神經電流磁場的MRI實驗研究

熊紅川，羅 程，呂 粟，唐鶴菡，吳豈柱，龔啟勇，黃穎玲，堯德中

(1. 電子科技大學神經信息教育部重點實驗室 成都 610054; 2. 四川大學華西醫院磁共振研究中心 成都 610041;3. 四川理工學院自動化與電子信息學院 四川 自貢 643000)

神經電流磁場的MRI實驗研究

熊紅川1,3，羅 程1，呂 粟2，唐鶴菡2，吳豈柱2，龔啟勇2，黃穎玲1，堯德中1

(1. 電子科技大學神經信息教育部重點實驗室 成都 610054; 2. 四川大學華西醫院磁共振研究中心 成都 610041;3. 四川理工學院自動化與電子信息學院 四川 自貢 643000)

利用人類腦電alpha波在睜眼時被阻斷的現象，設計了用磁共振檢測腦電信號中最高能量段的alpha波的實驗。結果表明，所得磁共振信號alpha頻段在不同條件下有明顯的改變，且主要在alpha活動明顯的枕區有比較一致的變化，從而初步證明，在特定的條件下，應用磁共振檢測神經電流活動信號是可能的。

alpha節律; 生物電位; 直接檢測; 磁共振成像; 神經元

在腦科學的相關領域如心理學、認知科學、神經生理科學等的研究中，腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)和功能磁共振成像(fMRI)是常用的手段。就技術而言，它們各具優缺點。EEG/MEG有高達毫秒級的時間分辨率，但空間分辨率只能達到厘米級；fMRI的空間分辨率可達毫米級。在時間分辨率上，常用的fMRI技術是利用神經活動引起的血氧飽和水平的變化(blood oxygenation level-dependent, BOLD)，由于血液動力學的響應時間有秒級的延遲，所以，基于BOLD效應的fMRI的時間分辨率不高，由此得到的激活信號并不是神經活動的直接表達[1]。自fMRI技術得到應用以來，人們就一直考慮能否利用MR直接檢測神經活動[2-3]。理論上，有神經電流(neuronal current，nc)存在就有相應的神經磁場(neuronal magnetic field，NMF)存在，因此，MRI技術能否實現對該弱磁場的檢測成為需要研究的內容。

最近十多年來，有關nc-MRI的探索工作一直沒有間斷，并可分為以下4類：(1)在水模(phantom)上進行的MRI是否可檢測弱的瞬變電磁場的實驗性研究[4]；(2)對離體腦片的研究[5-6]；(3)對人腦神經活動的實驗性研究[7]；(4)利用簡化或真實的神經元仿真計算各種條件下神經活動引起的MR信號變化是否達到可檢測水平的模型研究[8-11]。在這些研究中，部分結果表明NMF是可以被直接檢測的，但也有一些研究未能檢測到可靠的nc-MRI信號[12]。

在EEG研究中，alpha節律阻斷現象是在絕大多數人類腦電中都能觀察到的一種常見現象[13]。正常人在清醒閉目時alpha波增強；而在睜眼、思考問題或受到其他的刺激時，alpha波減弱或消失，該電生理現象稱為alpha波的阻斷，即在兩種不同狀態下，腦電活動的能量在alpha頻段有較大的差異；此后若被試者再度安靜閉目，alpha波又重新出現。由視覺刺激造成的alpha節律阻斷現象主要出現在枕區視覺皮層。顯然，如果MR能夠直接檢測到神經元的電流活動，則閉眼靜息狀態下與睜眼(視覺刺激)狀態下獲取的MR信號，尤其在枕葉區域，尤其alpha頻段的幅值也應有較大的差異。

本文對12位被試者進行了閉眼靜息和睜眼(視覺刺激)的MR試驗，檢測其MR信號的幅度變化。實驗范式為分別掃描閉眼靜息和睜眼(視覺刺激)狀態，以進一步探討MRI直接檢測神經電活動的可能性。

