(qū)域?qū)φ?負(fù)性情緒的準(zhǔn)確處理機(jī)制。

1 組獨(dú)立成分分析方法的內(nèi)涵研究

簡單的ICA處理能夠有效地分離單個被試者的腦區(qū)激活圖及其對應(yīng)的時間進(jìn)程，此方法可以被用來提取fMRI數(shù)據(jù)中的源信號，對于用作數(shù)據(jù)的預(yù)處理是一個非常靈活并且有效的方法。如圖1所示，是ICA方法分離數(shù)據(jù)源信號的模式。假設(shè)在不同位置v上存在的產(chǎn)生信號的信號源個數(shù)為N個，其中第i個源信號定義為Si(v)。

圖1 ICA應(yīng)用于 fMRI 數(shù)據(jù)處理框架Fig.1 Data processing framework of ICA applied to fMRI

但是，如果將處理所得的數(shù)據(jù)具有“大數(shù)據(jù)”的統(tǒng)計學(xué)意義，需要將多個被試者在同樣狀態(tài)下進(jìn)行測試，即以“組”的形式呈現(xiàn)。本文所使用的 fMRI 數(shù)據(jù)都是來自于成“組”的數(shù)據(jù)，即將參與同一實(shí)驗(yàn)的多個被試者的數(shù)據(jù)統(tǒng)一加以處理和分析。

不過組 ICA 在某些計算過程中與ICA的計算原理有所不同或更為復(fù)雜。 這些過程主要分為兩方面：

圖2 組ICA應(yīng)用于fMRI數(shù)據(jù)處理框架Fig.2 Data processing framework of Group ICA applied to fMRI

(1)獨(dú)立成分?jǐn)?shù)目的估算。一個“組”的血氧水平信號既有相同之處也有不同之處，組ICA的處理對象是所有被試者的數(shù)據(jù)信號混疊起來的信號集合，所有獨(dú)立成分?jǐn)?shù)目的估算也有相對復(fù)雜的計算公式。

(2)跨個體的獨(dú)立成分的融合。組獨(dú)立成分分析計算得出的獨(dú)立成分是基于多個被試者的血氧信號(BOLD)。每個被試者的fMRI信號先經(jīng)過預(yù)處理，然后分別進(jìn)行降維處理。然后所有被試者的信號級聯(lián)在一起形成一個數(shù)據(jù)集。這個數(shù)據(jù)集再經(jīng)過一步降維過程才形成可以由 ICA處理的數(shù)據(jù)矩陣。也就是說，與ICA相比，組成分 ICA多出了一步數(shù)據(jù)疊加和降維過程。

2 聚類及可視化的可靠性評估方法(ICASSO)

首先，由于組獨(dú)立成分分析的過程中有限的樣本容量導(dǎo)致了估計中的統(tǒng)計誤差。其次，真實(shí)的數(shù)據(jù)沒有完全遵循ICA模型，對比函數(shù)用于估計可能會有很多局部最小值都一樣好，或者實(shí)用算法可能并不總是正確執(zhí)行，例如陷于局部最小值和強(qiáng)烈對比的次優(yōu)值函數(shù)。便于下文選取可靠性高的獨(dú)立成分所代表的意義進(jìn)行重點(diǎn)分析，我們需引入可靠性的概念，本文中相似度與可靠性成正比，即相似度高則可靠性高，反之亦然。我們假設(shè)如公式(1)，獨(dú)立成分分析的解混矩陣為w。另外，矩陣x的協(xié)方差矩陣我們設(shè)為ε。我們引入相似度的概念，我們把相似度高的獨(dú)立成分歸為一類，低的列為不同類。我們設(shè)矩陣S為相似度矩陣。則

S=wεwT

(1)

3 情緒刺激對腦部激活區(qū)域研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計

3.1 實(shí)驗(yàn)

