脑电—核磁融合方法在听觉研究中的应用

论文摘要

在神经科学领域的研究中,脑电和核磁共振是常用的神经影像工具。脑电设备的工作方式是将电极贴于头皮表面,检测分布于头皮之上的脑电波。核磁共振设备的工作原理则有些复杂,其对神经活动的探测是基于局部脑血流的变化来实现的。当局部神经活动增加时,局部脑血流也会增加,从而带来血氧浓度的变化,核磁共振就是通过探测血氧浓度的这种变化来检测神经活动的。由于工作原理的不同,脑电与核磁共振设备有着各自的优缺点。脑电检测的是脑电波,脑内的神经活动是通过电磁波的形式传递到头皮表面,因此脑电拥有很高的时间分辨率,适用于探测动态的神经活动过程。但是由于脑内空间结构复杂,难以通过头皮表面的脑电来逆向定位神经源,因此脑电设备的时间分辨率很高,空间分辨率很低,虽可以探测动态的神经活动,但难以对神经活动进行定位。核磁共振设备则有着很高的空间分辨率,可以达到毫米级,然而由于局部脑血流变化缓慢的特性,因此核磁共振设备时间分辨率很低,难以分析动态的神经活动过程。如果能将脑电和核磁共振融合起来,充分利用脑电的高时间分辨率和核磁共振高空间分辨率的优势,则可能会形成一种兼具高时间高空间分辨率的神经活动分析工具,从而使研究者能更精细入微地研究动态神经活动。然而如何将脑电和核磁共振融合起来却是一个现实存在的挑战。大脑的状态时刻发生着改变,因此在一个实验中不同的试次之间,大脑对相同的刺激的反应是不同的,这种现象被称为试次间可变性。试次间可变性是连接脑电和核磁共振两种方法的潜在桥梁,因为试次间可变性既可以体现在脑电信号上,又可以体现在核磁共振信号上。因此如果对试次间可变性善加利用,便可能将脑电与核磁共振融合起来。在本文中,根据所研究问题的不同情况,从脑电中提取了针对性的特征来进行脑电与核磁共振的融合。基于所选特征的试次间可变性,将脑电与核磁共振融合起来,充分利用脑电的时间分辨率和核磁共振的空间分辨率,使脑电-核磁融合成为一种兼具高时间高空间分辨率的神经活动分析工具。使用该工具,本文研究了听觉领域中仅利用脑电或核磁共振中的一种无法解决的三个问题,取得了较好的效果。本文使用脑电-核磁融合方法研究的三个听觉领域的问题如下:1)纯音在大脑中的传递与加工过程。纯音指的是单频率的声音,自然界中的声音都是由不同频率的纯音组合而成的。纯音作为最简单最基础的声音,是听觉研究领域中重要的刺激材料,被广泛地应用于听觉研究的各个领域。到目前为止,尽管关于大脑对纯音的响应进行了很多研究,然而受制于神经影像工具的限制,纯音在大脑中的传递与加工过程还不是十分清楚。本文利用纯音在脑电与核磁共振信号上试次间的可变性,使用脑电与核磁共振融合的方法分析了纯音在大脑中传递与加工的过程。经研究发现,纯音在大脑中的传递与加工是分为早期、中期、晚期三个阶段的。其中早期纯音刺激发生后30 ms左右的阶段,在该阶段纯音是在中脑进行处理加工的;中期指100200 ms这一时间段,该阶段纯音是在听觉皮层和运动皮层处理加工的;晚期指的是到了400 ms左右这一时段,在该阶段纯音主要是在运动皮层处理加工的。本项发现是首个通过非侵入式的方法得到的纯音在大脑中传递与加工的过程。在这之前,研究人员只能通过开颅手术把探针插入大脑这种侵入式的方式来研究纯音在大脑中的传递加工过程,与这种侵入式的方法相比,本文的方法不需要进行开颅手术,更容易推广与应用。并且,本文的结果是与侵入式方法的结果基本一致的,证明了该脑电-核磁共振融合方法的有效性。2)拍子和节拍在大脑中的神经共振。拍子是指音乐中呈周期性出现的鼓点等重音,而节拍是指不同强弱的拍子组织起来的规律,如2/4拍、3/4拍等。脑电的研究表明,在感知到拍子或节拍时,脑电会产生对拍子或节拍的共振。由于脑电产生于脑内的神经活动,因此脑电的研究表明了脑内存在神经元对拍子或节拍进行共振。