结合光学脑成像及机器学习分类算法对自闭症大脑活动特征的研究进展

自闭症的诊断一直以来是基于行为层面的观察。近年来脑成像研究表明，自闭症大脑存在结构及功能的改变，这些发现为基于成像的诊断提供了新的途径。准确的诊断要基于对大脑异常特征的准确描述，多个脑生理参量的成像可以为自闭症的大脑特征提供更全面的信息。在现有的无损脑功能成像中，光学脑成像具有较高的时间及可接受的空间分辨率，测量时对头部晃动相对不敏感，适用于对儿童，特别是自闭症儿童的研究。近红外光谱技术提供皮层的血氧代谢，而漫射相关谱技术测量皮层的血流。这两类参量可以提供互补的皮层血液动力学信息，结合更为高效的分类算法，有望取得对自闭症大脑皮层活动特征的更为准确的描述和区分。在广泛文献调研及结合自身研究成果的基础上，对利用光学脑成像研究自闭症的大脑活动特征；结合特征参量利用机器学习分类算法对自闭症的预测；以及利用多模态光学脑成像技术（即结合近红外光谱及漫射相关谱）研究自闭症的前景等问题做了系统的回顾与展望，希望为自闭症相关领域的科研人员提供参考和借鉴。     

成人注意缺陷多动障碍额叶网络异质性

神经影像学研究表明注意缺陷/多动障碍(ADHD)与额叶-纹状体网络功能异质有密切关系。利用静息态功能磁共振数据,探讨成人ADHD组和健康对照组的功能连通性(FC)是否有差异。获取成人ADHD组(N=20)和健康对照组(N=20)的血氧水平依赖(BOLD)信号,以腹内侧前额叶皮质(vmPFC)为感兴趣区进行功能相关分析,使用皮尔森相关系数为衡量功能相关强度的指标。经两样本统计分析,成人注意缺陷多动障碍组左侧眶额叶、右后外侧前额叶皮层、角回与vmPFC正相关性较对照组均存在显著的增强(p<0.01,经Alphasim);成人注意缺陷多动障碍组较对照组右侧背外额中回与vmPFC负相关性有所下降(p<0.01,经Alphasim)。进一步证明了前额叶与其他脑区的连通性存在差异,成人ADHD前额叶默认网络存在功能失调。     

慢性吸烟者的脑静息态fMRI局部一致性研究

为了纵向研究慢性吸烟者在未戒烟和戒烟一段时间后静息态局部脑功能活动发生的变化,本文结合功能磁共振成像(fMRI)和局部一致性(ReHo)方法,对12名慢性吸烟的健康志愿者,在未戒烟和戒烟一周后的脑静息态扫描数据进行组内比较分析,结果:与未戒烟状态相比,吸烟者戒烟一周后额叶(左侧眶内额叶、右侧额中回、右侧背外侧额叶)、左侧楔前叶、左侧后扣带皮层、左侧楔叶和右侧初级运动皮层的ReHo显著降低;双侧颞上回、左侧距状裂沟回、左侧舌回、左侧梭状回、左侧海马旁回、右侧中央后回和左侧豆状壳核的ReHo显著增强。研究表明,慢性吸烟者在戒烟一周后上述脑区的神经元活动一致性发生了变化,这为ReHo应用于戒烟疗法提供了一定依据。     

运动态人脑默认模式网络脑电信息传递动力学行为分析

为探究人体进行运动相关任务时大脑默认模式网络与其他脑区间的连接规律，基于运动及运动想象脑电信号公开数据集，通过快速傅里叶变换对不同状态下的脑电信号划分频段并进行滑动加窗处理，得到静息与运动态下同皮层不同频段的平均时间序列。采用动态传递熵的构造方法，分析默认模式网络到运动皮层、默认模式网络到前额叶皮层的信息交互，并在多个数据集下进行显著性检验。将动态传递熵的分析方法结合逻辑回归、决策树、XGBoost算法对不同任务进行分类研究，结果表明：大脑不同皮层功能区在进行不同任务时具有显著差异；相较于静息态，前额叶皮层和运动皮层在运动过程中更加活跃，γ频段相较其他频段也更加活跃；相较于静息态，运动态及运动想象态下默认模式网络到运动皮层、默认模式网络到前额叶皮层的信息交互都更强烈，其结果在不同样本空间的显著性检验P值小于0.025,此方法稳健；脑电信号动态传递熵方法可以将机器学习算法的分类准确率提高20%以上。研究可为运动态脑电信号辨识提供理论参考。     

广州话-普通话左额下回加工的空间分布

目的:探讨广州话和普通话左额下回激活的坐标位置及信号强度.方法:材料为黑白线条图,被试是12名广州话大学生,任务是进行图片命名,磁共振采集实验数据.结果:广州话与普通话共同激活左额下回、右枕中回和右楔前叶.广州话额外激活右额上回、右顶下回和左楔前叶.普通话额外激活左小脑嘴峰、左扣带回、左额上回和左缘上回.左额下回感兴趣区内,广州话激活左前额叶腹外侧皮层(BA47)和背外侧皮层(BA9),普通话只激活额叶背外侧皮层(BA9),广州话激活体积大于普通话.结论:两种语言左额下回有不同的空间位置,早期形成的语言在左额下回BA47区加工,晚期形成的语言分布BA47区的周围,支持早期、晚期语言不同加工脑区理论.     

