屈光参差性弱视面孔及物体形觉认知和正常人群对汉字认知大脑皮层功能活动特征的fMRI研究

摘要

目的和意义： 利用血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent，BOLD)功能磁共振成像技术(BOLD-fMRI以下简称fMRI)通过对汉字字形及面孔和物体视觉图片刺激的研究，观察、确认参与汉字字形加工和面孔识别、物体形状认知的脑区，对参与这些功能认知的脑皮层区域进行定位及初步的量化分析，评估汉字字形刺激源在汉字认知fMRI研究中的有效性及其应用价值。了解参与面孔识别的脑区功能定位之后，尽而探究屈光参差性弱视病人大脑皮层及皮层下结构有无功能损害及其损害特点，评价戴镜矫正前后大脑皮层反应的差异特征，有望对弱视的治疗提供理论指导及其效果评价。 材料与方法： 以SIEMENS 1.5 T磁共振成像系统扫描图像获取数据，试验任务采用组块设计模式，E-prime软件编写刺激程序，由Samrtec SA-8800fMRI刺激系统套件(深圳美德医疗电子技术有限公司)呈现刺激。刺激汉字呈现在受试者的头侧、距离双眼0.6m的磨砂有机玻璃屏幕上，然后受试者通过注视额前方固定的反光平面镜来观察毛玻璃屏上的文字图片和面孔图片及物体(家具、工具和建筑物)刺激图片的视觉刺激。为避免过多的因素干扰，本试验使用黑白图片，试验进程中，除了来自显示屏的光线外，被试所处环境中无其它光源。 采用BOLD-fMRI技术及组块(BLOCKS)设计模式，组块由激活状态(activation state)与控制状态(control state)交替组成。汉字字形刺激：按非字-假字-真字-非字-假字-真字顺序呈现，共6个block，每个block刺激状态持续32s，在32s的刺激时间内共出现16个单字，每个字持续1s，并各有两个字连续重复呈现一次。刺激间隔为20s的控制状态，刺激呈现前后各为20s的静息状态，总时间持续32s×6+20s×7=332s。面孔识别与物体认知的刺激： 课题设计中包含面孔(faces)和物体(obiects)的认知觉刺激对比，按face-oDj．-face-obj．顺序呈现，共4个block，每个持续30s，刺激之间为20s的控制状态，刺激呈现前后各有20s的静息状态，总时间持续30s×4+20s×5=220s。面孔为亚洲人标准男女面孔，多个亚洲人面孔呈随机出现，物体刺激包括建筑物、家具和工具的图片刺激，物体刺激图片随机呈现，嘱被试当每发现与上邻一次出现同一面孔或物像时，轻按右手中键盘一次。选择母语为汉语、经12项利手测试后为右利手，且裸眼视力正常或矫正后正常(大于等于1.0)的在校大学生10例(年龄在19～25岁之间，平均年龄22.3±1.2岁)参与汉字字形的fMRI研究。在面孔和物体认知的试验中要求被试的入选标准是实验组与对照组在实验前均在我院眼科进行小瞳验光及试镜，均根据标准量表确定为右利手，且均无其它严重眼部疾病及神经系统疾患，无严重全身性疾病，正常对照组11例，其中男5例，女6例，年龄18～22岁，平均(20±1.3)岁，双眼裸眼视力大于或等于0.6，矫正视力为1.0以上，双眼屈光差值小于等于0.50D；屈光参差组包括屈光参差性弱视病人10例，其中男5例，女5例，年龄6～19岁，平均(10+3.6)岁，单眼弱视，弱视眼矫正视力为0.6或0.6以下，对侧眼矫正视力1.0以上，双眼屈光差值大于等于3.00D。请被试签订知情同意书，并解释试验过程中的注意事项，以求其配合。 实验中先使用快速自旋回波(TSE，Turbo Spin Echo)序列采集15层T 1WI结构图像，扫描基线平行于距状裂。BOLD数据采集采用回波平面成像EPI(Echo planar Imaging)序列，其位置及层厚、视野(field of view，FOV)与T 1WI完全相同，采集三维解剖图像(3D像)，采用三维磁化准备快速梯度回波(three dimensional magnetization prepared rapid acquisition gradient echo，3D MPRAGE)序列作矢状位薄层扫描，层厚1.3mm，层距0.65mm。被试完成视觉任务及数据采集后，以AFNI软件进行数据处理。