节奏的神经共振假说认为节奏的感知依赖于脑内神经元对拍子和节拍的差异化共振,而且由于拍子和节拍属于节奏的等级结构中不同的等级,因而对拍子和节拍进行共振的神经元应该是不同的。然而,由于脑电设备空间分辨率的限制,到目前为止,尚不清楚脑内对拍子和节拍进行共振的神经元的具体位置。由于神经振荡的强度会在不同的试次间有所不同,会形成在脑电和核磁共振信号上试次间的可变性,因此,本文通过傅里叶变换取得脑电信号上神经振荡的试次间可变性,再与核磁共振的信号进行通用线性模型分析,依靠这种融合方式,分析出了脑内对拍子和节拍进行共振的神经元的位置。本研究发现有些神经元同时对拍子和节拍共振,这些神经元分布于壳核、尾状核、左侧丘脑,这些神经元构成了对节奏感知的神经振荡基础。本研究还发现壳核在对节拍的感知中振荡强度更强,这说明壳核在将拍子划分为节拍时起着重要的作用,这显示了壳核在节奏感知中的特殊作用。在本研究中,我们通过脑电-核磁共振融合的方法,提高了脑电设备的空间分辨率,从而锁定了脑内对拍子和节拍进行共振的神经元的位置,为更好地理解节奏在大脑中的神经加工机制做出了贡献。3)听觉失匹配负波的产生过程。失匹配负波是与规律违背有关的脑电波,它指的是当新出现的刺激违背了已经形成的刺激出现规律时,该新刺激的事件相关电位会在100200 ms这一时间段出现一个负向的波,因此被称为失匹配负波。失匹配负波是脑电中极为重要的发现,因为该波不仅鲁棒性强,在听觉、视觉等各个研究领域都有被发现,而且该波连接了心理学研究中两个重要的概念——记忆和注意。因此该波得到了学术界广泛的关注,关于该波的研究论文已经超过了两千篇。然而由于脑电设备空间分辨率很低,导致失匹配负波在脑内的产生过程到现在还不是十分清楚。在本文第五章的研究中,通过听觉实验诱发了听觉失匹配负波,利用听觉失匹配负波的试次间可变性将脑电与核磁信号融合在一起分析,得到了听觉失匹配负波在大脑中的产生过程。我们发现失匹配负波的产生是一个从听觉皮层传递到达辅助运动区和额下回的动态神经过程,这与一些侵入式插入电极的方法研究得到的结论是基本一致的。我们的研究支持了失匹配负波产生于预测错误自下而上传递过程的假说,该假说认为脑内存在一个预测网络,当新出现的刺激与已产生的预测不符时,其错误信息会以自下而上方向传递到网络的高级皮层,从而修正网络的预测。本论文的研究结果表明,在听到有规律的声音时,听觉皮层、辅助运动区、额下回会形成一个预测网络,而听觉皮层属于预测网络的低级区域,当新出现的刺激与听觉皮层存放的预测不符时,其错误信息便自下而上返回给高级皮层的辅助运动区以及额下回,从而更新这个预测网络。本论文的发现是首个以非侵入的方式获得的失匹配负波的产生过程,相比单纯的脑电或核磁共振分析,本论文得到了该波更为瞬态和精准的动态产生过程。综上所述,本论文利用脑电-核磁共振融合方法研究了在听觉领域中仅利用脑电或核磁中的一种难以解决的三个问题,取得了不错的效果。在听觉研究领域的成功实践表明,基于试次间可变性的脑电-核磁共振融合方法相对于传统的神经影像方法,能够以高时间高空间分辨率来分析神经活动的瞬态过程,具有良好的应用与推广前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 脑电与核磁共振的神经机制
•     1.2.1 脑电的神经机制
•     1.2.2 核磁共振的神经机制
•   1.3 脑电与核磁共振融合研究现状
•     1.3.1 融合实验设计
•     1.3.2 常见的融合策略
•     1.3.3 融合策略：比较
•     1.3.4 融合策略：非对称方法
•     1.3.5 融合策略：对称的方法
•   1.4 本文通过脑电-核磁融合研究的听觉领域的问题
•     1.4.1 纯音在大脑中的传递与加工过程
•     1.4.2 大脑对拍子与节拍的神经共振
