不同顏色光刺激視皮層腦功能成像研究

王 俊，盧 環(huán)，許紅雨，譚曉彬，鐘福興，許凡勇

（贛南醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院放射科，江西 贛州 341000）

功能性腦成像使直接觀察活體大腦內(nèi)活動(dòng)情況成為可能，為腦的研究提供了更先進(jìn)、更精確的技術(shù)手段，從而成為腦科學(xué)研究的前沿。腦在進(jìn)行各種感覺(jué)或認(rèn)知活動(dòng)時(shí)血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，功能性磁共振成像（fMRI）是通過(guò)檢測(cè)這些變化來(lái)進(jìn)行大腦激活皮層的定位，從而識(shí)別功能區(qū)域。目前，利用fMRI技術(shù)，在感官、認(rèn)知等方面己經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。但是，不同顏色光刺激相對(duì)應(yīng)的腦區(qū)的確定及敏感度的研究很少。本研究將不同顏色光刺激的腦功能成像作為主要的研究對(duì)象，并應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行處理。

1 材料及方法

48名實(shí)驗(yàn)者均為來(lái)自學(xué)校的志愿者，沒(méi)有視覺(jué)系統(tǒng)疾病與視力障礙。其中男24名，女24名，年齡21～25歲，平均23歲。

采用Siemens Symphony 1.5Tesla磁共振成像儀。功能像 （EPI）參數(shù)：序列ep2d-motor-cortex，slices：16，slice thickness：3mm，F(xiàn)ov phase：100% ，F(xiàn)or-read：220mm，TR：1600ms，TE：60ms，Areraqes：1，concatenations：1，filler：none，coil elements：He，phase oversampling 0，threshold 4.0，Parodigm size 22，Number of measurement 66。

解剖定位像，采用T1WI序列，定位線與距狀溝平行，TR：20ms，TE：5ms，矩陣：256×256，共 16 層；血氧水平依賴（BOLD）數(shù)據(jù)采集，采用EPI-motorcortex 序列，TR：1600ms，TE：60ms，矩陣 64×64，反轉(zhuǎn)角：90°。

刺激裝置與方案：采用自制的專用的液晶眼鏡，保證被測(cè)者不受周圍環(huán)境的干擾。該液晶眼鏡由防磁材料制成，是一個(gè)能發(fā)出白光的眼罩光源。其光源波長(zhǎng)為520～530nm，合適的刺激強(qiáng)度為6000mcd（4000mcd的刺激較弱，10000mcd的刺激較強(qiáng)），用5V的直流電外加一控制開(kāi)關(guān)對(duì)其進(jìn)行光有無(wú)及強(qiáng)弱的控制。

機(jī)房關(guān)閉所有燈光，試驗(yàn)中受試者戴上眼罩，同時(shí)注視眼罩接受刺激。分紅、綠、藍(lán)3組進(jìn)行，每組采集次數(shù)為88次。受試者躺于磁共振掃描床上，首先在不打開(kāi)眼罩上的燈即靜止?fàn)顟B(tài)下，先掃描3次，忽略數(shù)據(jù)，再掃描8次，收集數(shù)據(jù)，再重復(fù)一遍。然后打開(kāi)眼罩上的燈即分別在紅、綠、藍(lán)光刺激狀態(tài)下，也是先掃描3次，忽略數(shù)據(jù)，再掃描8次，收集數(shù)據(jù)，再重復(fù)一遍靜止?fàn)顟B(tài)下掃描。

圖像后處理：對(duì)采集到的功能圖像數(shù)據(jù)，首先將刺激活動(dòng)組與靜止組分開(kāi)，通過(guò)時(shí)間信號(hào)強(qiáng)度曲線將由移動(dòng)造成的信號(hào)偽影排除。確定R值為0.3，P=0.05作為相關(guān)系數(shù)的分析閾值，并將每組的前3幅去掉，因?yàn)閺拇碳ら_(kāi)始到信號(hào)改變之間有一個(gè)幾秒的時(shí)間延遲，然后運(yùn)用功能成像分析軟件（AFNI軟件）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生出所選層面的時(shí)間信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)圖，最后將功能區(qū)與相應(yīng)層面的T2WI解剖圖像進(jìn)行疊加顯示活動(dòng)區(qū)的位置、大小、分布。

