3.1.2在线视频

各位同学大家好

这节课我们向大家介绍一下

功能磁共振图像的一些基本的内容

我们这里针对于题目

我们要向大家解释一下功能磁共振图像

我们的英文fMRI到底是什么意思

f代表方式能

我们这里主要是指大脑的功能

大家可能在某些场合也会见到FMRI这个功能

F是指的比较通俗的功能

比如说我们的脊髓的功能 腹部的功能

别的其他地方的功能

这里我们主要的功能磁共振图像是fMRI

具体针对大脑功能来进行一些简单的阐述

那我们先来看我们功能磁共振图像

大家可能觉得跟我们

结构图像大家都很清楚

我通过结构图像能够看到

我的脑子是大是小 是圆 是方

甚至我能看到

我的脑区某一块脑区 沟 回是怎么样的

长得是什么样子的

我们对我们形态学能有一个基本的一个了解

通过对于形态学的一个了解

我们知道你这块脑区到底发育好还是不好

我们举个简单的例子

比如说我们临床上小孩里面有一种疾病

叫孤独症

它就是先天大脑某一块脑区发育出现了问题

导致后面有一个孤独症的一个症状

也就说通过结构磁共振图像

我们能够很清楚的看到

我们能够看到你是长什么样子的

哪里长的好 哪里长得不好

通过我们对于形态学的一个分析

我们能够得到很多

疾病相关的一些信息

功能图像大家可能就会想的是很神奇

功能图像

难道我通过这张图像你告诉我

哪块是负责说话的

哪一块是负责看图片的

哪一块是管智商的

还能有这么强大的功能 没有错

我们除了知道人脑的结构之外

其实我们更加感兴趣的是大脑是如何运作的

那比如说临床上有一种疾病

我们大家肯定经常听说

尤其是最近这段时间媒体经常报道

比如说焦虑症

我们焦虑症的极限情况

就是患者可能会具有一些自杀 极端的一些行为

之前我们通过采集到

焦虑症患者的大脑结构图像的时候

我们能够看到他的大脑的形态学

长的挺好的

也没有什么奇奇怪怪的东西

也没有肿瘤

这里也没有受到损伤

那为什么他会出现那么极端的一个表现

他的大脑功能出了问题

那现在我们就想知道大脑

每一个脑区到底是负责什么样的功能

那我们通过健康人和病人的比较

发现病人跟健康人相比

这一块脑区的信号出了问题

也就说功能出了问题

可能相应的有一个什么奇怪的临床表现

这是一方面

另外一方面我们对于健康上的研究

或者说我们对于健康人功能图像的一个采集

我们也想知道这个人现在在想什么

或者说我们看到了一个

比如说我们有一天研究生过来研究生复试

我采集了他的大脑的功能的图像

我能不能告诉你到底是

这个同学聪明还是这个同学聪明

那通过功能的图像

我们都能够获取到相应的一些信息

那下面我们就简单的向大家介绍一下

我们如何从一张图像里面能够抓出它的功能

是件很神奇的事情

那我们先简单的介绍一下功能磁共振图像

如这张图所示

功能磁共振图像是一张非常模糊的图像

大家看到跟结构图像相比

它非常非常模糊 不像结构图像

我们能够很清楚的看到一个弯一个小小褶皱

那功能图像

好像是一块非常不清楚像素很低的图像

那我们首先来介绍一下这张图像是怎么获取到的

我们知道血液里面有氧合血红蛋白

与去氧合血红蛋白

然后这两种血红蛋白在我们脑子里面

在血液里面走了一圈的时候

有一块脑区 它现在要活动起来

比如说觉得你在看一个什么东西的时候

负责视觉的脑区它需要消耗能量

氧合血红蛋白腾腾腾

把能量带了过去

消耗掉了一定的能量 给了这块脑区

这块脑区有了能量就可以实现某种功能了

这个时候氧合血红蛋白就变成了去氧血红蛋白

那我们知道氧合血红蛋白和去氧血红蛋白

它的磁场强度是不一样的

磁共振就能够探测到这种磁场变化的一种强度的变化

还有一种分布的变化

通过对这种磁场的一个描述

