基于MRI及薄層斷面解剖數(shù)據(jù)的人類小腦結(jié)構(gòu)分析.pdf

1、位于顱后窩的小腦，長期以來人們認為其僅參與運動功能，是維持身體平衡、調(diào)節(jié)肌張力和協(xié)調(diào)運動的控制中樞。但近二十年來，大量的研究結(jié)果顯示，小腦的功能不僅僅局限于運動的調(diào)節(jié)，還廣泛的參與認知功能加工，包括感知覺、學習、注意、語言、情緒控制、工作記憶等。
　　 首先，隨著功能影像學技術如正電子體層掃描(PET)、功能磁共振(fMRI)等對小腦非運動功能研究的開展以及準確定位小腦損傷部位，深部核團毀損術、電刺激小腦頂核治療腦部和心血管疾病

2、的功能相關性研究的需要，小腦核團形態(tài)、位置的準確區(qū)分和定位十分重要?，F(xiàn)有的諸多小腦解剖圖譜，由于其命名方法各異，各種表述所指代的結(jié)構(gòu)比較混亂，而且其描述多局限于大體解剖，缺乏對小腦深部核團的描述。另外，早期以MRI圖像為基礎建立的小腦圖譜由于受到層厚、圖像分辨率低等原因的限制，很多小腦小葉、裂與核團都未做區(qū)分。目前，對于MRI圖像上觀察到的小腦結(jié)構(gòu)，其準確的邊界仍難確定，小腦深部核團定位的解剖“金標準”仍然缺乏。
　　 本研究的

3、第一部分，利用數(shù)控冷凍銑削和計算機可視化技術，結(jié)合高分辨率MPI，成功構(gòu)建了小腦深部核團的三維模型，為小腦深部核團的功能影像學研究和臨床手術立體定位提供了有價值的解剖資料。
　　 其次，來自組織學、影像學以及行為學的研究證實小腦在結(jié)構(gòu)、發(fā)育、功能、行為學以及相關的發(fā)育性神經(jīng)精神疾病都存在性別差異。此外，小腦左右半球在功能及結(jié)構(gòu)上也都存在差異，并且受到性別因素的影響。早期組織學和影像學對人類小腦結(jié)構(gòu)性別差異及側(cè)化的研究，由于在數(shù)據(jù)

4、獲取、處理方法等都方面存在一定程度的缺陷，報道的結(jié)果差異較大。
　　 本研究的第二部分，首次在小腦標準空間內(nèi)，利用自動的基于圖譜的體積測定法及基于體素的形態(tài)測量(VBM)分析了112例大樣本MRI數(shù)據(jù)，提供了中國青年人(18-33歲)小腦灰質(zhì)體積的正常參考值，及其兩性異形和側(cè)化性結(jié)果，為理解性別因素對小腦功能的影響，小腦功能的側(cè)化以及相關疾病的研究提供了詳實的結(jié)構(gòu)基礎。
　　 另外，近十年來，運用復雜網(wǎng)絡知識體系對大腦結(jié)

5、構(gòu)或功能網(wǎng)絡進行建模及動力學分析，已成為腦科學研究的熱門課題。在腦區(qū)的尺度上，大量研究利用神經(jīng)解剖學數(shù)據(jù)，如結(jié)構(gòu)MRI數(shù)據(jù)，以及利用彌散張量成像、腦電圖、腦磁圖、功能磁共振成像等技術來采集數(shù)據(jù)構(gòu)建腦網(wǎng)絡，并運用復雜網(wǎng)絡理論及圖論知識進行數(shù)據(jù)分析。研究發(fā)現(xiàn)大腦網(wǎng)絡同現(xiàn)實中其他復雜網(wǎng)絡類似，具有高度的局部聚類性和較小的全局特征路徑長度、節(jié)點度的分布服從冪率分布等特征。最近，研究人員通過皮層厚度、體積、表面積等測度的相關性來得到大腦結(jié)構(gòu)連接模

6、式，利用圖論分析揭示了其小世界特性以及腦區(qū)局部簇的存在，并且在更細節(jié)的分析中發(fā)現(xiàn)皮層的功能系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的模塊存在顯著的重疊。與我們對大腦結(jié)構(gòu)與功能聯(lián)系的認識程度相比，小腦內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)與功能區(qū)的對應關系的研究仍然在初步階段。但是，眾多對小腦功能的研究發(fā)現(xiàn)，小腦內(nèi)不同功能區(qū)的分布與大腦皮質(zhì)一樣豐富和復雜，不同的小腦區(qū)域單獨或共同完成不同的功能，故我們推測在小腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間，通過其復雜的內(nèi)外連接，可能存在一個類似大腦網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)或功能連接模式，