1 方法與實驗

1.1 被試者

被試者為年齡20～24歲、無腦手術史的健康男女在校大學生12名，均已簽署知情同意書。

1.2 MR實驗

在四川大學華西醫院磁共振中心GE 3T 磁共振掃描儀上獲得單層、EPI序列，MR數據；用機器可接受的最短TR間隔為40 ms。根據Nyquist定律，最高可有效檢測的頻率為12.5 Hz，正好可滿足通常的8～13 Hz的alpha頻段檢測要求。本文對掃描斷面取兩個方向：(1)常規的軸位斷面，取前后聯合下一層；(2)包含枕葉視覺皮層的斜位，斷面盡可能多包含灰質。具體參數如下：TR(repetition time)=40 ms，TE(echo time)=15.7 ms，翻轉角FA(flip angle)= 22.4°，FOV(field of view)=24 cm×24 cm，成像矩陣為64行、64列，體素= 3.75 mm×3.75 mm×5.00 mm，數據長度為512個時間抽樣點。掃描同層T1加權解剖像以便疊加顯示。實驗范式為30 s閉眼、30 s睜眼視覺刺激。在每次掃描開始之前，針對不同條件的block，被試者都會被要求睜眼或閉眼。

1.3 數據分析

1.3.1 數據預處理

本文對獲得的MR數據首先用SPM的Realign作預處理，以消除運動誤差。由于數據的最初部分是在機器不穩定時候獲得的，遠偏離均值，所以拋棄數據的前72點，數據長度即為440個數據點。對每個被試者的數據，用手動方法做出大腦模板(即去除顱骨及以外區域)，數據處理僅針對模板內數據。

通過與解剖像匹配，對于軸位斷面分別取出白質和腦脊液信號疊加平均，并作為回歸項，以消減腦脊液脈動和白質專屬信號對模板內其他信號的影響。

1.3.2 頻譜分析

對原始數據作上述預處理后，本文對數據作頻譜分析，檢查alpha頻段(8～13 Hz)能量在不同狀態下的變化，以考察腦電的alpha節律阻斷現象是否能被MR檢測到。由于不同被試者間的alpha能量大小的個體差異較大，所得結果無法進行統計檢驗。為此，以被試者自己靜息時的alpha頻段的能量為基準對兩狀態下的能量歸一化，然后對兩狀態的alpha頻段能量作統計檢驗，考查用MR信號是否可檢測到alpha頻段的阻斷現象。

1.3.3 相關分析

進一步，本文對其中一位被試者的軸位斷面數據，在其視覺皮層區取3×3像素大小的感興趣區(region of interest，ROI)，疊加平均后作為標準信號與全斷面做相關分析，以此觀察全斷面信號與ROI信號的一致性。在此基礎上，又對全斷面信號做8 Hz以上的高通濾波，并在相同區域取一3×3大小的ROI，疊加平均后作為種子信號與全斷面做相關分析，以此觀察全斷面信號與ROI信號的一致性，從而判斷信號高頻成分的可信度。

2 實驗結果

12位被試者歸一化后在睜閉眼狀態下alpha頻段(8～12.5 Hz)能量如表1所示，歸一化方法如頻譜分析所述。由表1可以看出，高頻段時，在大多數被試者中，閉眼靜息時的能量明顯高于睜眼或視覺刺激狀態，與EEG的alpha節律阻斷現象一致，說明檢測到高頻段MR信號是真實可信的。顯著性檢驗的統計分析結果(F=7.73，P<0.010 9)，統計方法為方差分析(ANOVAL)。結果表明，以被試者自己靜息狀態下能量為基準歸一化后，兩狀態下高頻能量的差異是顯著的，即在睜眼狀態下，被試者的高頻段能量較閉眼靜息減少，在統計意義上是可信的。