我们进行成像

我们就能够得到我们这张不清楚的图

功能图

那么有同学可能会问了

那这张不清楚图为什么这么不清楚

那我们这里简单向大家解释一下

我们一般在图像采集的时候

我们在临床上采集一个高分辨率的

也就层厚非常薄的一个结构图像的时候

大概需要5分钟的时间

一层一层一层把这张图像扫描的非常非常清楚

我们能够看到他的很清楚的纹理信息

结构信息都能看得到

花了很长的时间去进行一层一层的扫描

最后得到了我们感兴趣的图像

功能图像不一样

功能图像的采集

整个从脑子的最上面一层

一直扫到了脑子的最下面一层

可能只需要两秒钟

刚才是一个5分钟才把大脑扫完

现在两秒钟就能扫完

那他通过很短的方式

就能够把大脑的每一层的图像信息都能获取到

为什么要这样来

因为它要增加它的时间的上的敏感性

我们想知道大脑的某一个脑区

它到底是一个什么样的一个功能

我们知道在随着时间的变化

这个功能血流在不停的往上传的时候

功能是一直随着时间而变

是一直在波动性的变化的

那这样的话就需要我们

有一个很高的时间分辨率

那功能项就是这样的一种图像

它重点增强了我们信号的一种时间上的一个特性

就很短的时间我就能采到一张图

很短的时间 我又能采到一张图

换句话说也就是功能磁共振图像

它牺牲了它的空间分辨率

但是增强了它的时间分辨率

在时间的这个维度上面

它能很敏感到探测到这块脑区

消耗氧气 不消耗氧气的变化的程度

那通过这样变化的一个程度

我们就能够获取到这样的一个图像

这就是我们这张非常模糊的这张图像

你现在大家都可以知道了

我们用5分钟 也就是300秒

可能只能够获取到一张结构像

但是我们能够多获取到多少张

多少个脑子的功能像

我们假设两秒钟采集一张

那就是300÷2

我们能够获得150个脑子

也就说伴随着时间的变化

我脑子里面的一个点

在第1个时间点的时候 信号在这里

在第2个时间点的时候 信号在这里

在第3个时间点的时候

信号跑到这里

就能够探测到在这150个时间点下

5分钟的时间之内

某一个脑区消耗氧气的一个变化的一个程度

那通过这样的一个变化

我们就知道这个脑区是如何波动的

换句话说 在我们功能的图像里面

我们图像上面一个数值的大小

说的不是特别准确的描述

当前这个数值的大小能够代表

当前脑区活动引起的血氧反应的一个高低

也就是英文来说

我们可以说Brain Activity

到底是一个什么样子的

那我们这张图就给了大家最好的一个例子

比如说我们在某一段时间之内

我两秒钟扫一个脑子

两秒钟又扫一个脑子

两秒钟又扫了一个脑子

我们扫了很多个很多个脑子出来

那我们针对于比如说这里一个点

在每一个时间点上

我都看同样的一个位置同样一个位置

在这个位置之下 还在第1个时刻

它没消耗氧气 信号比较低

在第2个时刻 它开始消耗氧气了

开始消耗能量了

这个时候大脑活动要往上涨了

信号到了这里

在第3个时间点

开始进行了某种功能上的

参与到某种功能了

它这个脑区要非常的活跃

信号变到了最高峰

在这一段时间的时候

这个脑区都非常活跃 都在最前面

下面脑区休息的时候

信号又掉了下来

那通过这样的一个图像的一个采集

我们就能够采集到不同时间点下

它的一个功能的一个图像

那对于某一个点我们把它的数值拿下来

比如说如这幅图所示

应该是我们都拿出来了

同样一个解剖位置的一个体素点的一个信号值

那伴随着时间上的一个波动的一个变化

我们最后画出什么 画出这一个体素点

在不同时间之下

它的大脑信号波动的一个情况

那我们刚才说了

这种信号的波动能够代表什么

能够代表我们消耗氧气

brain activity的一个大小

通过这样的一个描述