静息态脑区的活动特征研究

静息态脑区的活动处于一种相对稳定的状态。但是,静息态机能性磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)实验中,被试者可能会受到各种噪声的影响,因此,统计分析所得到的静息态脑区的活动强度和体素数都可能受此影响。为了更进一步研究静息态脑区的活动特点,分别对16名被试采集了8′14″的静息态fMRI数据,将这些数据按照时间等分为5个部分,对每个部分分别采用低频振幅方法进行分析。实验结果显示:楔前叶和后扣带皮层包含活动体素的个数随时间变化较小,处于一种相对稳定的状态;额内侧皮层和顶下小叶中活动体素个数随时间变化差异较大,处于不是很稳定的状态。实验结果表明,静息态脑区中,楔前叶和后扣带皮层对于外界噪声的干扰不敏感,额内侧皮层和顶下小叶对于外界噪声比较敏感。     

基于近似熵静息态fMRI的大脑功能性别差异研究

引入度量时间序列复杂度的近似熵(ApEn)方法探讨健康年轻成人静息态下大脑功能性别差异.利用功能磁共振成像(fMRI)技术对74名健康年轻成人(其中:男36名,女38名)进行扫描以获取静息态fMRI数据,使用DPABI软件进行数据预处理,采用ApEn方法比较健康男女大脑功能活动,确定健康男女大脑功能活动的差异区域.结果发现,较男性健康组,女性健康组在右侧枕中回、右侧角回、右侧颞中回及双侧楔前叶的ApEn值更高;较女性健康组,男性健康组在右侧梭状回、右侧枕下回、右侧舌回、左侧额中回及左侧背外侧额上回的ApEn值更高.该结果表明,静息态下大脑功能活动存在性别差异,尽管差异区域与以往线性方法得到的结果并不完全一致,但都一致认为这些差异可能与大脑结构以及行为和认知上的性别差异有关.     

基于光学脑成像的抑郁症前额皮层静息态网络的研究

抑郁症患者通常表现出心境低落，并且伴随许多认知和生理症状. 文中使用功能性近红外光谱成像技术(fNIRS)来测量28名抑郁症患者和30名对照组8 min前额皮层的自发血液动力活动. 通过图论和拓扑分析对大脑前额皮层静息态网络属性进行分析，结果表明，抑郁症患者前额皮层网络表现出异常的模式:显著降低的网络密度（低的平均节点等级）、显著降低的聚集程度（低的聚类系数）、显著降低的网络信息传输效率（高的平均路径长度）以及显著增加的随机性（低的小世界属性）. 这些结果表明使用近红外光谱技术能够揭示抑郁症患者脑网络的异常特性.     

条件性视觉——运动学习的研究

大脑皮层的广泛区域参与条件性视觉－运动学习，视皮层对物体的视觉信号进行处理；运动皮层发出指令完成运动动作；联合皮层接受不同区域的信号输入后进行整合形成视知觉并通知运动皮层完成条件性运动。运用前区背外侧部（ＰＭｄ）、基底神经节和前额叶皮层腹侧部（ＰＦｖ）在条件性视觉－运动学习中起重要的作用，海马参与条件性视觉－运动学习。     

大学新生网络成瘾的静息态脑功能结构特征

为了找出涉及网络成瘾(IAD)机制的关键脑区,同时探查IAD者脑功能和结构特征,招募IAD组和对照组大学新生被试,扫描和比较分析静息态功能磁共振和结构磁共振数据.结果表明:网络成瘾者的右枕叶和右舌回的静息态脑自发活性呈亢进,左眶额叶呈降低;右海马旁回、右枕叶和右舌回的皮层灰质密度显著降低;右枕叶的功能和结构异常水平都与网络成瘾量表(IAT)分显著相关.右枕叶在网络成瘾的发病机制中的作用值得进一步探察.     