選取50名身體健康、 精神狀態(tài)正常的成年人作為實(shí)驗(yàn)對象，通過隨機(jī)分配方法將其平均分為實(shí)驗(yàn)組和對照組，每組25人。利用Siemens Trio 3.0 T MRI儀器對所有實(shí)驗(yàn)人員腦組織進(jìn)行深度掃描，排除隱性腦腫瘤、 腦梗死等原因?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。根據(jù)儀器掃描結(jié)果繪制定位圖像，再結(jié)合投射儀對所有實(shí)驗(yàn)人員的腦組織進(jìn)行情緒刺激。為避免深入腦組織內(nèi)部對實(shí)驗(yàn)人員造成不必要的身體損傷，本次實(shí)驗(yàn)采取肉眼觀看不同情緒圖片的方式，對實(shí)驗(yàn)人員腦激活區(qū)域進(jìn)行情緒刺激。在操作過程中，若實(shí)驗(yàn)對象肉眼所見圖片為“正性”表情，則要求該名實(shí)驗(yàn)對象點(diǎn)擊左側(cè)固定按鍵； 若實(shí)驗(yàn)對象肉眼所見圖片為“負(fù)性”表情，則要求該名實(shí)驗(yàn)對象點(diǎn)擊右側(cè)固定按鍵。所有實(shí)驗(yàn)用圖片數(shù)量均為15，整個實(shí)驗(yàn)過程中圖片均維持隨機(jī)出現(xiàn)狀態(tài)，每幅圖片出現(xiàn)持續(xù)時間為2 s，每隔2 s時間出現(xiàn)下一幅圖片。整個磁共振掃描參數(shù)的基本設(shè)置如表1所示。

表1 磁共振掃描參數(shù)設(shè)置表Tab.1 Magnetic resonance scan parameter setting table

3.2 組獨(dú)立成分選取結(jié)果的可靠性分析

利用ICASSO工具包進(jìn)行處理，設(shè)置Fast-ICA算法的運(yùn)行次數(shù)為50次來篩選出可靠性高的獨(dú)立成分。圖3、 圖4是正性和負(fù)性情緒刺激下，腦部組織的類二維空間分布圖。

圖3 正性情緒獨(dú)立成分的類二維空間分布圖Fig.3 Two-dimensional spatial distribution of positive emotional independent components

圖4 負(fù)性情緒獨(dú)立成分的類二維空間分布圖Fig.4 Two-dimensional spatial distribution of negative emotional independent components

圖4中獨(dú)立成分分析的結(jié)果中的每個區(qū)域表示一個類，紅色表示類與類之間的相似度，黑色(1～0.9)越深表示相似度越高。當(dāng)兩個或幾個類之間的相似度超過0.9時，則可以視為同一個類，由圖4可見，十二個獨(dú)立成分互相之間未出現(xiàn)黑色區(qū)域，即未形成明顯的聚類相似度。說明是一個獨(dú)立成分可以看作十二個類。因此可以從兩組數(shù)據(jù)中觀察到同樣的結(jié)論： 即各個獨(dú)立成分之間的聚類相似度低，可以各自視為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。其中代表左側(cè)背外側(cè)前額葉皮質(zhì)的成分 2 和代表高級視覺網(wǎng)絡(luò)的成分9 聚類質(zhì)量最佳。由于實(shí)驗(yàn)范式的原因，視覺區(qū)域會在本次實(shí)驗(yàn)中充當(dāng)重要角色。執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的作用將會在下文中探討。

圖4中消極情緒的諸多獨(dú)立成分中，代表楔葉右側(cè)的成分5和代表執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的成分10的聚類指數(shù)最高。這兩個區(qū)域的功能將在下文重點(diǎn)探討。

3.3 正性情緒下的腦部激活區(qū)域

從上可知，成分9有著良好的聚類可靠性，可以作為節(jié)點(diǎn)來加以探討。圖4包含了成分9的空間分布圖、 時間進(jìn)程序列圖及其與fMRI總體信號時間進(jìn)程的對比。由該圖IC9的空間激活圖可以觀察出，杏仁核附近的區(qū)域十分活躍。而且從時間序列圖可以觀察出，IC9和杏仁核周圍的BOLD信號，有著較好的同步性。另外，從功能聯(lián)結(jié)圖中可以發(fā)現(xiàn)，IC9與IC6 和IC2有著明顯的相關(guān)性。有大量文獻(xiàn)表明，杏仁核在情緒信息的處理整合過程中有著核心節(jié)點(diǎn)的地位[15-16]。本研究的結(jié)果以新的方式，佐證了該理論的有效性。

圖5a 積極情緒成分9的空間激活圖Fig.5a Spatial activation map of positive emotional component 9圖5b 成分9激活區(qū)所在像素點(diǎn)的總體fMRI信號時間序列Fig.5b Overall fMRI signal time series of the pixels in the activation zone of component 9圖5c 成分9在激活區(qū)像素點(diǎn)的時間序列Fig.5c Time series of pixels of component 9 in the activation region

圖6a 積極情緒成分6的空間激活圖Fig.6a Spatial activation map of positive emotional component 6圖6b 成分6激活區(qū)所在像素點(diǎn)的總體fMRI信號時間序列Fig.6b Overall fMRI signal time series of the pixels in the activation zone of component 6圖6c 成分6在激活區(qū)像素點(diǎn)的時間序列Fig.6c Time series of pixels of component 6 in the activation region