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意事項(xiàng)：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要嚴(yán)格控制頭動(dòng)，避免血管偽影，盡量減少環(huán)境中的光源。

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：用SPSS 12.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用t檢驗(yàn)、Fisher精確概率相關(guān)分析，P<0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 腦功能成像圖與結(jié)果的分析

光刺激后能引起雙側(cè)枕葉視皮層、外側(cè)膝狀體、上丘、腦干的頂蓋前區(qū)、頂葉皮層等腦組織興奮增強(qiáng)，以雙側(cè)視皮層為主（圖1）。接著關(guān)掉室內(nèi)一切光源，保持最低干擾，然后進(jìn)行腦功能成像。從圖2可以看出，除一些零散的興奮點(diǎn)外，其他沒(méi)有明顯的興奮區(qū)，說(shuō)明我們的實(shí)驗(yàn)條件還是比較合理的。

2.2 紅、綠、藍(lán)3種顏色光刺激的腦功能圖像的比較與分析

見(jiàn)表1及圖3～6。

表1 6000mcd強(qiáng)度的紅、綠、藍(lán)光刺激產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度分析

紅、綠、藍(lán)3種顏色光刺激下的腦功能圖，經(jīng)放大并計(jì)算其信號(hào)強(qiáng)度的像素，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得出3者的平均信號(hào)強(qiáng)度分別為49、58、66，相應(yīng)所得標(biāo)準(zhǔn)差分別為16.81、17.23、18.15。綠光刺激與紅光刺激產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度用t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，t值為2.59，P＜0.05，有顯著性差異；藍(lán)光刺激與紅光刺激的t值為 4.77，P＜0.05，有顯著性差異；藍(lán)光刺激與綠光刺激的t值為2.22，P＜0.05，有顯著性差異。所以視皮層對(duì)藍(lán)光刺激最敏感，對(duì)綠光敏感性次之，對(duì)紅光敏感性最差。

2.3 不同顏色的光刺激形成的腦功能圖左右側(cè)比較與分析

見(jiàn)表2。

表2 紅、綠、藍(lán)3種顏色光刺激的腦功能圖左右側(cè)比較與分析

在紅、綠、藍(lán)3種顏色光的刺激下形成的腦功能圖，經(jīng)放大并計(jì)算其信號(hào)強(qiáng)度的像素，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得出3者左右兩側(cè)的平均信號(hào)強(qiáng)度，用t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，得出 t值為 2.96，P＜0.05，說(shuō)明左右兩側(cè)有顯著性差異。

圖6 3種顏色光刺激的信號(hào)強(qiáng)度比較圖。Figure 6. The signal strength comparison chart of three color of light stimulation.

3 討論

3.1 fMRI作為腦高級(jí)功能研究的可行性

顯然，創(chuàng)傷性技術(shù)很難直接用于人腦的研究，而利用動(dòng)物研究腦高級(jí)功能又有許多局限，比如，動(dòng)物沒(méi)有語(yǔ)言，也常不能按研究者的意圖做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)等。更重要的是，利用創(chuàng)傷性技術(shù)很難觀察到活體腦的工作過(guò)程。與現(xiàn)有的大多數(shù)方法相比，近年發(fā)展起來(lái)的無(wú)創(chuàng)傷的fMRI是進(jìn)行腦功能成像研究的新手段，它不但可以以健康人自身為研究對(duì)象，而且可以直接觀察各種行為狀態(tài)時(shí)腦內(nèi)的變化過(guò)程。但現(xiàn)有的fMRI的空間分辨率最多只能達(dá)到毫米級(jí)—集中在腦、腦區(qū)、功能柱。我們知道，盡管神經(jīng)系統(tǒng)的基本功能單元是神經(jīng)元，但沒(méi)有一種行為是由單個(gè)神經(jīng)元獨(dú)立完成的，即便是較為簡(jiǎn)單的行為也需要大量神經(jīng)元的參與。此外，自19世紀(jì)以來(lái)，人們不斷找到腦內(nèi)存在特定的功能區(qū)域的證據(jù)，據(jù)此可以推測(cè)，功能相同或相似的神經(jīng)元在一定程度上相對(duì)聚集，構(gòu)成一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能區(qū)域。腦功能成像的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容是試圖確定這些特定的功能區(qū)域。這方面的研究己經(jīng)取得很大進(jìn)展[1-2]。

