基于实时功能磁共振神经反馈系统对初级运动皮层自主调节研究

娄江华LOU Jianghua

马丽佳1MA Lijia

李中林2LI Zhonglin

闫 镔2YAN Bin

史大鹏1SHI Dapeng

李永丽1LI Yongli

基于实时功能磁共振神经反馈系统对初级运动皮层自主调节研究

娄江华1LOU Jianghua

马丽佳1MA Lijia

李中林2LI Zhonglin

闫 镔2YAN Bin

史大鹏1SHI Dapeng

李永丽1LI Yongli

作者单位

1.郑州大学人民医院放射科 河南郑州450003

2.解放军信息工程大学 河南郑州 450002

Department of Radiology，People's Hospital of Zhengzhou University，Zhengzhou 450003，China

Address Correspondence to： LI Yongli

E-mail： shyliyongli@126.com

2016-01-21

中国医学影像学杂志

2016年 第24卷 第4期：241-244

Chinese Journal of Medical Imaging

2016 Volume 24 （4）： 241-244

目的 探讨实时功能磁共振神经反馈系统（rtfMRI）对正常志愿者初级运动皮层区（M1区）自主调节的作用。资料与方法 基于课题组建立的rtfMRI，选取右侧M1区作为感兴趣区（ROI），把该ROI的磁共振血氧水平依赖成像（BOLD）信号以曲线的方式反馈给受检者，引导12例正常右利手志愿者通过运动想象进行M1区调节。在线数据采用TBV软件进行分析，观察ROI的BOLD信号改变，并进行组分析和3次训练前后比较右侧M1区信号变化程度。结果 组分析显示，12例正常志愿者通过运动想象M1区上调差异有统计学意义（P＜0.05）；经过3次训练M1区的上调程度不断提高，差异有统计学意义（P＜0.05）。结论 应用rtfMRI在一定程度上能够帮助受检者自主调节初级运动皮层的活动。

磁共振成像；血氧水平依赖成像；运动皮质；神经反馈

【Abstract】Purpose To explore the feasibility of real-time function magnetic resonance imaging （fMRI） on autonomic regulation of primary motor cortex area （M1） activation in normal volunteers.Materials and Methods Twelve right-handed healthy subjects were trained for three times to regulate the blood oxygenation level dependent （BOLD） response at the right M1 area （ROI） using real-time fMRI system. The BOLD signal intensity of the ROI was feedback to the subject in a curvilinear manner. Turbo-brain voyager （TBV）was used for online data analysis. The signal change of the right M1 area before and after training was compared.Results The BOLD signal intensity of all the subjects increased significantly at the M1 area over sessions （P＜0.05）. The signal intensity at M1 area for all of the subjects elevated constantly after trained for three times，which showed statistic difference （P＜0.05）.Conclusion Real-time feedback training is helpful to acquire autonomic regulation of primary motor cortex activation.

【Key words】Magnetic resonance imaging； Blood oxygen level dependent imaging；Motor cortex； Neurofeedback

实时功能磁共振神经反馈系统（real-time functional magnetic resonance imaging，rtfMRI）通过实时处理，可同步观察和分析脑活动，从而帮助受检者实现相关脑区的自主调节。近年来，已有学者通过rtfMRI神经反馈系统实现了对局部相关脑区的调节［1-3］，但由于脑功能结构复杂、地区差异的影响，尚不确定受试者试验过程中理解能力不同等因素，基于rtfMRI神经反馈系统的运动想象能否自主调节初级运动皮层区（primary motor cortex area，M1区）仍存在一定的争议。朱文珍等［4］报道应用实时图像处理技术可以准确地进行运动皮层的功能区定位，但目前国内应用rtfMRI进行实时神经反馈的研究鲜有报道。基于此，本研究选取大学本科以上学历的在校大学生作为研究对象，应用rtfMRI观察12例正常志愿者对初级运动皮层的调节，探讨应用rtfMRI神经反馈训练对M1区的调节情况，为临床应用提供理论基础。