表1 以被試者自己閉眼狀態能量為基準歸一化后，睜眼狀態下alpha頻段(8～12.5 Hz)的能量

第1號被試者的數據如圖1所示，按數據分析中所述步驟進行預先處理。然后在枕區視覺皮層取一3×3大小的ROI，其中心為(35, 49)，如圖1a所示。將ROI內信號疊加平均后作為種子(Seed)，對模板內的各點作相關分析，相關系數分布如圖1b所示。由圖1b可以看出，左右枕區的信號有極高的相關度，說明枕區信號有很好的區域一致性，屬于同一默認網絡，與已知的事實相符。由此說明實驗所得到的MR信號并非隨機信號，而是實際檢測到的生理信號。圖1b是0～12.5 Hz全部信號的結果，即相關MRI信號同時包括了alpha和其他頻段的信號。

圖1 枕區ROI信號與全斷面信號的相關系數分布

為進一步考察alpha高頻段信號的真實性，本文對全腦信號做8 Hz以上的高通濾波，在相同區域取一3×3大小的ROI，疊加平均后作為種子與全斷面做相關分析，結果如圖2所示。

圖2 8～12.5 Hz枕區ROI信號與全斷面信號的相關系數分布

圖2表明，與圖1b相似，ROI鄰域及相應對側有較大的相關，可以認為在這些高相關區域的信號有共同的活動模式。在所得的相關性中，高頻信號也具有一致性，即在高頻部分，實驗所得到的MR信號并非隨機信號，而是實際檢測到的生理信號。且由相關系數的分布可知，相較于圖1的全頻信號，這種相關更多地與灰質的分布有密切的聯系。由于信號為高頻的alpha頻段，又與灰質相關，因此，可以認為這種高頻信號與高頻的神經磁場NMF相關。

3 討 論

雖然有許多水模、離體組織和理論計算等方法的研究暗示了nc-MRI的可行性，但現有的實驗研究結果不理想，雖有成功的報道，也很難重復進行實驗。最早使用誘發反應[3,7]的nc-MRI報告得出的結論為幅度變化占優并且強度能達到1%，因此相較于BOLD效應具有可比性。然而，使用完全相同的實驗范式，有人能成功重復實驗結果[7]，而有的研究卻未能重復[12]。在對蝸牛神經節的研究中[5]，也報告了檢測到非常大的信號變化(5%)，一方面是由于沒有BOLD效應的影響；另一方面可能是該研究憑借的軸突尺寸巨大，從而減小了部分容積效應和較小的成像體素。

本文的研究結果顯示，在高頻段、閉眼靜息狀態下，MR信號幅度變化的功率高于睜眼(視覺刺激)狀態的功率，與熟知的人腦腦電alpha節律的阻斷現象吻合，表明本文檢測到的高頻段MR信號是真實可信的。圖2的結果則證明，在圖1所得的相關性中，高頻信號在枕區的一致性是其主要原因。即在高頻部分，實驗所得到的MR信號并非隨機信號，而是實際檢測到的生理信號。由此可以認為MR能夠檢測到高頻信號(8 Hz以上)，并且該信號和灰質的分布有密切的聯系。而在腦組織的信號中，常規的生理信號，如呼吸、心沖擊脈動、生理代謝導致的化學變化、BOLD效應等都是低頻變化的信號，唯有神經電沖動導致的NMF是高頻變化的，雖然實驗中所檢測體素的高頻信號的組成還不清楚，但已顯示神經電沖動導致的NMF高頻變化應是其中的重要成份，所檢測到的高頻信號理應就是NMF造成的MR信號變化。然而，也有被試的功率譜(PSD)在高頻段的睜閉眼狀態并無明顯區別。造成該現象可能有以下的因素：(1)被試者的alpha節律阻斷不明顯；(2)與掃描截面的位置和朝向有關；(3)被試者的腦電活動強度不大，以至被噪聲淹沒。當然，本文的工作作為關于MR直接檢測神經電活動的探索性研究，雖然得到了一些積極的結果，但直接的信號質量不高，難以直接應用。在今后的工作中會在理論數值仿真、實驗設計、后期數據處理等多方面對該問題做更深入的研究，以證實MR直接檢測神經電活動的可行性或提供可檢測的實驗方案。

[1]GRINVALD A, SLOVIN H, VANZETTA I. Non-invasive visualization of cortical columns by fMRI[J]. Nat Neurosci,2000, 3: 105-107.