那我们就知道在这一个时间段以内

我们这一块脑区它的大脑是如何进行活动的

那说到了这条曲线又有什么用

这条曲线在我们工科里面

我们就可以理解为一个信号

也就是我们大脑在这段时间里面

对于参与某种功能活动之下

信号的一个波动情况

就能够来做这样的一个事情

那知道了这样的信号有什么用

比如说我们这里再给大家举个例子

在某种任务之下

比如说一个志愿者

一个志愿者躺在了磁共振机器里面

现在我要求他的眼前有一块幕布

我要求他

过一会会给你放一个图片

你看一下那个图片

然后过一会儿休息一下

屏幕上什么都没有

然后过一会又出现一个图片

比如说我们这个图片就是一个梨

你看一下这个梨

然后过一会没有图片的时候你就不用看了

然后过一会又看了一张梨

过一会又不看了 休息一会

就在这种有任务刺激 没有任务刺激

有任务刺激 没有任务刺激这种阶段的变化之下

我去采集到你大脑信号的一个波动

那这里有些同学就可以说了

他跟我们视觉相关的

比如说在我们这幅图里面有两条曲线

一条是绿色的 一条是蓝色的

那是否绿色的这条曲线比蓝色的这条曲线

在某一个时间段高是指什么意思

它消耗的能量会变高了

对 它消耗的氧气变高了

那为什么消耗氧气就会变高了

这个脑区当前参与了当下的这个活动

信号没有往上涨的或者信号比较低的这个脑区

当前并没有参与这个功能活动

那我们刚才的例子

看图片 不看图片 看图片 不看图片

那通过这样的方式

我们大脑里面哪些脑区会产生一个变化

那当然是看图片的时候参与到这个任务了

我需要消耗氧气 被运过来

消耗氧气 信号有一个变化

休息一下

不用消耗氧气 信号没有变化

又要参与这个功能图片

看这个功能图片又一个刺激

又来了 信号又要变化了

又涨上去了

然后下面又休息

也就说在我们大脑里面

每一个脑区都存在一个信号的波动

当信号波动符合上去下来上去下来上去下来

这个模式的时候

跟我们实验设计非常时间上非常吻合的时候

那我们可以说只要大脑里面它的信号符合

这样的一个一上一下一上一下的这个模式

那么我们就可以断言这个脑区

是不是就参与了我们当前这个实验刺激

也就说这个脑区是否就是

负责看梨的那个脑区

那别的脑区没有动

没有发生一个信号的变化

那它是不是负责动胳膊的脑区

对 那讲到这里

相信每一位同学都已经很清楚了

我们是通过一个具体的上下上下的这种实验设计

来看大脑中相应的脑区是否脑区的信号变化

也是上下上下的这样的变化的一个过程

当二者非常吻合的时候

那我们就说大脑中的这一块脑区参与了

我当前上这个里面的这个任务

底下的这个功能 如果说是看房子

那我可能就是负责的是视觉功能

如果是上这一块 让你是去动手指

然后得到的信号上下上下波动的这样的一个信号

那肯定就是来负责运动的

动手指去动手指的这样的方式

也就说相信大家这样就理解了

我们如何通过一个功能的图像

来获取到我们一个志愿者大脑的功能

是要配合着一个任务的一个设计

看它在我们任务设计底下

在某一个阶段时间之内

看它在任务的设计底下

它的信号的一个波动的一个方式

当它信号的波动方式符合

我们这个任务设计的时候

你就可以断言这个脑区

就是参与了我们当前的这个任务

它的功能可能就是跟你这个任务有关

要不就是动手 要不就是看东西

我们通过对于任务的不同的限定

我们就能够探测到

大脑中哪一块是负责看东西了

哪一块是负责动手指的

甚至心理学可以设计一些更复杂的实验设计

能够获取到一些更高级的功能

那不是我们这节课要讲述的一个内容

当前我们给出一个实验设计

比如说如图所示有一个

绿色红色绿色红色的一个实验设计

那绿色的时候就是休息的时候

