基于组独立成分分析方法的情绪刺激对脑部激活区域的研究

武杰，周春宇，杨叶，付令

1. 上海理工大学医疗器械与食品工程学院(上海，200093)2. 伊士通(上海)医疗器械有限公司(上海，200093)

0 引言

情绪，是对一系列主观认知经验的通称，是多种感觉、思想和行为综合产生的心理和生理状态。而情绪状态对于认知执行功能、脑疾病等等的影响更是成为脑科学的热门研究领域[1]。在众多研究方法之中，以fMRI为代表的影像手段成为无创脑科学研究的主流。而对于fMRI影像数据的处理方面，独立成分分析成为科研人员的热衷手段之一。

独立成分分析(Independent Component Analysis，ICA)是基于数据分析的方法，无需先验假设，可将 BOLD 信号中的头动、心跳呼吸等生理性噪声等成分分离提取，而与脑活动相关的信号成分可形成相关功能脑区网络，是 fMRI 研究中应用得越来越广泛的数据分析方法[2-3]。虽然ICA 方法提取的成分具有良好的可重复性和可信度，但传统的ICA方法运用于个体的fMRI数据，无法提取一组对象之间的共同特性[4]。本文采用的组独立成分分析(Group ICA)方法，是在传统独立成分分析的基础上，通过对跨个体的独立成分的融合，构建出组独立成分，从而反映出一组对象大脑运行机制的整体特性。

在情绪机制研究中，一般认为情绪信息处理，尤其是恐惧等强烈的负面情绪的产生和传递，与以杏仁核为中心的回路有关，但是对于这些“回路”的解剖学位置有着不同的观点[5]。已有文献证明，在面对恐惧情绪和积极情绪的刺激时，基底外侧杏仁核的突触连接产生了高度的活跃和可塑性[6]。有研究[7]通过大鼠的神经解剖实验，证明了前额叶与杏仁核存在着生理和功能上的联系。除了杏仁核之外，其周围的纹状核底部区域也被证明在处理恐惧、威胁等情绪时起着核心作用[8]。但是在各种情绪状态下，全脑的详细活动机制尚未有研究成功得出。通过这些研究可见，与情绪有关的激活区域、脑“回路”和脑网络值得进一步证实和研究。

在众多数据处理方法中，Shi等[9]采用ICA方法处理患有抑郁症成年男性的fMRI图像后指出，被试者DMN默认模式网络的活跃程度与对照组有明显区别，实验组内侧前额叶的功能连接性显著衰弱。从而验证MDD会损坏成年年轻男性的自我监控能力和情绪认知自我调节能力。Kohn[10]利用ICA方法探究血糖水平对情绪信息处理的影响，该研究发现饥饿状态下被试者的与情绪相关的前膝状体、后扣带回、额下回和辅助运动前区等活跃。Dalenberg等[8]采用ICA方法发现与味觉愉悦有关的活跃区域与腹侧情绪网络[11-14]高度吻合，其中包括杏仁体、岛叶、腹侧前额叶、纹状体和海马体腹侧等区域。

而本文通过分离独立成分的激活区域，并对各个成分空间激活图的解剖位置以及所属脑区进行判断。以经过筛选后的独立成分作为结点，生成的脑网络在应用价值上有着更强的针对性和实用性。

1 组独立成分分析方法

本研究分别对积极和消极情绪刺激下得到的预处理图像数据进行独立成分分析，从而得出空间独立成分的激活图。本文采用的组ICA算法为最大信息传输的Infomax算法。ICA的一般模型为：

Y(t)=WX(t)=WAS(t)=S(t)

(1)

注：其中X为观测信号，Y为分离后的信号，S为源信号。而WA为分离复合矩阵。

本文采用的组ICA方法的数学模型如图1所示。其中Si(Vi)为源信号，经过大脑处理和磁共振扫描后生成原始数据，再经预处理和组ICA处理得到组独立成分Ŝi(j)。

图1 组ICA的数学模型

Infomax的分离矩阵W的迭代公式为：

Wk+1=Wk+μΔW=Wk{I-ψμT}Wk

(2)

注：其中μ为步长，ψ为非线性函数，在此省略其计算过程，k为迭代次数。

因此Infomax算法的算法步骤如下:

(1)确定μ的初始值、W的阶数以及得到观测向量X;

(2)对X白化预处理;

(3)计算ΔW={I-ψμμT}Wk;

(4)计算Wk+1;

重复(3) (4) 步直到算法收敛, 得到所需的分离矩阵W。

2 结果

2.1 实验设计

被试者均为健康，精神状态正常的成年人。在被试者的筛选过程中排除精神疾病和身体状况不良的影响。采用Siemens Trio 3.0 T MR仪器, 8通道头线圈，排除脑梗死、肿瘤等明显器质性病变。首先进行定位图像扫描，之后进行结构图像T1的扫描，然后通过投射仪对于实验者给予不同情绪图片刺激，再进行覆盖全脑的三维快速扰相梯度回波图像的扫描，结束整个实验扫描。情绪图片来自国际情绪图片系统(International Affective Picture System，APIS)，若图片是“正性”表情 ，则要求受试者点击鼠标左键，呈现“负性”表情，点击鼠标右键，呈现“中性”表情，不做任何动作。两种类型图片各15张，随机呈现，每幅图片呈现2 s，每间隔10 s呈现一次。其中扫描参数为：TR 2 000 ms，TE 60 ms，视野24 cm，矩阵64×64，层厚5 mm，层间距1 mm。