利用自举法与相干矢量虚部研究脑电信号的连通性

多导联脑电信号之间的连通性分析有助于了解脑的不同分区之间的信息交互。为了研究实验任务引起的脑区之间的连通性,提出了一种结合自举法与相干矢量虚部的统计分析方法,并用于研究左、右手运动想象任务中的信息交互。结果表明:在单侧的运动想象任务中,辅助运动皮层与对侧的运动前区及初级运动感觉皮层具有广泛的联结关系,同时提示受试是采用具有肌肉感觉的运动想象模式。该方法简洁、意义明确,可以进一步应用在脑-机接口及事件相关电位的研究中。     

The colour centre in the cerebral cortex of man

Anatomical and physiological studies have shown that there is an area specialized for the processing of colour (area V4) in the prestriate cortex of macaque monkey brain. Earlier this century, suggestive clinical evidence for a colour centre in the brain of man was dismissed because of the association of other visual defects with the defects in colour vision. However, since the demonstration of functional specialization in the macaque cortex, the question of a colour centre in man has been reinvestigated, based on patients with similar lesions in the visual cortex. In order to study the colour centre in normal human subjects, we used the technique of positron emission tomography (PET), which measures increases in blood flow resulting from increased activity in the cerebral cortex. A comparison of the results of PET scans of subjects viewing multi-coloured and black-and-white displays has identified a region of normal human cerebral cortex specialized for colour vision.     

Functional localization and lateralization of human olfactory cortex.

Anatomical and physiological investigations in monkeys indicate that olfaction is subserved by several cortical regions. But the areas implicated in the human olfactory system have not been definitively identified by functional criteria. Behavioural evidence has suggested that laterally specialized mechanisms for odour processing may exist, but the neuroanatomical substrate remains unknown. We used positron emission tomography to study the cortical representation of human olfactory processing by comparing cerebral blood flow changes evoked during olfactory stimulation with those of a control task. We report here significant cerebral blood flow increases at the junction of the inferior frontal and temporal lobes bilaterally, corresponding to the piriform cortex, and unilaterally, in the right orbitofrontal cortex. The results complement and extend previous data implicating these regions in olfactory processing, and indicate that a functional asymmetry exists in the human brain favouring the right orbitofrontal area in olfaction.     

用近红外光谱检测人体组织氧含量

为防止病人因组织缺氧而产生各种临床并发症 ,需要检测病人的组织氧。红外组织氧含量检测技术是一种新的无损检测技术 ,相对于脉搏氧饱和度检测 ,可以检测局部人体组织的氧合状况。用自行设计的近红外组织氧含量检测仪 ,进行了前臂阻断实验、婴儿脑氧实验和肌氧实验。检测中考虑了近红外传感器与人体的耦合 ,合理选择了光源与检测器的距离以及检测器的数目。用该仪器测量结果与生理变化相符。结果表明 :近红外方法可以实时无损地检测人体组织的氧合状况     

脑动静脉畸型血流动力学的理论模型研究进展

脑动静脉畸型(脑AVM)可导致脑血流的异常分布，不正常的血流动力学状态是脑AVM发生脑内出血和造成某些神经功能障碍以及严重的手术并发症的原因之一．由于脑血管内血流压力、流量等血流动力学参数测量技术的局限，一些学者借助于理论模型来分析脑AVM的血流力学特征．介绍了国外关于脑AVM血流动力学理论模型研究的进展，论述了各类模型的特点和缺陷以及进一步研究的思想路线．     

孤独症儿童静息态脑电Gamma频段功能网络研究

有研究表明,孤独症儿童的功能障碍可能和脑电中的Gamma频段异常有关。通过采集17例孤独症儿童和17例正常儿童睁眼静息态脑电,利用定向传递函数方法计算导联间的因果连接,构建Gamma频段(35~50 Hz)功能网络。用图论方法分析两组差异。结果表明相同阈值下,孤独症儿童脑功能网络全局效率、局部效率以及节点度均低于正常对照组儿童。提示孤独症儿童认知、行为异常可能与其大脑Gamma频段连接较弱、信息整合效率较低有关。     

Mapping human visual cortex with positron emission tomography

Positron-emission tomography (PET) can localize functions of the human brain by imaging regional cerebral blood flow (CBF) during voluntary behaviour. Functional brain mapping with PET, however, has been hindered by PET's poor spatial resolution (typically greater than 1 cm). We have developed an image-analysis strategy that can map functional zones not resolved by conventional PET images. Brain areas selectively activated by a behavioural task can be isolated by subtracting a paired control-state image from the task-state image, thereby removing areas not recruited by the task. When imaged in isolation the centre of an activated area can be located very precisely. This allows subtle shifts in response locale due to changes in task to be detected readily despite poor spatial resolution. As an initial application of this strategy we mapped the retinal projection topography of human primary visual cortex. Functional zones separated by less than 3 mm (centre-to-centre) were differentiated using PET CBF images with a spatial resolution of 18 mm. This technique is not limited to a particular brain area or type of behaviour but does require that the increase in CBF produced by the task be both intense and focal.