1 资料与方法

1.1 研究对象 2014年6—12月对12名郑州大学人民医院正常志愿者进行M1区rtfMRI神经反馈训练，其中男7名，女5名；年龄22～30岁，平均（24.00±0.66）岁，学历均为大学本科以上，均为右利手，且经头颅MRI扫描无脑内病变，无精神疾病及头颅外伤史，无MRI扫描禁忌证。本研究经郑州大学人民医院伦理委员会批准，所有受检者试验前均签署知情同意书。

1.2 rtfMRI系统 课题组搭建的rtfMRI系统，包括GE Discovery 750 3.0T MRI扫描仪、用于数据传输及在线分析的移动工作站、Turbo-Brain Voyager 1.1（TBV；Brain Innovation，Maastricht，The Netherlands）软件、视觉刺激仪（深圳市美德医疗电子技术有限公司）及给予反馈的投射装置（图1［5］）。扫描时，图像重建工作站重建后的图像数据通过课题组基于TCP/IP协议开发的传输脚本实时传输至移动工作站。移动工作站有2个显示器，1个用于显示经TBV软件在线数据分析得到的脑激活图，另1个用于显示视觉反馈信息。TBV界面主要包括大脑动态激活图，所选感兴趣区（ROI）脑区激活曲线及受检者的头动曲线图（图2）。

1.3 仪器与方法 采用GE Discovery 750 3.0T MRI扫描仪，使用8通道头部线圈，为了减少扫描过程中受检者的头动，扫描前适当固定受检者的头颅。功能像扫描之前先进行轴位T1结构像扫描，扫描参为：TR 8.2 ms，TE 2.26 ms，层数200，层厚1 mm，翻转角12°，视野256 mm，像素1 mm×1 mm×1 mm，平面空间分辨率256 mm×256 mm。磁共振血氧水平依赖成像（BOLD）功能像数据采集采用EPI序列进行，扫描参数：TR 2000 ms，TE 30 ms，矩阵64×64，层厚4 mm，层间距0，层数33，翻转角90°，视野24 mm。

1.4 试验方法 扫描前告知受检者试验目的、流程及相关注意事项，取得受检者的知情同意及最大程度的配合。试验前给受检者展示BOLD-时间信号曲线图例（图3）并加以说明，训练内容包括实际对指运动和想象对指运动，大概1 h。每名受检者调节3次，每天调节1次，每次包括试验前训练、试验中功能定位和反馈训练，连续调节3 d。整个试验过程中，受检者按时作息，未饮酒、咖啡、茶等刺激性饮料，未参加聚会及剧烈运动。

图1 tfMRI系统结构［5］。A为GE Discovery 750 3.0T MRI扫描仪；B为MR工作站及操作台；C为用于数据传输及在线分析的移动工作站；D为刺激仪以及给予反馈的投射装置

图2 TBV界面。左侧为大脑激活图（图中脑结构左侧代表右侧解剖位置），红色与黄色表示该区域脑组织激活，激活强度最高位于右侧M1区。右侧上面2个框内为对应脑组织激活曲线图，蓝颜色代表静息，绿色为对指运动任务，每种颜色间隔为30 s。右底部为6方位头动曲线检测图。当时间曲线位于蓝色区域，受检者执行静息，位于绿色区域执行对指运动任务。曲线代表ROI脑激活程度，曲线升高代表上调激活

图3 反馈给受检者的BOLD-时间信号曲线：纵坐标为BOLD信号，横坐标为时间。灰色背景代表对指运动的BOLD-时间信号曲线，绿色代表静息的BOLD-时间信号曲线，蓝色代表想象运动的BOLD-时间信号曲线。当时间曲线位于灰色区域执行对指运动，位于绿色区域受检者执行静息，位于蓝色区域受检者执行意念想象任务

脑功能数据采集前先进行T1结构像扫描，用于离线分析自身配准。T1结构像扫描结束即进入rtfMRI神经反馈调节阶段。rtfMRI神经反馈调节主要包括功能定位和反馈训练，均采用Block试验设计。

