基于BOLD-fMRI的脑卒中运动神经可塑性与运动功能评价的建模研究

本项目通过BOLD-fMRI全脑扫描技术，对脑卒中患者在急性、亚急性、慢性期的运动神经功能康复过程进行连续监测，采用最大互信息法对基于BOLD-fMRI的脑卒中康复期运动相关神经功能皮层进行精确定位。在此基础上，建立两个量化模型：（1）对不同运动相关神经功能皮层间的阶段性代偿和耦合变化机制进行深入研究，建立基于神经可塑性的脑卒中康复期运动相关神经功能皮层激活的动态量化模型；（2）深入研究脑卒中患者不同运动相关神经功能皮层区激活与神经功能康复、以及神经功能康复与运动功能康复之间的复杂相关机制，从内部的神经生理学角度建立基于BOLD-fMRI的脑卒中康复期运动功能评价的量化模型。通过定量建模，探索脑卒中患者运动神经可塑性的内在机理，为康复期脑卒中运动功能评价提供新的方法，以进一步指导临床康复治疗，发现和探讨新的诊治手段和可能的干预措施，促进疾病状态下最大限度的功能恢复，具有潜在的临床应用前

目前人们对大脑损伤后脑神经系统功能改变与重建过程的生理机制还知之甚少，脑卒中后神经功能的评估还缺乏有效的方法。针对上述问题，本项目从网络连接水平对脑卒中后运动相关神经功能皮层间的代偿和耦合变化机制、以及脑卒中后运动神经功能评估方法进行了研究，取得了一系列研究成果，完成了项目预期的研究任务。设计了合理的实验范式，获取了脑卒中病人组和健康对照组的BOLD-fMRI图像数据。将图像灰度空间分布信息引入基于互信息的图像配准方法，给出了相应的表征图像灰度空间分布信息的权重矩阵，提高了图像配准的正确率及算法的鲁棒性。为了研究特定任务神经功能皮层激活动态过程交互关系的变化，采用结构方程（SEM）进行脑卒中后运动相关神经功能皮层激活的量化建模，得到了健康对照组和脑卒中组对指/屈腕的SEM网络连接模型；基于这些模型，针对运动相关神经功能皮层间的代偿和耦合变化机制，讨论分析了感兴趣皮层区域间连接关系的动态变化，得到了一些有意义的研究结论；采用FNC和Granger因果建模方法，进行了运动相关神经皮层的网络连接建模与分析，其结果验证了SEM的相关研究结论。为了获取合理的脑卒中后运动神经功能评估指标，采用复杂网络建模方法，建立了健康对照组和脑卒中组的全脑神经功能皮层网络模型；基于这些模型，讨论了脑卒中后相关网络拓扑特性的动态改变，对脑卒中后神经可塑的演化机制进行了仿真，进而得到了较好的网络水平神经功能评估指标；基于这些指标，采用支持向量机在有限样本下获得优化辨识，进行脑卒中后运动神经功能的评估；将该方法推广到衰老过程以及SCI的神经功能评估，研究结果验证了评估方法的合理性。.该研究对于推动脑卒中后神经可塑及神经功能重组机制的研究工作、促进神经科学与信息科学的交叉创新具有重要的理论和现实意义，并为神经损伤后神经功能评估提供了新模型和新方法，有利于发现和探讨新的诊治手段和可能的干预措施，为临床康复治疗提供依据。另外，在该领域取得的研究成果还可为大脑其它认知领域的研究提供新思路和新方法。