磁共振腦功能成像技術(shù)在腦功能磁共振成像中的應(yīng)用

品嘗是口腔獨特的基本功能之一。味覺感受通路的功能是覺察食物中的相關(guān)分子,提供信息用于攝食的調(diào)節(jié),并影響人類的情感、精神活動甚至行為特征,因此味覺不但受中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控,更會對腦功能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。近年來隨著無損傷腦功能成像技術(shù)的迅速發(fā)展,有關(guān)味覺腦功能的中樞定位,國外已有一些研究,但由于大腦功能的復(fù)雜性,所得出的結(jié)論不盡相同,還有大量的問題有待解決。國內(nèi)相關(guān)的研究較少,且未見利用功能磁共振成像技術(shù)(fMRI)進行此類研究的報道。磁共振成像技術(shù)(fMRI)作為無損傷腦功能成像技術(shù)代表之一,由于其時間分辨率及空間分辨率較高,為味覺的腦功能研究創(chuàng)造了條件。本實驗使用磁共振腦功能成像技術(shù)(fMRI),并采用能較好避免中樞預(yù)期興奮對結(jié)果造成干擾的事件相關(guān)(event-related)設(shè)計,給予11例正常受試者咸味及無味對照的味覺刺激,以對咸味覺刺激時腦功能狀態(tài)及其激活模式進行研究。1材料和方法1.1志愿者的性別和年齡健康志愿者11名,男性6名,女性5名,年齡23～35歲,平均年齡28歲。全部志愿者均為右利手,無精神和神經(jīng)病史。口頜系統(tǒng)功能正常。掃描前2h禁食,正常飲水。1.2未通過正交試驗來排除腦功能異常fMRI采用事件相關(guān)(event-related)的實驗設(shè)計。以濃度為0.1M的氯化鈉溶液作為咸味覺的刺激物,含唾液主要離子成分的無味液體(25mMKCl及2.5MmNaHCO3)為對照,以便通過統(tǒng)計學(xué)分析以減法模式排除與味覺無關(guān)的因素,如吞咽及口腔本體感覺等引起的腦功能變化。將以上兩種溶液通過兩條固定在唇間的聚乙烯細管送入口內(nèi),每次1mL,刺激給予時間間隔15s,刺激液體于15s開始時給予。對每個被試兩種刺激各給予10次,并在兩者間采用隨機的順序。要求受試者在液體進入口腔后,移動舌頭將液體在整個口腔內(nèi)感覺然后自動吞咽,盡量控制頭部運動,并在實驗前對此進行練習(xí)。1.3成像結(jié)果的回波tr-pcr成像采用2T全身掃描儀(GE/Elscint),標(biāo)準(zhǔn)頭線圈獲取功能圖像數(shù)據(jù)。受試者仰臥,雙眼自然閉合,佩戴耳塞以減弱機器掃描噪音,并以美國BIONIX公司VF-140真空袋將受試者頭部充分固定,以避免掃描中頭動對實驗結(jié)果帶來的干擾.功能像采用單次激發(fā)梯度回波T2加權(quán)序列,主要參數(shù)為,TR=3000ms,TE=45ms,Flip=90°,FOV為373mm×212mm,Matrixsize=128×72。軸位切面,層厚6mm,無間隔。每3s可獲得20層無間隔覆蓋全腦圖像,連續(xù)掃描300s以可獲得100個時間點圖像。功能成像完成之后進行矢狀面三維解剖像掃描,軸位切面,層厚6mm,無間隔。層厚2mm,無間隔,TR=25ms,TE=6ms,Flip=28°,FOV為220mm×220mm,Matrixsize=220×220。1.4統(tǒng)計分析與結(jié)果采用SPM99軟件,在Matlab和Windows2000程序上運行。首先將所有功能像與掃描時間點最接近三位解剖像的功能像應(yīng)用正弦(sinc)插值法進行頭動校正,之后以腦內(nèi)灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液的信號對比將圖像進行去頭皮分割,其中灰質(zhì)分割數(shù)據(jù)將用于解剖結(jié)構(gòu)像與功能像的對齊。對齊后的圖像與蒙特利爾(Montrealneurologicalinstitute,MNI)模版進行空間標(biāo)準(zhǔn)化。在確認(rèn)以上步驟均無圖像扭曲變形的情況下,將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)以高斯公式為核心計算法進行半高寬(FWHM)為7mm×7mm×7mm的平滑處理,之后行統(tǒng)計學(xué)分析。統(tǒng)計結(jié)果的計算采用每一激活任務(wù)開始后延遲6s的延遲半正弦法(delayedhalf-sincdesign),以計算血紅蛋白動態(tài)反應(yīng)的延遲。