腦功能成像技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是可以同時(shí)觀察多個(gè)腦區(qū)的活動(dòng)，探討功能區(qū)域之間的相互關(guān)系（例如，當(dāng)手指運(yùn)動(dòng)時(shí)，有哪些腦區(qū)參加，各個(gè)腦區(qū)參與的先后次序等）。這對(duì)研究腦的高級(jí)功能是個(gè)有利條件，因?yàn)槟X高級(jí)功能通常需要多個(gè)功能區(qū)域的協(xié)同工作[3]。值得注意的是，腦功能成像所探討的腦區(qū)之間的關(guān)系是動(dòng)態(tài)的、針對(duì)特定行為的，這與神經(jīng)解剖學(xué)對(duì)神經(jīng)纖維通路的研究有著本質(zhì)的區(qū)別[4]。

所以，用fMRI作為腦高級(jí)功能成像的研究在理論上和實(shí)際中都是可行的。

3.2 視覺(jué)系統(tǒng)的腦功能定位及fMRI在視覺(jué)皮層定位中的應(yīng)用

視覺(jué)系統(tǒng)是人腦最重要的組成部分，由于視覺(jué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相對(duì)容易，而且復(fù)雜的視覺(jué)刺激可以設(shè)計(jì)分成許多不同的成分，如運(yùn)動(dòng)、顏色、邊沿等，然后對(duì)每一個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以對(duì)視覺(jué)方面的研究比較早，相關(guān)的報(bào)道也比較多。在fMRI出現(xiàn)以前PET在視覺(jué)研究方面的成果很多，許多早期的fMRI實(shí)驗(yàn)是研究人的視覺(jué)皮層和驗(yàn)證PET的各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，fMRI的第一幅腦激活圖是Belliveau等[5]在1991年得到的，向血液中注入順磁性對(duì)照物，發(fā)現(xiàn)光刺激時(shí)初級(jí)視覺(jué)皮層的信號(hào)增強(qiáng)。后來(lái)fMRI采用BOLD法，利用高分辨率的fMRI產(chǎn)生了比PET精細(xì)的多的視網(wǎng)膜組織的結(jié)構(gòu)圖譜，還定位了紋外區(qū)。使用fMRI實(shí)現(xiàn)了對(duì)人腦視覺(jué)皮層的V1、V2、V3和V4各區(qū)的精確定位。并得到了許多實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

早期有關(guān)視覺(jué)皮層腦功能的研究主要是中樞解剖功能的定位，這方面的工作主要是驗(yàn)證或修正傳統(tǒng)研究手段獲得的結(jié)果。Belliveau等在1991年所得到的第一幅人腦fMRI圖像就是有關(guān)視覺(jué)研究的，通過(guò)對(duì)7例正常人視覺(jué)刺激后，初級(jí)視覺(jué)皮層的血流容積增加，從而為fMRI在人腦功能定位方面的研究開(kāi)創(chuàng)了歷史先河。早期靈長(zhǎng)類動(dòng)物視覺(jué)皮層神經(jīng)解剖及生理方面的研究為人類視覺(jué)皮層的研究積累了寶貴資料，研究者們通過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)人的視覺(jué)皮層與靈長(zhǎng)類動(dòng)物的視皮層是同源的，并確認(rèn)了人類至少存在30個(gè)視覺(jué)皮層區(qū)，以后研究者們多采用BOLD 法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人腦視覺(jué)皮層 V1、V2、V3、V4 和MT/V5各區(qū)的精確定位，所得到的視覺(jué)皮層位置與傳統(tǒng)觀點(diǎn)基本一致，而且發(fā)現(xiàn)在腦視覺(jué)皮層中，右側(cè)大腦半球?yàn)閮?yōu)勢(shì)半球[6-7]，這些在本實(shí)驗(yàn)中得到相應(yīng)的證實(shí)。隨后的進(jìn)一步研究指出，引起視覺(jué)皮層最強(qiáng)烈反應(yīng)的刺激光源閃爍頻率為8Hz，并且光刺激強(qiáng)度與激活反應(yīng)幅度有關(guān)系，另外激活反應(yīng)幅度還與年齡有關(guān)[8]，不僅視覺(jué)刺激可激活視覺(jué)皮層區(qū)，而且視覺(jué)刺激想象也可激活視覺(jué)皮層，只是激活的范圍有所差別。本實(shí)驗(yàn)中有2人膽子比較小，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中思想不集中，所以視覺(jué)皮層信號(hào)比較混亂，同時(shí)在額葉、頂葉均有不同程度的激活。腦功能成像技術(shù)是認(rèn)識(shí)視覺(jué)系統(tǒng)的新途徑，其中的很多成果是其他方法所難以獲得的。