红色的时候就是要求你看图片的一个刺激

那我们现在把脑大脑里面的

每一块脑区的信号都提出来

看看他们的信号长什么样子

当我们看到视觉区的时候

就是在我们枕叶这个位置

专门负责看东西的一块脑区

当我们提取到这一块脑区的信号的时候

发现这块脑区的信号变化

如黑线所示

跟我们的实验设计波动非常的类似

那我们就有了

这块脑区可能就是负责来看东西了

那我们在实际操作当中就是这样复杂吗

那当然不是这样复杂了

我们在实验操作的时候其实非常简单

就是用图片把脑子里面的每一块信号都拿出来

用图片在图片那个时间段的信号

减去休息时间段的那个信号

但我们说的这个减的数值

减法是要通过我们统计学的方法

一套很复杂的统计学的方法进行统计检验

来看 看红色是图片

那一段时间下的信号是否

显著的高于看休息时间段的那块的信号

当我们有这样的一个表现的时候

如我们这幅图上所示

我们把这种变化的程度

也就是说我们的红色跟绿色这种

显著性差异的这种程度

用颜色来表示 投射到我们的结构像上面去

也就是我们的这幅图的结构像上面去

颜色越红的地方说明什么

说明它的差异越大

看图片的时候和休息的时候

他表现出的差异越大

而颜色越浅 说明它的差异并不是那么大

没有颜色的地方说明什么

他俩没有显著性的差异

那我们通过这幅图就可以看到了

当我们图像上面有颜色的地方

就代表了我们整个实验里面

负责我们看图片的这些地方

如图所示也就是运动区

那有些同学就问了

老师 您刚才不是说在我们功能成像的时候

图像是非常模糊的吗

那么为什么在我们这个例子里面

我们看背景挺清楚的

这里要给大家解释一下

你看到的这幅具有伪彩图的

代表某一块功能激活的这个图

其实它是两张图

首先最前面的一张图就是带颜色的一张图

是我们通过了数学的方法

经过和数学统计的方式

我们寻找到了哪些脑区参与到了我们这个实验

而且它的任务下和休息下的这种信号上

统一差异非常高的那些地方

我们用它的伪彩来显示

那为了更好的让大家看看这些地方到底在哪里

我们把它的功能像和它的结构像进行一个叠加

那大家肯定就知道我自己的功能像

跟我的自己的结构相肯定是轮廓是一样的

纹理也是一样的 对吧

然后我通过图像配准的方式把它叠到一起去

这个时候大家就看到了如屏幕所示的这张图

在一个很清楚的纹理结构信息下的

一张具有哪些地方有功能变化的一张伪彩图了

那我们下面给大家举几个简单的例子

首先第1个例子是我们一个视觉任务

我们现在有一个志愿者

躺在我们的磁共振机器里面

眼前他有一块幕布

这个幕布呈现出了一个

类似于我们五子棋盘格的一张图片

然后先让这张图片闪烁

闪烁的频率分为了4Hz和8Hz

两种闪烁的方式

那么现在这个实验就是这样了

这个志愿者先休息大概20秒

在机器里面休息20秒 就是什么也不看

或者说屏幕上会出现一个黑屏

就什么东西都没有 黑屏什么东西都没有

然后20秒的黑屏

然后10秒钟4Hz的图片不停的闪烁4Hz

然后再休息20秒

又出现了一张图片 8Hz的图片又出来

就说在这一次实验过程当中我有两种情况

一种是4Hz 一种是8Hz

那在这两种情况之下

如果我去拿4Hz的图片

出现4Hz频率图片的那一段信号

减去休息的信号

就得到我们现在这样的一个激活图

那这张激活图说明了什么

说明大脑中这些地方和4Hz闪烁图片功能有关系

我们用出现8Hz图片时间段的信号

减去我们休息时间段的信号

我们就能得到如下这张图

那这张图能够说明什么

能够说明在我们8Hz的情况之下

我们大脑中枕叶的这块脑区有激活

那有些同学就问了

那4Hz图片和8Hz图片之间是否有什么差异

是否我大脑中的某一块脑区负责

频率的变化的这样一个功能

