脑血流灌注和脑氧代谢功能磁共振成像的定量研究

Cerebral blood flow (CBF) and its oxygen metabolism are highly crucial for maintaining human brain functions. The development and establishment of their quantitative evaluation system and noninvasively functional imaging technology have enormous scientific significance and extensive prospects of medical application on human brain healthcare. The aim of this project is to investigate and establish the quantitative relationship between CBF and cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) using functional magnetic resonance imaging (fMRI). The experiments will involve three groups of cognitively healthy subjects with a spectrum of agedness (the young, the middle-aged, and the aged), and one group of aged patients with mild cognitive impairment, where each group is evenly composed of men and women. During the fMRI scanning, the subjects will be introduced to perform experimental tasks in visual, motor and working memory under either controlled hypoxia or normal room air, which allow us to investigate the covariations of the quantitative CBF-CMRO2 relationship in important brain function regions and key factors such as age, gender, oxygen environment and the cognitively mental health condition. Our research will significantly improve quantitative neuroimaging methodology of CBF and the related applications on the studies of human brain function and dysfunction, and substantially enhance human brain healthcare. This project fulfills the critical demand of scientific research in the developing of quantitative fMRI techniques, and matches perfectly well with National Strategic Plan for human brain science and technology development.

脑血流灌注及其脑氧代谢功能对大脑正常工作具有至关重要的生理意义。发展和确立其精准的定量评价体系和安全无创的功能影像技术对于人类脑健康事业具有巨大的科学研究价值与广泛的临床应用前景。采用功能磁共振成像(fMRI)技术，本项目将深入和系统地阐明并定性定量地确立大脑重要功能区在工作时脑血流灌注及其脑氧代谢相对变化的复杂耦合关系。项目实验包括以年龄划分的老中青三组健康被试及一组老年轻度认知障碍患者，男女各半。受试者在fMRI扫描中以正常空气或在低氧呼吸状态下完成视觉、运动和工作记忆等实验任务，从而使我们得到脑血流灌注及其脑氧代谢功能在不同脑功能区随年龄、性别、氧气环境和精神健康状态等因素而变化的定量关系。本项目的实施和完成将有助于深入了解和全面掌握与脑神经活动密切相关的脑血流灌注及其与脑氧代谢的内在联系，帮助揭示脑疾病的致病机理和提高其诊治水平，对实现国家脑科学脑疾病科技发展战略目标具有重要意义。

脑血流灌注（CBF）及其脑氧代谢功能（CMRO2）对评价脑健康具有至关重要的生理意义。本项目依托功能磁共振成像技术，旨在发展和确立其精准的定量评价体系和安全无创的功能影像技术，深入系统地阐明并定性定量地确立大脑重要功能区在工作时CBF及其CMRO2相对变化的复杂耦合关系。. 本项目实施五年来，全面完成了原计划的工作。项目组阐明并验证了在视觉、运动和工作记忆等加工的过程中相关脑功能区CBF及其CMRO2随不同刺激的变化关系，加深了对大脑工作机制的理解。项目组在国际上首次建立了在低氧下测量CMRO2的生理模型，揭示出环境中的氧含量、年龄及性别等重要因素对于CBF及CMRO2变化关系的影响，为人们深入理解低氧相关的疾病（如高原反应）以及衰老的机制提供了影像学证据。并且，项目组还对遗忘性认知障碍和主观认知下降等阿尔兹海默症（AD）的临床前期症状对于大脑的CBF及其CMRO2的影响进行了深入系统的探究，为理解AD的发病机制和发展AD的超早期诊断方法提供了影像学标记物。. 在完成原定计划的基础上，项目组围绕脑功能和氧代谢这一关键科学问题，发展了氧摄取率快速测量技术、中国人脑膜版、个体化脑图谱等一系列技术和工具，从缩短扫描时间、提高受试的实验舒适度、优化群组和个体分析的精准程度等多个角度进行理论和实践的创新。. 依托本项目的支持，项目组牵头组织了大量的国际国内学术交流活动，发起成立了中国脑成像联盟，建立了与国际接轨、全国性的脑成像数据采集和分析规范标准；项目组核心成员还成立了中国AD临床前期联盟，达成了AD的MRI检查规范中国专家共识。. 在本项目的资助下，项目组共发表科研论文65篇，其中SCI论文64篇，中文核心期刊文章1篇。项目主持人（或项目核心团队成员）为通讯作者（含部分共同通讯），依托单位北京大学（或首都医科大学宣武医院）为第一且通讯作者单位。项目组还在ISMRM，OHBM和AAIC等国际会议上发表英文摘要15篇。此外，项目组获得国家发明专利6项，待批国家发明专利1项，培养研究生45名。