3.3 對(duì)顏色識(shí)別的腦功能定位

實(shí)驗(yàn)證實(shí)了顏色識(shí)別過(guò)程分為3個(gè)階段：首先V1區(qū)和V2區(qū)激活，登陸不同波長(zhǎng)及強(qiáng)度的光線，V1區(qū)細(xì)胞對(duì)波長(zhǎng)的變化最敏感；其次是位于梭狀回內(nèi)的V4區(qū)及其稍前方的V4a區(qū)激活，進(jìn)行顏色的自處理，尤其當(dāng)人類注視由多種色彩構(gòu)成的抽象或自然景色時(shí)，由于波長(zhǎng)不斷變化，V4和V4a區(qū)激活更明顯[9]，Bartels等[10]把梭狀回內(nèi)的V4和V4a區(qū)定義為V4復(fù)合體，是人腦顏色處理的中心；最后顳下回和額葉激活，進(jìn)一步識(shí)別物體的顏色。本實(shí)驗(yàn)主要是應(yīng)用不同顏色光的刺激來(lái)形成腦功能圖，充分證實(shí)了顏色的識(shí)別區(qū)域首先是V1區(qū)和V2區(qū)激活，V4復(fù)合體也激活。證實(shí)了紅、綠、藍(lán)3種顏色光刺激在視覺(jué)皮層產(chǎn)生不同的反應(yīng)強(qiáng)度，以藍(lán)光刺激最敏感，并與刺激強(qiáng)度呈正相關(guān)。此外腦組織興奮激活還見(jiàn)于外側(cè)膝狀體、上丘、腦干的頂蓋前區(qū)、頂葉皮層等。這點(diǎn)也與視覺(jué)認(rèn)知始于視網(wǎng)膜，經(jīng)外側(cè)膝狀體核，投射到視覺(jué)皮層，再向具有進(jìn)一步處理功能的大腦皮層輻射這一過(guò)程相符合。

目前，BOLD-fMRI實(shí)現(xiàn)了對(duì)人類視覺(jué)系統(tǒng)相關(guān)腦區(qū)的功能定位，在視覺(jué)系統(tǒng)的研究中已取得重要成果[3，11-12]，但是不同顏色光刺激在視覺(jué)系統(tǒng)的研究還很少，所以本組實(shí)驗(yàn)在這方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中我們得出以下結(jié)論：①不論哪種顏色光刺激，腦組織的興奮區(qū)域基本相同，在視皮層、外側(cè)膝狀體、上丘、腦干的頂蓋前區(qū)、頂葉皮層等均會(huì)出現(xiàn)刺激后的平均信號(hào)增強(qiáng)效應(yīng)；②在3種刺激顏色中，視皮層對(duì)藍(lán)光敏感性最強(qiáng)，對(duì)紅光敏感性最差；③雙側(cè)視皮層的興奮性平均信號(hào)強(qiáng)度變化右側(cè)比左側(cè)大。

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