首先进行数据转换，即to3d，由DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)格式转换为 AFNI所能识别的NIfTI (Neuroimaging Informatics TechnologyInitiative)。进行去头动图像配准、各向同性空间高斯平滑(半宽全高FWHM=5mm)、计算MR信号改变百分比。空间标准化(采用Talairach-Tournoux空间坐标系)过程中功能像进行3mm×3mm×3mm重采样处理。通过反卷积分析，获得脑功能激活图。将各被试反卷积分析得到的平均信号改变百分比进行方差分析(ANOVA)，得到平均激活图。对汉字字形刺激的激活脑区作为兴趣区(ROI，Region of Interest)进行分析，计算其激活体素数并采用SPSS13.0统计软件，对两大脑半球激活体积进行两独立样本t检验，取P<0.05为有统计学意义，以比较两大脑半球的差异，确认语言优势半球。在面孔与物体认知试验中将实验组及屈光参差组各被试反卷积分析得到的MR平均信号改变百分比进行方差分析(ANOVA)，得到平均激活图后，选取腹侧颞下叶的梭状回作为兴趣区(region of interest，ROI)，将其激活体积作为观测指标。采用SPSS13.0统计软件，对屈光参差组与正常对照组的比较采用两独立样本t检验，对屈光参差组弱视病人的屈光矫正前后及与对侧眼激活范围的比较进行两样本配对t检验，取P<0.05为有统计学意义。 结果分析： 汉字字形刺激的平均脑激活情况(F=5.03，P≤0.001时)：左额叶上、中、下回(包括Broca's区)、左中央前回(BA6)、左顶上小叶及顶下小叶(包括缘上回及角回)及双侧枕叶、楔前叶显著激活(P≤0.001)；左颞叶梭状回(B37)、右额中回及双侧颞中、上回及扣带回显著激活(P≤0.001)，左大脑半球的激活体积明显大于右侧大脑半球(显著性检验P=0.042小于0.05)。 正常对照组及实验组所有被试在视觉皮层和腹侧颞叶皮层及左侧后顶叶都同时出现了对面孔和家具、工具及建筑物的图片刺激所激活的区域(F=5.50，P≦2.3×10-6)。对面孔及物体认知加工的区域，虽都位于梭状回，但其具体位置略有区别，对面孔认知的区域在靠外侧、下部的位置，而对物体即工具、家具和建筑物的激活区则在靠内侧、上部的位置。实验组在枕叶视皮层、腹侧颞叶皮层及后顶叶的激活范围均明显比对照组减小；10例屈光参差性弱视病人，在完成弱视眼戴眼镜前后对比实验中，戴眼镜后有8例皮层活动范围明显增大，1例激活范围减小，另一例配镜前后大致相似。对激活体素进行两样本配对t检验统计分析表明，戴眼镜前后皮层激活情况有显著差异。说明弱视患者存在严重的中心视力损害的同时，也存在明显的皮层功能损害，而且配镜后有效提高了皮层及皮层下结构的活动，弱视患者戴镜后有益于视力的提高及病情恢复。本研究通过对弱视眼裸眼与对侧眼在梭状回物体区的激活体积比较，对其进行配对t检验(P=0.303)，说明弱视眼与对侧眼对梭状回物体区的激活没有明显差异，推测屈光参差性弱视患者梭状回的物体区没有明显损害。 结论： 采用BOLD-fMRI技术及本实验的刺激源可以准确地对汉字字形和面孔认知及物体(包括家具、工具及建筑物)形觉认知的大脑皮层区域进行定位。本实验设计的汉字字形刺激源有效激活了重要的语言功能区及与之联系紧密的相关功能脑区：Broca区、左侧顶叶、Wernicke区、双侧额叶及颞中回、颞下回，而非语言功能区激活极少。因此本刺激源具有较高的检测效力及有效性。对面孔及物体的刺激试验中实验刺激源也有效地激活了枕叶纹外视区、颞叶梭状回及左侧后顶叶皮层，结果显示面孔加工区与物体加工区位置不同。 屈光参差性弱视病人，刺激弱视眼所见的大脑皮层激活范围明显小于对侧眼或正常眼。弱视患者显示皮层面孔处理区受损明显，但物体加工区未见明显损害。弱视眼矫正后可以明显提高大脑皮层激活的范围和强度，进一步证实了戴镜后有益于视力的提高及病情恢复。

目录

论文说明：英文缩略词语表

声明

摘要

第一部分 汉字字形认知研究的刺激源设计及其在正常人群fMRI研究中的应用

前言

材料与方法

结果

讨论

结论

图片

参考文献

第二部分 屈光参差性弱视面孔及物体形觉认知的fMRI研究

前 言

材料与方法

结果

讨论

结论

图片

参考文献

致谢

文献综述 视皮层分区及其fMRI研究进展

研究生期间完成的论文