功能定位采用30 s静息与30 s左手对指运动交替进行的方法，共5个循环，时长5 min 6 s（前6 s数据舍弃）。扫描过程中受检者根据投影上的提示分别进行相应的任务，所有受检者均采取左手对指运动，在受检者进行对指运动的同时，在TBV同步显示的脑激活图中勾画出所选ROI即右侧大脑半球M1区，在TBV中保存所选ROI。在线数据分析在移动工作站TBV软件上进行，随着扫描数据的不断传输，TBV软件能够实时呈现动态脑激活图、ROI脑区BOLD-时间变化曲线及受检者6个方位的头动曲线（图2）。

反馈训练阶段采用20 s实际动指、30 s静息、30 s想象运动交替进行的方法，共进行6个循环，时长8 min 6 s（前6 s数据舍弃）。整个过程均给予神经反馈，将功能定位时所选ROI脑区的调节激活图以连续曲线的形式反馈给受检者（图3），让受检者进行M1区的调节。调节过程中受检者可以根据神经反馈曲线用意念想象动指运动，以达到较好的调节效果，当时间曲线走到颜色变化区时切换相应的任务。预先告知受检者，试验过程中只能通过想象调节相关脑区激活，尽量全身放松，避免任何运动对试验结果的干扰。

1.5 离线数据分析 MRI扫描仪在序列开始的几个TR时间场强不稳定，且受检者需要时间适应扫描环境，舍弃前3个TR时间的数据。采用SPM头动校正以排除受检者因呼吸等因素造成的不可避免的头动影响，若平动超过1.5 mm、转动超过1.5°，则该组数据舍弃。本试验所有受检者的数据均符合上述要求。为了进行受检者间比较分析，所有受检者的数据均空间标准化到EPI模板。最后对数据进行高斯平滑处理（FWHM=4 mm）以提高信号的信噪比［5-8］。

1.6 统计学方法 采用SPM 8中的广义线性模型（GLM）对每个受检者的每个run进行单独分析，回归掉6个头动参数，然后采用单样本t检验和配对t检验进行组分析；组分析结果均采用基于蒙特卡罗模拟法Alphasim校正，P＜0.05，连续体素数目＞85；前后3次训练的信号变化程度采用单因素方差分析，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 在线结果观察 功能定位时可以同时观察到不同脑区的激活曲线，对指运动激活脑区主要分布于两侧中央前回、中央后回、左右侧小脑半球等脑区。分别勾选不同的运动相关脑区，观察到小脑激活曲线与ROI激活曲线一致性最好，同侧小脑激活曲线较对侧小脑一致性好，激活强度最高位于右侧M1区，确定ROI为右侧大脑半球M1区（图2）。功能定位时，可以观察到M1区的时间-信号曲线波动与静息-运动任务交替一致（图2）。反馈训练时，激活脑区主要分布于两侧额叶、左右侧小脑半球等脑区，激活强度最高位于右侧M1区，M1区的时间-信号曲线波动与动指-静息-想象运动任务交替一致（图3）。

2.2 离线对指运动及功能训练脑功能分析结果 应用组分析（P＜0.05），功能定位脑区激活主要分布在对侧M1区、辅助运动区（supplementary motor area，SMA区）及同侧小脑（图4A）。反馈训练脑区激活脑区激活分布在对侧M1区、SMA区、同侧额叶及同侧小脑（图4B）。

2.3 3次功能训练ROI激活的前后分析 3次试验ROI即右侧M1区信号变化程度不同，差异有统计学意义（F=5.58，P＜0.05），随着神经反馈训练的增加，右侧M1区的激活信号强度不断提高（图5）。

图4 功能定位及反馈训练脑区激活分布。A.功能定位脑区激活分布图（图中脑结构左侧代表右侧解剖位置），主要分布于对侧M1区、SMA区及同侧小脑（箭）；B.第3次反馈训练的脑区激活分布图，主要分布于对侧M1区、SMA区、同侧额叶及同侧小脑（箭）