圖7a 積極情緒成分2的空間激活圖Fig.7a Spatial activation map of positive emotional component 2圖7b 成分2激活區(qū)所在像素點(diǎn)的總體fMRI信號時間序列Fig.7b Overall fMRI signal time series of the pixels in the activation zone of component 2圖7c 成分2在激活區(qū)像素點(diǎn)的時間序列Fig.7c Time series of pixels of component 2 in the activation region

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果和獨(dú)立成分的評估結(jié)果，成分6有著最好的聚類質(zhì)量，而成分2的聚類質(zhì)量也比較良好，可以作為參考性較強(qiáng)的獨(dú)立成分來探討。這兩個成分所代表的區(qū)域?yàn)樽髠?cè)背側(cè)前額葉(Dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)，有文獻(xiàn)認(rèn)為這部分區(qū)域參與記憶、 控制和執(zhí)行[17-18]。

3.4 負(fù)性情緒下的腦部激活區(qū)域

從上文可知，成分05和成分10有著良好的聚類可靠性，對于負(fù)面情緒的刺激來說： 楔葉右側(cè)(IC5)、 左側(cè)顳葉與額葉臨近的區(qū)域 (IC3、 12)分別以不同的時間進(jìn)程與上述區(qū)域產(chǎn)生高度相關(guān)性。有文獻(xiàn)指出抑郁癥[12]患者右側(cè)顳極上部右側(cè)梭狀回(AAL56&56)、 右側(cè)海馬(AAL38 )、 左右側(cè)尾狀核(AAL 71&72)、 左側(cè)后扣帶回(AAL 35)、 左側(cè)中扣帶回(AAL 33)、 左側(cè)顳極上部(AAL 83)、 右側(cè)楔前葉(AAL 68)等腦區(qū)比對照組更為活躍。而本文所得出的空間獨(dú)立成分 IC9 準(zhǔn)確反映了右側(cè)楔前葉的活躍性。而右側(cè)海馬 (AAL 38 )左側(cè)后扣帶回(AAL 35)、 左側(cè)中扣帶回(AAL 33)處于 IC6 的附 近區(qū)域。右側(cè)尾狀核(AAL 72)也與 IC1 和 IC11 所反映的區(qū)域相近。

進(jìn)一步對相應(yīng)的腦網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)性進(jìn)行分析可以看出，右側(cè)丘腦和左側(cè)三角部額下回產(chǎn)生高度相關(guān)性，以及楔前葉(IC9)與杏仁核、 丘腦和蒼白球等附近腦區(qū)產(chǎn)生高度相關(guān)性。這些腦區(qū)之間的聯(lián)系與處理情緒信息的皮層-丘腦枕核-皮層通路[14]有著高度的契合。有文獻(xiàn)表明皮層[19](包括視覺皮層、 前額葉及小腦皮層)-邊緣系統(tǒng)紋狀體-丘腦環(huán)路腦區(qū)結(jié)構(gòu)異常與抑郁癥的形成關(guān)系密切。以上結(jié)果表明獨(dú)立成分分析可以作為驗(yàn)證皮層-丘腦枕核-皮層環(huán)路機(jī)制的有效方法。

4 結(jié)束語

根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在積極和消極情緒產(chǎn)生過程中杏仁核起到關(guān)鍵的核心作用從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在正性情緒狀態(tài)下，語言網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)得較為活躍，并且其與左腦的凸顯網(wǎng)絡(luò)、 顳葉和額中回有著更強(qiáng)的連結(jié)性，這些區(qū)域和認(rèn)知上的處理以及信息的處理方面有關(guān)。本文由此推斷在神經(jīng)機(jī)制的研究意義上，正性情緒對于認(rèn)知水平有促進(jìn)作用，更明顯地激活語言區(qū)域等高級腦區(qū)，并且與左側(cè)額中回—顳葉—腦島—海馬旁回通路有關(guān)。

在負(fù)性情緒條件下，整體上各個成分相互之間的聯(lián)結(jié)性普遍下降。說明在同一時間能夠一起激活的腦區(qū)較小，可能與負(fù)性情緒抑制認(rèn)知活動的處理過程有關(guān)。特別是在左側(cè)楔前葉部分，在正性情緒下該部位視覺區(qū)域、 腦島、 背外側(cè)前額葉皮質(zhì)以及后扣帶回關(guān)聯(lián)緊密。而在負(fù)性情緒下，與該部位共同活躍的區(qū)域明顯較少，類似的情況在后扣帶皮層也比較明顯。由此可知，患者所存在的認(rèn)知水平下降很可能與左側(cè)楔前葉和右側(cè)后扣帶回區(qū)域的代謝下降有關(guān)聯(lián)。