在独立成分分析以及统计分析前先对数据进行预处理。预处理包括时间校正、头动校正、空间标准化和平滑处理等步骤。时间校正即对每个被试的 fMRI 数据去除同一时间点图像因采集时间差异引起的误差； 头动校正即排除头部平动大于1 mm、转动角度大于 1.5°的被试者图像； 将校正后的图像进行标准化到标准的蒙特利尔(Montreal Neurological Institute, MNI)系统，并将每个体素重采样至(3×3×3) mm3； 最后使用高斯核函数进行平滑，降低空间噪声，全宽半高值(FWHM)为6 mm。

2.2 组独立成分的选取结果

本文采用空间ICA对fMRI数据进行处理，进一步生成空间激活图，选择了激活强度比较靠前的独立成分，其坐标信息和激活强度列于表1和表2之中。本文去掉了积极情绪中效果较差的成分01，并将其余各个成分激活区域的激活位置进行定位，并且判断其所属的脑网络，将以上信息整理于图表之中。各个独立成分的激活图和时间进程是由整组被试者数据整合计算生成。

图2和图4分别为被试正性和负性情绪图片刺激下的脑部网络的空间激活图。图3和图5分别为基于时间进程相关系数的正性和负性情绪的相关系数矩阵。横轴和纵轴数值分别代表独立成分的编号，编号与表1和表2中的序号一致，颜色代表相关系数的大小。

图2 正性情绪条件下的fMRI独立成分的激活图

图3 正性情绪下独立成分之间的相关系数矩阵图

图4负性情绪条件下的fMRI独立成分的激活图

图5 负性情绪独立成分之间的相关系数矩阵图

IC AAL分区位置坐标像素值P值0396:小脑6-30-509.20.0401278:右侧丘脑12-22 2015.30.0280938:海马-10-16-159.50.0250813:三角部额下回36 22 159.60.0360687:颞极:颞中回-50 20-40 14.30.002027:左侧额中回-32 42 59.80.0491032: 右侧前扣带和旁扣带脑回6 -30 -505.50.0291117:海马旁回6-14-307.50.0110730:脑岛0-42 856.20.0010445:左侧楔叶-14-86 1510.50.0090582:右侧颞下回 12-58 4013.50.026

表2 负性情绪条件下的组独立成分信息

2.3 积极情绪的激活区与其对于执行控制网络

本研究对于积极情绪的核磁共振数据进行独立成分分析，得到了12个独立成分。其中顶叶(IC01)、左侧壳核周围(IC02、06、11)尾状核及其附近(IC08，10)以及后扣带皮层与杏仁核的邻近区域(IC09、12)等区域得到了明显的激活。

其中，IC02和IC06所显示的活跃区域属于左侧执行控制网络区域，两者分别与杏仁核附近的IC12和背侧默认模式网络的IC09高度相关。也在一定程度上佐证当积极情绪刺激以视觉形式给予后，大脑的认知水平得到一定的促进[15]。这个过程很可能与左侧颞极颞中回的执行控制区域有关。

2.4 消极情绪信息的加工通路

对于负面情绪的刺激来说：从数据结果可以观察出，被试者处于负面情绪任务态下，丘脑和与之临近的苍白球部位周围的区域(IC01、02、04、06、10、11)被激活得程度较为明显。而楔叶右侧(IC5)、左侧颞叶与额叶临近的区域(IC3、12)分别以不同的时间进程与上述区域产生高度相关性。有文献[16]指出，抑郁症患者右侧颞极上部右侧梭状回(AAL56&56)、右侧海马(AAL38 )、左右侧尾状核(AAL 71&72 )、左侧后扣带回(AAL 35)、左侧中扣带回(AAL 33)、左侧颞极上部(AAL 83)、右侧楔前叶(AAL 68)等脑区比对照组更为活跃。而本文所得出的空间独立成分IC9准确反映了右侧楔前叶的活跃性。而右侧海马(AAL 38 )左侧后扣带回(AAL 35)、左侧中扣带回(AAL 33)处于IC6的附近区域。右侧尾状核(AAL 72)也与IC01和IC11所反映的区域相近。有文献指出，其情绪波动时的脑区域与精神类疾病有着密切联系，本文推断负面情绪与抑郁症存在着功能上的联系。

这些脑区之间的联系与处理情绪信息的皮层-丘脑枕核-皮层通路有着高度的契合。有文献表明[17]，皮层(包括视觉皮层、前额叶及小脑皮层)-边缘系统-纹状体-丘脑环路脑区结构异常与抑郁症的形成关系密切。以上结果表明独立成分分析可以作为验证皮层-丘脑枕核-皮层环路机制的有效方法。

4 结束语

从本文的实验结果可以看出，正性情绪状态下，语言网络较为活跃，而且其与左脑的颞叶、凸显网络和额中回有着更强的连结性，这些区域与信息处理和认知活动有关。本文由此推断在神经机制意义上，正性情绪对于认知水平的促进作用与更明显地激活语言区域等高级脑区有直接关系，并且与左侧额中回-颞叶-脑岛-海马旁回通路有关。

另外,在负性情绪条件下，整体上各个成分相互之间的连接性普遍下降。说明同一时间共同激活的脑区较小，可能与负性情绪对于认知活动的抑制有关[18]。特别是在左侧楔前叶部分(正性情绪IC04和负向情绪IC07)，在正性情绪下该部位视觉区域、脑岛、背外侧前额叶皮质以及后扣带回关联紧密。而在负性情绪下，与该部位共同活跃的区域明显较少，类似的情况在后扣带皮层也比较明显。有文章[19]认为，PCC等区域与周围各个脑区连接性下降是轻度认知障碍的标志之一。而焦虑症和抑郁症是负性情绪严重影响大脑健康的两大疾病，本文推断患者所存在的认知水平下降很可能与左侧楔前叶和右侧后扣带回区域的代谢下降有关联。