图5 前后3次训练的信号变化程度单因素方差分析结果。*P＜0.05，随着神经反馈训练的增加，M1区的激活信号强度不断提高

3 讨论

脑功能MRI可以无创性地对人脑的功能活动进行成像，它结合了功能、影像和解剖3个方面的要素，是一种在活体人脑定位各功能区的有效方法。rtfMRI技术是在fMRI基础上发展的一种神经反馈方法。rtfMRI系统实现全脑功能成像并同步处理，实时反馈给受检者，为神经科学的研究及临床医学的应用提供了方法和手段。本研究应用本课题组搭建的rtfMRI系统，实现了实时对正常志愿者M1区的自主调节。

以往研究显示，应用实时神经反馈可以调节特定相应脑区［1，9-11］，如运动脑区的初级运动皮层、前运动皮层及情绪脑区的杏仁核等，而M1区是研究最多的运动脑区之一，以往fMRI研究显示M1区活动与实际运动密切相关。Decharms等［1］研究发现，通过认知可以诱导出辅助运动区的激活，小脑的激活可能与大脑相关运动功能连接有关；在以往Block设计的fMRI对指运动研究中，同样也发现在运动脑通路中小脑通过运动环路投射至M1区，同侧小脑激活显著［11-12］。Ruiz等［13］研究发现，大脑在执行具体的功能时需要多个脑区共同参与，相互之间以脑网络的形式共同发挥作用。Berman等［14］研究显示，神经反馈试验未能成功激活M1区，并指出该结果与以往研究不一致，可能与训练强度不够有关，也可能与运动想象的策略、选择的脑区及ROI的范围有重要关系。

神经反馈的训练，需要受检者高度的配合，本研究选择本科以上学历的大学实习生作为研究对象，其理解能力较高，可以得到极大程度的配合，获取的试验结果更加可信。以往研究对象的纳入标准为排除一般禁忌证的正常志愿者，学历及年龄无特殊要求。本研究试验前给予1 h充分训练，试验前均达到足够的训练强度，以排除训练强度不一致对结果的干扰。

本研究应用rtfMRI系统观察12例正常志愿者M1区激活，结果显示通过运动想象可以达到与实际运动相似的激活。通过在线观察激活脑区及离线结果分析，观察到M1区的时间-信号曲线波动与静息-对指、对指-静息-想象对指的任务交替一致，想象运动对M1区的激活可以接近实际对指对M1区的激活。本研究中受检者共调节3次，每天调节1次，连续调节3 d，结果显示通过3次训练，想象对指运动对M1区激活程度不断提高，与以往多数研究［1，15-16］结果一致。通过rtfMRI神经反馈运动想象不断地训练，对M1区调节能力会不断加强，最终可以达到与实际运动相似的激活程度。

此外，试验过程中观察到其他一些运动相关脑区也有明显激活，尤其是辅助运动区和同侧小脑，与既往研究一致。本研究认为同一种运动可能由多个不同脑区共同参与，因此试验中会观察到其他运动相关脑区的激活［11-12］。试验过程中同样观察到一些与运动无关脑区的激活，但是激活程度低于M1区，其原因可能为受检者执行想象运动的同时会收到一些视觉、听觉等刺激信息，会激活相应脑区，但是激活程度会明显低于高度注意中的想象运动［13］。

总之，本研究采用课题组搭建的rtfMRI系统，通过运动想象实现M1区的自主激活，这种特定脑区的自主调控，为进一步阐述行为与认知间的神经生理学机制及脑功能的临床研究奠定了基础，对临床偏瘫患者运动功能康复的辅助治疗具有潜在的重要临床价值。然而，本研究样本量较小，无法完全排除视觉、听觉等各方面刺激的影响，有待进一步完善研究。

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（本文编辑 张春辉）

Autonomic Regulation of Primary Motor Cortex Using Real-time Functional Magnetic Resonance Imaging Neural Feedback Training

李永丽

2015-11-27

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.04.001

国家自然科学基金面上项目（81271534）；国家高技术研究发展计划（863计划）（2012 AA011603）；河南省科技厅科技攻关项目（2012-2014）（132102310063）；2012度河南省卫生厅科技攻关项目（201202023）。

R445.2