7、并以此來實現(xiàn)小腦的運動功能協(xié)調(diào)功能以及完成其高級認知功能。對于具有復雜功能和內(nèi)外連接的小腦來說，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接模式及其網(wǎng)絡屬性的研究還未見報道。
　　 本研究第三部分，利用大樣本量的MRI數(shù)據(jù)，通過測量小腦灰質(zhì)體積值，分析小腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接模式，構(gòu)建小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡，證實并分析了其小世界網(wǎng)絡屬性。小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡模型的建立，為更加深入理解小腦結(jié)構(gòu)與功能的相互關系提供研究基礎。除此之外，我們還利用圖論分析結(jié)合非參數(shù)統(tǒng)計方法，分析了性別因素對

8、小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的影響，為深入理解小腦結(jié)構(gòu)及功能的兩性異形提供了新的研究視角。
　　 本研究三個部分，摘要如下：
　　 基于薄層斷面解剖及MRI數(shù)據(jù)的小腦深部核團對照及可視化研究
　　 研究目的：
　　 研究薄層斷面、標本及活體MRI圖像上小腦深部核團的位置分布和形態(tài)，并構(gòu)建國人小腦深部核團三維可視化模型，為小腦功能影像學研究、電刺激核團療法的功能相關性研究以及核團立體定向手術提供解剖學依據(jù)。
　　

9、研究對象和方法：
　　 選擇三具尸體標本，先行以CT與1.5T MRI經(jīng)前后連合間線掃描，排除器質(zhì)性病變，選取2例國人成年尸體頭部標本，其中1例經(jīng)明膠包埋和深低溫冷凍后，采用銑削精度為0.001mm的SKC500型數(shù)控銑床同樣經(jīng)連合間線制成層厚為0.1mm的連續(xù)薄層橫斷切片，然后對獲取的圖像進行解剖學觀察并擇取與齒狀核相關的典型斷面與活體MRI圖像，以及相應標準化后的標本3.0T MRI圖像對照。另外選取連續(xù)薄層斷面數(shù)據(jù)及高分辨

10、率的標本3DMRI數(shù)據(jù)中小腦核團相關的圖像資料，利用Amira5.0三維可視化軟件，在二維斷面上對小腦深部核團進行精確分割后，進行表面以及體積重建。
　　 結(jié)果：
　　 1.共獲得與小腦相關的薄層斷面圖像620幅，其中齒狀核、頂核、球狀核以及栓狀核出現(xiàn)的層面數(shù)分別約為145、12、25、20幅。
　　 2.在連續(xù)橫斷面上觀察到小腦核團出現(xiàn)的位置以及形態(tài)，齒狀核最大且最先出現(xiàn)，位于最外側(cè)，形似一個向內(nèi)側(cè)開口的折疊口

11、袋狀結(jié)構(gòu)；頂核是最靠內(nèi)側(cè)的核團，緊鄰第四腦室頂?shù)耐鈧?cè)和上蚓前部的內(nèi)側(cè)面，在中線兩側(cè)對稱分布；栓狀核位齒狀核內(nèi)側(cè)，不易與其區(qū)分，核團部分遮蓋齒狀核門；球狀核由多個散在分布灰質(zhì)團塊組成，呈前后向伸長，出現(xiàn)在栓狀核與頂核之間區(qū)域。
　　 3.成功構(gòu)建小腦核團的三維可視化模型，重建的結(jié)果能夠清晰顯示具有偽彩的小腦深部核團結(jié)構(gòu)與周圍未分割的真彩色的結(jié)構(gòu)間的解剖毗鄰關系。
　　 結(jié)論：
　　 本研究首次利用數(shù)控冷凍銑削和計算

12、機三維可視化技術，結(jié)合高分辨率MRI，成功構(gòu)建了中國人小腦深部核團的三維模型。連續(xù)薄層橫斷面，MRI數(shù)據(jù)及三維可視化模型能夠較好的顯示小腦深部核團的位置、形態(tài)以及與周圍小腦結(jié)構(gòu)的毗鄰關系，為小腦深部核團的功能影像學研究和核團的立體定位提供了解剖學基礎。
　　 論文Ⅱ
　　 基于MRI數(shù)據(jù)分析人類小腦結(jié)構(gòu)的性別差異及側(cè)化
　　 研究自的：
　　 本研究利用大樣本正常年輕中國人腦部高場強MRI數(shù)據(jù)，在小腦標準

13、空間內(nèi)，利用的全自動圖像處理方法獲取正常人小腦灰質(zhì)體積的正常參考值，并分析小腦灰質(zhì)整體和局部結(jié)構(gòu)的性別差異、側(cè)化、以及兩者的交互作用。研究對象和方法：
　　 3.0TMRI獲取112例年齡在18～33歲，年輕男女性的高分辨T1WI小腦數(shù)據(jù)，首先利用基于圖譜的自動體積測定法獲取了正常國人小腦灰質(zhì)體積的正常參考值，然后在非偏倚小腦空間內(nèi)，結(jié)合優(yōu)化的基于體素形態(tài)測定法VBM(optimizedvoxel-based morphomet