[2]SCOTT G C, JOY M L, ARMSTRONG R L, et al. RF current density imaging in homogeneous media[J]. Magn Reson Med, 1992, 28: 186-201.

[3]KAMEI H, IRAMINA K, YOSHIKAWA K, et al. Neuronal current distribution imaging using magnetic resonance[J].IEEE Trans Magn, 1999, 35: 4109-4111.

[4]BODURKA J, JESMANOWICZ A, HYDE J S, et al.Current-induced magnetic resonance phase imaging[J]. J Magn Reson, 1999, 137: 265-271.

[5]PARK T S, LEE SANG Y, PARK J H, et al. Observation of the fast response of a magnetic resonance signal to neuronal activity: a snail ganglia study[J]. Physical Meas, 2006, 27:181-190.

[6]PETRIDOU N, PLENZ D, SILVIA A C, et al. Direct magnetic resonance detection of neuronal electrical activity[J]. Proc Nat Acad Sci, 2006, 103: 16015-16020.

[7]XIONG Jin-hu, FOX P T, GAO Jia-hong. Directly mapping magnetic field effects of neuronal activity by magnetic resonance imaging[J]. Hum Brain Mapp, 2003, 20: 41-49.

[8]KONN D, LEACH S, GOWLAND P, et al. Initial attempts at directly detecting alpha wave activity in the brain using MR[J]. Magn Reson Imaging, 2004, 22: 1413-1427.

[9]XUE Yi-qun, GAO Jia-hong, XIONG Jin-hu. Direct MRI detection of neuronal magnetic field in the brain: theoretical modelling[J]. NeuroImage, 2006, 31(2): 550-559.

[10]XIONG Hong-chuan, HUANG Yin-ling, HU Zhao-tong, et al. Simulation study of the dendritic effect on direct MRI detection of neural electric event[J]. Journal of Electronic Science and Technology of China, 2009, 7(1): 92-95.

[11]HUANG Yin-ling, XIONG Hong-chuan, YAO De-zhong.Direct MRI detection of the neuronal magnetic field: the effect of the dendrite branch[J]. Physics in Medicine and Biology, 2010, 55(18): 5599-5616.

[12]CHU R, DE ZWART J A, VAN GELDEREN P, et al.Hunting for neuronal currents: absence of rapid MRI signal changes during visual-evoked response[J]. NeuroImage,2004, 23(3): 1059-1067.

[13]LOPES D A SILVA F H, STORM VAN LEEUWEN L W.The cortical source of alpha rhythm[J]. Neurosci Lett, 1977,6: 237-241.

編 輯 黃 莘

MRI Experiment Study on Neuronal Current Magnetic Field

XIONG Hong-chuan1,3, LUO Cheng1, Lü Su2, TANG He-han2, WU Qi-zhu2,GONG Qi-yong2, HUANG Ying-ling1, and YAO De-zhong1

(1. Key Laboratory for NeuroInformation of Ministry of Education, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054;2. Huaxi MR Research Center, West China Hospital, Sichuan University Chengdu 610041;3. School of Automation and Eletronic Information, Sichuan University of Science & Engineering Zigong Sichuan 643000)

Neuronal current magnetic resonance imaging (nc-MRI)can improve the temporal resolution of functional magnetic resonance imaging (fMRI). To explore the feasibility of the nc-MRI, an experiment is designed by, using MR to detect the differences of alpha wave activity under different conditions. One of the conditions is in the darkness with eyes closed to promote alpha wave activity and the other is a visual stimulus with eyes opened to suppress alpha wave activity. Our results show that the MR signal obtained in the alpha band changes significantly,and the changes in the occipital area where the alpha activity is prominent are more consistent. that means, in particular conditions, it is possible to apply nc-MRI to detect neuronal current activity.

alpha rhythm; bioelectric potential; direct detection; magnetic resonance imaging;neuron

TNQ81

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.06.030

2009- 05- 10;

2009- 12- 23

國家自然科學基金(60571019, 30525030)

熊紅川(1968- )，男，博士，主要從事腦電節律方面的研究.

book=951,ebook=399

·機械電子工程·