也就是说当我们不同频率变化的时候

这块脑区只能看到高频率的图片

看不到低频率的

有的脑区只能看到低频率的图片

看不到高频率

那我们这个时候怎么做

相信大家已经想到了也非常简单

我们用8Hz的图片和4Hz图片

时间段的信号做一个差异

得到的信号上的差异

那是什么 那很简单

就是8Hz图片和4Hz图片

大脑里面负责不同频率图片

闪现功能的那块脑区了

也非常的简单

下一个例子是我们双手握拳运动的一个任务

比如说现在实验要求

一个志愿者躺在一个机器里面

看到屏幕上的一个提示握拳

就不停的这样来握拳

大概握拳了10秒钟

好了 休息一下

休息一下 不要动

20秒休息

然后10秒钟继续握拳 又开始握拳

然后又一个20秒的休息

又一个10秒钟握拳

大概就这样一上一下一上一下组块式的

这种实验让去完成

那我们进一步通过很跟刚才的例子一样

我们通过握拳时间段下的信号

和休息时间段的信号进行一个统计的一个检验

我们发现如图所示

我们大脑顶叶双侧运动区有明显的激活

而这两个区域是我们运动的初级投射区域

大家看得很明显 左右对称

左右对称就在我们顶叶的上侧

这两侧是负责管我们运动的

那换句话说 如果在某种疾病当中

如果两侧的运动区出现了损伤

会造成什么现象

我们通过这个实验

我们就能够得到最初的一个结果

它可能握拳会出现一个影响

至于他走路或者说别的方式是否出现了一个

也有可能会出现一个相应的运动的问题

那我们这样就可以设计一个动腿的一个实验了

我们更可以去比较动手动腿

是否由大脑的不同的脑区来负责

对脑区不同区的功能更细化的一个划分

能够让我们更加的清楚知道

不同脑区的那肯定是不同脑区的功能了

那对于某种疾病来说

重要是针对某种疾病来说

他可能对这个疾病有一个更好的一个理解

单侧触觉感知任务

我们这里我们有一个志愿者

躺在磁共振机器里面

我们有一个实验人员

通过一个毛刷简单的刺激他的手指

目的是想看我在刺激你手指的时候

你大脑负责我们触觉的这块脑区到底在哪里

那这个实验就比较有意思了

意思在哪里

因为它只刺激了你的右侧手指

我们这里看结果

我们通过

刺激 休息 刺激 休息这样一个实验范式

还是刺激情况下的信号和

休息情况下的信号做一个统计检验

我们发现了在左侧中央后回

有一个信号的明显的一个不同

我们左侧的中央后回

正是负责我们触觉感知的一个脑区

那为什么只有左侧激活

你不是刺激的右边吗

这就是有一个功能对侧的激活的表现

我对我右侧的一个激活左侧有一个反应

那下面对于左侧的一个激活

可能右侧会有一个相应的一个反应

这个例子也非常有意思

那通过如上的几个例子

我们相信各位同学已经很清楚的知道了

我们如何利用功能磁共振图像

来获取到大脑中的某一个功能

总结一下 配合着我一个很简单的实验设计

那你也可以把你的实验设计

设计的更加的复杂

如果你是心理学的背景

你可以按照你心理学的实验范式

你可以得到更加高级的功能

比如说我哪一块脑区是负责疼痛的

哪一块脑区跟智商有关

如此更加高级的认知功能

你也可以获取到

那就要配合更复杂的一个实验设计

再借助到我们这种实验设计的控制底下

通过功能磁共振图像

能够简单的得到我们大脑中的某些的功能

那在我们得到大脑某些功能的情况之下

我们就对我们的疾病也好

对我们的健康人的大脑功能也好

脑科学的研究也好

有一个更深的一个理解

那听了这么多

大家可能会问一个更加具体的问题

那我们到底应该怎么样去做信号上的对比

那这就是我们下一节课的内容

我们下节课内容

主要会给大家简单的介绍一下

我们图像处理之间的一些简单的知识

那我们这节课就到这里

谢谢大家 我们下节课见