时空点过程重构的静息态fMRI动态有向脑连接研究

Resting state fMRI is a powerful noninvasive neuroimaging technique that is being increasingly used to detect a marker of the brain in health and disease, in particular by looking at how the dynamics of different brain regions is correlated over time. Point processes in the blood oxygenation level dependent (BOLD) signal enable us to track and reconstruct the spontaneous brain activity only using a few time points from resting state fMRI. However, the neurophysiological basis of point process is still unclear. This project will be developed across three main points: 1). Through the use of simultaneous EEG and fMRI we will be able to map the correspondence between spatial and temporal EEG features and BOLD events. In this way we will validate our theory and gain further insight on the hemodynamic coupling in health and disease. 2). The voxel-wise hemodynamic response function (HRF) will be deconvolved from the BOLD time series. After that a time-varying sparse Granger causality algorithm will be developed to track the information flow at fine scale across the whole brain. 3). We will track modifications to this baseline levels of HRF and information flow in neuropathic pain, to see how disease affects brain physiology and function. In synthesis, this project will provide advances both to the methodology of neuroimaging research, and to its application to neurological disease.

静息态功能磁共振（fMRI）探索人脑神经活动机制是脑科学研究的重点。静息态fMRI点过程事件方法提出可以通过仅有的少数几个时间点来理解和重构大脑的自发活动过程，但其所对应的神经生理机制依然缺乏系统研究。基于此，1)拟用同步EEG-fMRI技术，为fMRI的点过程提供电生理证据。并针对空间邻接脑区的时间过程具有相干性，发展时空点过程探测的新方法。 2)通过点过程事件重构静息态下的血液动力学响应图谱，并发展时变稀疏格兰杰因果算法，动态追踪点过程事件所对应的全脑信息传输图谱，分析点过程事件的脑功能分化和整合机制。3) 神经病理性疼痛是一种难治性中枢疾患，其中枢机制尚未完全清楚，我们拟用点过程分析方法探测病患异常的脑功能时空模式，为该疾病的诊断和疗效评价提供一个客观的指标。本研究为理解大脑静息态fMRI点过程提供神经生理依据，补充和丰富脑连接图谱的研究。同时，也可能为神经病理性疼痛提供影像学标记。

静息态BOLD点过程事件方法通过少数几个时间点来理解和重构大脑的自发活动，但其神经生理机制依然缺乏系统研究。基于此，本项目：1) 发展和完善了点过程分析算法，利用多模态数据，如同步LFP-OSI和EEG-fMRI等技术，为BOLD点过程事件提供了电生理证据。2) 通过点过程事件重构静息态下的血液动力学响应图谱，发现生理信号对静息态血液动力学响应的影响主要集中在脑干及其附近区域；进一步研究发现心率变异性与这些脑区的解剖结构和脑连接网络有关联。3) 发展了时变的动态脑连接分析算法，分析点过程的脑功能网络基础，并将其应用于临床数据。本项目为静息态BOLD点过程提供神经生理依据，补充和丰富了脑功能活动与脑连接图谱的研究，为临床应用提供一些新的影像学指标。