為排除機器信號漂移,功能掃描的前1個刺激(15s)的數(shù)據(jù)棄除。因MNI模板不同于Talairach模板,使用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式進行轉(zhuǎn)換,并將產(chǎn)生的Talairach坐標(biāo)值用Talairachdaemonclient軟件(美國德克薩斯州立大學(xué)SanAntonio影像研究中心提供)進行腦區(qū)判定。1.5研究對象的隨機效應(yīng)統(tǒng)計根據(jù)研究設(shè)計的時間序列,構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型。不同任務(wù)間的激活情況對比,采用SPM99使用普通線性模型(generallinearmodel)進行隨機效應(yīng)統(tǒng)計。個體數(shù)據(jù)的所有體素(voxel)逐個計算,每個體素在不同情況下依據(jù)任務(wù)不同所致的BOLD反應(yīng)的不同均與各自的靜息狀態(tài)進行t檢驗來判定激活。組內(nèi)不同任務(wù)的激活進行單樣本t檢驗,經(jīng)計算組內(nèi)所有被試數(shù)據(jù)后判定激活。所報告的激活區(qū)均為P<0.01,單人數(shù)據(jù)及組分析均將5個以上相連像素的腦區(qū)視為激活腦區(qū)。FMRI所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計均采用SPM99軟件包提供的方法。2腦內(nèi)激活區(qū)的測定11名受試者均配合完成既定掃描,所獲圖像資料經(jīng)統(tǒng)計學(xué)處理及平均后得到清晰的腦激活圖,圖1、2顯示了腦內(nèi)平均激活區(qū)的情況。在咸味覺刺激下,最大范圍的激活信號出現(xiàn)在左右兩側(cè)扣帶回(24區(qū)),其次為雙側(cè)頂上小葉(5/7區(qū))、豆?fàn)詈?、左?cè)腦島和島蓋(22區(qū))、雙側(cè)頂葉中央后回(2區(qū))、右顳中回(21區(qū))等腦區(qū)。表1列出了腦內(nèi)平均激活區(qū)的位置和范圍。3事件相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計傳統(tǒng)的神經(jīng)解剖及神經(jīng)生理學(xué)研究,已經(jīng)積累了關(guān)于味覺器官的構(gòu)造、味覺通路的解剖學(xué)構(gòu)筑、味覺信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)、基本味覺的分類等多方面大量的理論,但其研究方法主要是尸體解剖、研究腦損傷患者及動物試驗等,所獲得的知識特別是相關(guān)的腦結(jié)構(gòu)與功能的知識是有限的。而近年來迅速發(fā)展起來無損傷腦功能成像技術(shù),為與味覺有關(guān)的腦功能研究提供了客觀而有效的方法。研究表明,神經(jīng)元的活動與細胞能量的代謝密切相關(guān)。當(dāng)人腦功能區(qū)被任務(wù)信號激活時,神經(jīng)元的活動增強,激活的腦功能區(qū)皮質(zhì)局部血流量增加,但局部腦耗氧量增加并不明顯,這種氧的傳輸與利用之間的不匹配,導(dǎo)致激活區(qū)的脫氧血紅蛋白的濃度下降。磁共振功能成像(fMRI)中的血氧水平依賴性成像(bloodoxygenleveldependent,BOLD)技術(shù)是利用對磁化率敏感的快速高分辨梯度回波磁共振成像技術(shù),通過測定MRI信號(離散的數(shù)據(jù)點)來反映血氧飽和度及血流量,從而間接反映腦的能量消耗,達到反映腦皮層功能活動的動態(tài)變化的目的。由于具有非侵害性、全腦可視性、時間及空間分辨率高、一次成像可同時獲得解剖與功能影像的優(yōu)點,為味覺的腦功能研究創(chuàng)造了條件。FMRI最常用的實驗設(shè)計模式包括組塊結(jié)構(gòu)(blockstructure)設(shè)計和事件相關(guān)結(jié)構(gòu)(event-relatedstructure)設(shè)計。前者相對簡單,但由于刺激及任務(wù)按一定順序出現(xiàn),被試對兩者呈現(xiàn)過程的預(yù)期可能干擾實驗結(jié)果;后者相對復(fù)雜、使用較少,但由于不同刺激隨機呈現(xiàn),能較好避免預(yù)期對結(jié)果造成干擾。