•     1.4.3 听觉失匹配负波在大脑中的产生过程
•   1.5 本文的结构
• 第二章 基于试次间可变性的脑电与核磁融合
•   2.1 基于试次间可变性的脑电-核磁融合介绍
•   2.2 融合流程简介
•   2.3 脑电数据操作
•     2.3.1 核磁梯度噪声的去除
•     2.3.2 心电干扰的去除
•     2.3.3 眼电干扰的去除
•     2.3.4 脑电数据操作小结
•   2.4 核磁共振数据操作
•     2.4.1 头动校正
•     2.4.2 切片时间校正
•     2.4.3 结构像与功能像的配准
•     2.4.4 结构像的分割
•     2.4.5 空间标准化
•     2.4.6 数据平滑
•   2.5 数据融合操作
•     2.5.1 融合特征提取
•     2.5.2 调制刺激时间序列
•   2.6 本章小结
• 第三章 利用脑电-核磁融合研究纯音在大脑中的加工过程
•   3.1 引言
•   3.2 实验方案与分析方法
•     3.2.1 实验方案
•     3.2.2 功能磁共振数据采集以及分析
•     3.2.3 脑电数据的获取与分析
•     3.2.4 脑电-核磁融合分析
•   3.3 实验结果
•     3.3.1 脑电结果
•     3.3.2 核磁结果
•     3.3.3 脑电-核磁融合结果
•   3.4 讨论
•     3.4.1 脑电-核磁融合方法的优势
•     3.4.2 纯音的加工过程
•   3.5 本章小结
• 第四章 利用融合研究拍子和节拍在大脑中加工脑区的异同
•   4.1 引言
•   4.2 实验方案与分析方法
•     4.2.1 被试信息
•     4.2.2 刺激素材
•     4.2.3 实验过程
•     4.2.4 脑电-核磁共振数据的采集
•     4.2.5 脑电数据的预处理与分析
•     4.2.6 核磁共振数据的预处理以及分析
•     4.2.7 脑电-核磁共振融合分析
•   4.3 实验结果
•     4.3.1 脑电结果
•     4.3.2 核磁共振与融合结果
•   4.4 讨论
•   4.5 本章小结
• 第五章 利用融合研究听觉失匹配负波的产生过程
•   5.1 引言
•   5.2 实验方案与分析方法
•     5.2.1 实验方案
•     5.2.2 实验数据的采集
•     5.2.3 脑电数据的预处理与分析
•     5.2.4 核磁数据的预处理以及分析
•     5.2.5 脑电-核磁共振融合分析
•   5.3 实验结果
•     5.3.1 脑电结果
•     5.3.2 核磁与融合结果
•   5.4 讨论
•     5.4.1 对传统结果的讨论
•     5.4.2 对融合结果的讨论
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文工作总结
•   6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间已发表的学术论文
• 攻读博士士期间参加的科研项目

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李强

导师: 刘光远

关键词: 脑电,核磁共振,听觉,融合分析,试次间可变性

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,电信技术

单位: 西南大学

分类号: Q42;TN911.7

总页数: 120

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