14、ry)分析小腦結(jié)構(gòu)的性別差異。結(jié)果顯示兩種測量方法在分析性別差異上大體一致。最后，利用自定義的小腦灰質(zhì)對稱模板，分析了小腦半球的側(cè)化及其與性別差異的交互作用。
　　 結(jié)果：
　　 1.整體上，男性小腦的絕對灰質(zhì)體積值顯著大于女性，但考慮男女性整腦差異后，兩性小腦相對體積的差別不顯著。
　　 2.局部結(jié)果顯示男性小腦前葉及后葉中部體積明顯大于女性，包括：左側(cè)Ⅴ小葉、左側(cè)袢狀小葉CrusⅡ、左側(cè)及右側(cè)后葉Ⅷb小葉、小

15、腦蚓CrusⅡ小葉。女性小腦后葉外側(cè)的右側(cè)CrusⅡ和左側(cè)Ⅸ小葉大于男性。
　　 3.小腦側(cè)化性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小腦半球右側(cè)明顯大于左側(cè)，但是小腦后葉外側(cè)CrusⅡ小葉女性大于男性。
　　 4.此外，性別因素對小腦結(jié)構(gòu)對稱性的影響，結(jié)果分析顯示：男性相對于女性，在多個小葉表現(xiàn)出散在的左側(cè)半球相對較大，在CrusⅡ小葉顯示右側(cè)較大。
　　 結(jié)論：
　　 本研究首次在小腦標準空間內(nèi)，利用自動的基于圖譜的體積測定

16、法及基于體素的形態(tài)測量(VBM)分析了112例大樣本MRI數(shù)據(jù)，提供了中國青年人(18-33歲)小腦灰質(zhì)體積的正常參考值，及其兩性異形和側(cè)化性結(jié)果，為小腦功能及相關疾病的研究提供了詳實的結(jié)構(gòu)基礎。
　　 論文Ⅲ
　　 基于圖論分析小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡及其性別差異研究
　　 研究目的：
　　 利用大樣本量的MRI結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過測量小腦灰質(zhì)體積值，分析小腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接模式，以此構(gòu)建小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡并分析其是否具有小世界網(wǎng)

17、絡屬性。另外利用圖論及非參數(shù)統(tǒng)計方法，研究了性別因素對男女性小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的影響。
　　 研究對象和方法：
　　 本研究利用3.0Tesla MRI獲取112例年齡在18～33歲，年輕男女性的高分辨T1WI數(shù)據(jù)。采用基于圖譜的自動體積測定法得到，包括小腦半球及蚓部在內(nèi)的28個局部灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的體積值。通過計算人群內(nèi)，兩兩結(jié)構(gòu)之間的Pearson相關系數(shù)的絕對值，利用控制多重檢測錯誤的發(fā)現(xiàn)比率(false discovery r

18、ate，F(xiàn)DR)方法對相關系數(shù)矩陣取閾值，構(gòu)建小腦結(jié)構(gòu)二值化網(wǎng)絡。然后利用圖論分析方法，計算其網(wǎng)絡測度，并驗證構(gòu)建的小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡是否具有小世界網(wǎng)絡性質(zhì)。最后，進一步對其網(wǎng)絡屬性進行分析，包括連接度及其分布類型，中樞節(jié)點區(qū)域。此外，通過基于形態(tài)學量度建立網(wǎng)絡的方法，分別構(gòu)建了男女性小腦的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡。利用非參數(shù)統(tǒng)計的方法，評估了性別因素對小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡屬性的影響。
　　 結(jié)果：
　　 1.研究發(fā)現(xiàn)，在大尺度范圍上構(gòu)建的小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)

19、絡具有小世界網(wǎng)絡特征性的較高集聚系數(shù)和較短的特征路徑長度，小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的小世界屬性測度值為：Cpreal=0.47，Lpreal=1.85。
　　 2.分析其他網(wǎng)絡屬性發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡連接度的分布符合指數(shù)截斷冪律分布；利用計算網(wǎng)絡的平均度及標準化介數(shù)定義了9個小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的中樞區(qū)域，這些結(jié)構(gòu)分布在小腦不同的功能區(qū)內(nèi)。
　　 3.男性與女性小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡表現(xiàn)出類似的全局效能，另外較之男性，女性表現(xiàn)出較高的局部效能(高集聚系數(shù))，表

20、明男女性小腦結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出類似的功能，但是功能區(qū)的分布男女性存在差異。
　　 4.在稀疏度為21％是對兩組小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的節(jié)點介數(shù)進行差異分析，顯著性差異的節(jié)點區(qū)域為：女性>男性，左側(cè)Ⅴ和右側(cè)Ⅵ；男性大于女性，蚓部CrusⅡ_、右側(cè)CrusⅡ、蚓部Ⅹ小、葉；男女性小腦網(wǎng)絡的中樞節(jié)點區(qū)域分布在不同的小腦結(jié)構(gòu)上。
　　 結(jié)論：
　　 本研究首次利用大樣本MRI數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建了小腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡，證實其具有小世界網(wǎng)絡性質(zhì)，詳細分析