目前國外利用功能磁共振成像(fMRI)技術(shù)對味覺與腦功能關(guān)系進行研究的相關(guān)試驗多采用組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計。研究顯示,期待某種(甜)味覺刺激時興奮的腦區(qū),與得到該味覺刺激時興奮的腦區(qū)有所差別,這種預(yù)期在組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗中對結(jié)果造成的影響難以避免。因此,本組采用事件相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計,避免了因?qū)ξ队X及對照刺激的預(yù)期而造成的對結(jié)果的干擾。人類的基本味覺有4～5種,即甜、酸、苦、咸和鮮(umami)等。細胞分子生物學(xué)到目前為止對不同味覺在感受器細胞水平的轉(zhuǎn)導(dǎo)機制已有了一定了解,但對中樞的味覺編碼及味覺信息在腦中的加工等方面,還有很多尚未解決的問題。通過研究基本味覺的中樞定位,將向這些問題的最終解決邁出又一步。根據(jù)所引起的情緒的不同,還可以將味覺刺激分為愉悅性味覺(pleasanttaste)與厭惡性味覺(aversivetaste)兩大類,而食物味道引起的情緒反應(yīng)關(guān)系到攝食中對食物的取與舍,個體的營養(yǎng)平衡及對有毒物質(zhì)的規(guī)避,對生存意義重大,所以味刺激能對情緒產(chǎn)生影響的性質(zhì)也具有特殊意義。鹽(氯化鈉)的咸味引起的情緒反應(yīng)比較復(fù)雜,濃度適當(dāng)提高食物美味感,但過高濃度的咸味則為厭惡性的味覺(aversivetaste)刺激。此外,不同國家、地區(qū)的人群由于飲食習(xí)慣的差異,對相同濃度的氯化鈉溶液情緒反應(yīng)也可能有所差別。本實驗進行基本味覺咸味的腦功能成像研究,味覺刺激物選擇0.1M的氯化鈉溶液,使受試者既可清晰感受到味覺種類又可避免引起強烈情緒反應(yīng)。味覺的意識性感覺的皮質(zhì)定位,至今意見不統(tǒng)一。對靈長類動物的單個神經(jīng)元興奮性的實驗研究顯示,味覺信息在味覺通路中從位于腦干的第一個中樞,經(jīng)過孤束核、丘腦、位于腦島及額葉島蓋的初級味覺中樞,到達位于眶額皮質(zhì)尾側(cè)的二級味覺中樞,其中的單個神經(jīng)元對味覺刺激的反應(yīng)的特異性逐漸增高。對人類腦損傷及手術(shù)切除部分腦組織的患者的研究,也得出與以上相一致的結(jié)果。以往的味覺腦功能成像研究,結(jié)果并不一致,味覺刺激引起興奮的腦區(qū)一般包括了已知味覺相關(guān)中樞的扣帶回前部、額葉眶回、腦島與島蓋及丘腦等,但也有研究未發(fā)現(xiàn)某些上述重要味覺中樞的興奮。本實驗的結(jié)果中,咸味覺引起興奮的腦區(qū),只包括上述已知的味覺通路中被認(rèn)為是初級味覺中樞的腦島及島蓋,且均為左側(cè)的優(yōu)勢半球。以往的味覺腦功能成像研究,興奮的腦區(qū)還包括從前未發(fā)現(xiàn)與味覺有關(guān)的一些腦區(qū),如舌回、尾狀核及角回等,此類興奮腦區(qū)在不同實驗中也有差異。本實驗的結(jié)果中,也有一些激活區(qū)并非以上公認(rèn)的各級味覺中樞,包括兩側(cè)扣帶回(24區(qū))、雙側(cè)頂上小葉(5/7區(qū))、豆?fàn)詈?、雙側(cè)頂葉中央后回(2區(qū))、右顳中回(21區(qū))等腦區(qū)。其中最大范圍的激活信號出現(xiàn)在雙側(cè)的扣帶回(24區(qū))。神經(jīng)解剖學(xué)在靈長類的扣帶回前部,發(fā)現(xiàn)了具有典型味覺細胞特點的味覺神經(jīng)元,且該神經(jīng)元是饑餓依賴性的,尤其與眶額皮質(zhì)一樣反應(yīng)感覺特異性的飽腹感。而且扣帶回與海馬回、齒狀回組成的邊緣葉,以及與之形成密切聯(lián)系的隔區(qū)、視前區(qū)、杏仁復(fù)合體、上丘腦等結(jié)構(gòu)組成一個功能整體—邊緣系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅與內(nèi)臟運動有關(guān),也與情緒的運動性行為有關(guān)。目前的許多腦功能研究顯示味覺刺激會引起邊緣系統(tǒng)某些結(jié)構(gòu)的興奮[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。此外,神經(jīng)解剖及神經(jīng)生理