基于非血流信号的脑功能成像技术与探测研究

基于血氧水平的功能磁共振成像技术（BOLD-fMRI）是目前应用最广泛的研究大脑功能的方法，但BOLD信号与刺激任务相比，有5～10秒的延迟、且激活的脑区较分散，是间接测量大脑功能的技术。因此，为了直接探测大脑神经元的活动，人们一直在探索基于非血流信号（bloodless）的脑功能成像技术。最近的研究表明，基于水分子扩散加权的磁共振功能成像技术（dFMRI）可能用于直接探测大脑的神经元活动。其生物物理假设是：神经元的活动引起脑组织微观结构改变，神经细胞形态和体积的瞬时变化导致细胞中水分子扩散性质的改变，通过测量扩散信号就可以测量神经元的活动。本项目通过设计、修改扩散成像的脉冲序列、进行dFMRI脑功能的扫描，利用申请人在国外10多年从事磁共振物理技术和成像方面的研究经验，研究不同的b-值对dFMRI脑功能信号的影响，寻找提高相关脑区定位准确性的方法，探索dFMRI脑功能成像的生物物理机制

尽管基于血氧合水平依赖（Blood Oxygen Level Dependent, BOLD）信号的功能磁共振成像技术（functional magnetic resource imaging, fMRI）已广泛用于活体人脑功能的研究，但BOLD信号与刺激任务存在5～10秒的延迟， BOLD-fMRI是一种间接测量量大脑组织的神经活动的技术。为更准确探测大脑的功能神经活动，人们试图探寻基于非血流信号（bloodless）的脑功能成像技术。2006年，法国科学院院士Le Bihan等人提出，利用水分子扩散加权成像技术可能直接探测大脑神经细胞的活动，即扩散加权功能磁共振成像技术（diffusion-weighted functional MRI，dFMRI）。.. BOLD-fMRI是根据大脑中的血氧水平的局部变化来研究大脑神经活动，而dFMRI脑功能成像技术的生物物理假设是：大脑活动引起神经细胞形态和体积的瞬时变化，表现为细胞膜膨胀和细胞的吞噬，这种短暂的脑组织的微小变化引起细胞内水分子扩散性质的改变。理论上，利用扩散加权的磁共振图像可以探测大脑灰质中水分子的扩散信号的改变，进而直接探测大脑的神经活动。.. 为此，本项目利用非血流性的dFMRI进行脑功能研究，以不同因素（如不同b-值和不同的梯度场方向）对dFMRI脑功能结果的影响为突破口，重点比较dFMRI结果与BOLD-fMRI结果的区别。在实验中，我们得出无论是高b值还是低b值，dFMRI能够探测视觉刺激引起的信号变化，而且随着b值的增加，探测到的信号的变化率增加，探测到的激活脑区比BOLD-fMRI也显得更加集中。该研究 以期提高探测脑功能图像的空间定位的准确性，为脑功能成像研究提供新的技术手段。.. 此外，本项目也尝试用水分子扩散频谱（Diffusion Specturum Imaging, DSI）分析大脑白质纤维束的交叉结构分布情况，我们发现角分布的结果依赖于所选择的脑区位置；比较FLAIR-DTI和conventional DTI（C-DTI）的数据，确定脑脊液对脑结构网络的影响。我们发现FLAIR-DTI技术构建的脑结构网络具有显著增高的全局和局部网络效率。在FLAIR-DTI扫描技术构建的大脑结构网络中，局部参数显著增高的区域位于CSF比较多的区域。