基于功能磁共振成像的早期失聪后脑跨模态重塑机制的关键问题研究

摘要

传统观点认为听觉皮层是一个只参与处理听觉信号的单模系统。然而，最近研究发现人脑的听觉皮层可以处理其它感觉刺激，而且这种跨模态活动在早期失聪人群更为明显。然而，早期失聪是否会引起听觉皮层参与非听觉认知活动，以及听觉区如何处理这些认知信号等关键问题却了解甚微。本课题将以早期失聪人群为模型来探讨失去原有功能的听觉皮层跨模态地参与视觉工作记忆任务处理的神经机制。
　　本研究首先假设早期失聪被试的听觉皮层参与处理视觉工作记忆任务并且该皮层的活动能够预测他们工作记忆能力。因此，本研究首先招募41例早期失聪被试和40例年龄与性别相匹配的正常被试来完成包括编码、维持和再认三个阶段的视觉空间延迟再认任务。相比正常对照组，行为学结果表明早期失聪被试在完成工作记忆任务时反应更快。而且，脑激活检测结果表明在工作记忆任务的再认期，早期失聪组双侧颞上回呈现显著性激活，并且激活程度越高，早期失聪组完成工作记忆任务的反应速度更快且更准确。早期失聪组在工作记忆任务维持期的双侧颞上回，以及编码期的右侧颞上回均呈现显著性激活，而且激活程度能够预示早期失聪组更快的完成能力。上述结果都说明早期失聪组听觉相关皮层能跨模态处理视觉工作记忆任务。另外，维持阶段中的听觉皮层激活与开始佩戴助听器年龄成正相关，和终生佩戴助听器年龄比呈负相关，这说明越早或者越长期使用助听器可能抑制听觉皮层的跨模态重塑，并有助于提高佩戴助听器的临床疗效。另外，相比正常对照组，格兰杰因果分析表明早期失聪组从前额叶至颞上回的净信息流显著增强，这意味着自上而下调控机制能更好地解释早期失聪组听觉皮层跨模态激活现象。
　　为了进一步明确早期失聪后跨模态重塑的听觉皮层的自发功能网络组织及其认知特性是否发生改变，本研究引入全脑静息态功能连接分析技术，研究42例早期失聪被试和39例正常对照双侧颞上回的自发功能网络活动的差异，以及功能连接强度与视觉空间工作记忆和数字工作记忆能力的相关性。与正常对照组相比，本研究发现早期失聪被试具有超常的视觉空间和数字工作记忆完成能力。功能连接分析结果表明早期失聪组右侧颞上回与双侧岛叶前部、右侧背外侧前扣带皮层和右侧背外侧前额叶皮层之间功能连接均显著增强。而且，右侧颞上回的功能连接强度与视觉空间工作记忆能力显著相关，这种相关性即使回归掉数字工作记忆的影响仍旧存在。因此，实验结果表明早期听觉剥夺能够增强颞上回的固有功能连接，并且有助于颞上回跨模态参与视觉工作记忆的处理。
　　最后，为了明确早期失聪人群听觉皮层的局部跨模态重塑是否引起全脑大尺度功能和解剖网络的拓扑属性的变化。本研究纳入37例早期失聪被试和33例正常对照，分析解剖网络，功能网络，以及功能-解剖网络耦合等拓扑属性的变化。与正常对照组相比，本研究结果只发现早期失聪组Local节点之间功能连接增加，而Rich-club和Feeder连接未见显著差异。早期失聪组全脑功能-解剖连接耦合强度较正常对照呈现增强的趋势，并且耦合强度与他们开始佩戴助听器年龄呈现显著正相关，而与终生佩戴助听器年龄比呈现显著负相关。这些实验结果表明早期听觉剥夺被试的大尺度脑网络发育基本正常，增强的局部连接强度和功能-解剖连接耦合强度可能有助于早期失聪被试更有效地利用残余的感觉信息。
　　综上，本论文初次尝试早期失聪人群听觉皮层跨模态参与视觉工作记忆的神经机制研究，以早期失聪为典型，从新的角度探讨了大脑工作记忆跨模态重塑机制，在早期失聪被试听觉区域是否发生跨模态重塑以参与和处理视觉空间工作记忆认知活动，早期听觉剥夺是否引起大脑自发功能连接发生代偿，及其对脑解剖与功能网络的影响等关键基础认知神经科学问题提供了基本依据与初步解答。神经可塑性是人脑通过学习和训练方式所具备的一种终生能力。期望本文有助于进一步了解疾病或创伤所引起脑结构与功能的可塑性改变之神经机制，以促进大脑损伤后的康复治疗与认知神经科学的发展。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 听觉皮层的生理结构

1．1．2 听觉皮层的跨模态信息处理

1．1．3 听觉剥夺后的听觉皮层可塑性

1．1．4 大脑的功能分离与整合

1．2 研究思路

1．2．1 早期失聪引起听觉皮层功能重塑的可能性

1．2．2 初级听觉皮层参与功能重塑的可能性

1．2．3 早期失聪引起信息连接通路重塑的可能性

1．2．4 早期失聪引起脑网络拓扑属性改变的可能性

1．2．5 失聪临床信息对大脑可塑性的影响

1．3 本文的主要研究内容和结构

第二章 早期失聪引起听觉皮层可塑性的实验设计

2．1 脑成像简介

2．1．1 功能磁共振成像的基本原理

2．1．2 静息态功能磁共振成像的特点

2．1．3 扩散张量成像的基本原理

2．2 任务态功能磁共振成像实验设计

2．2．1 变量归属条件

2．2．2 组块设计的基本原理

2．2．3 事件相关设计的基本原理

2．3 工作记忆任务的实验范式及特点

2．3．1 工作记忆的原理及组成结构

2．3．2 工作记忆任务的经典范式

第三章 视觉空间工作记忆诱发听觉皮层的功能重塑

3．1 实验设计与材料方法

3．1．1 研究对象

3．1．2 任务态功能磁共振成像实验刺激程序及内容

3．1．3 影像数据采集

3．1．4 功能数据预处理

3．1．5 基于体素水平的激活区域检测分析方法

3．1．6 基于大脑感兴趣区域水平的行为学分析

3．1．7 基于大脑体素水平的行为学分析

3．1．8 基于实验任务绩能和临床分析的统计方法

3．2 结果

3．2．1 人口统计学及认知任务行为学结果

3．2．2 大脑激活共同区检测分析结果

3．2．3 大脑激活差异区检测分析结果

3．2．4 初级听觉皮层的可塑性结果

3．2．5 眼动情况对听觉皮层重塑的影响

3．2．6 基于全脑体素水平的激活强度与行为指标的相关性

3．2．7 基于感兴趣区水平激活强度与行为指标的相关性

3．2．8 基于功能重塑区域的激活强度与临床指标的相关性

3．3 讨论

3．3．1 早期听觉剥夺后听觉皮层的跨模态激活

3．3．2 初级听觉皮层不存在跨模态激活

3．3．3 听觉皮层的功能特性

3．3．4 听觉皮层的功能侧化

3．3．5 听觉皮层的功能重塑与工作记忆之间的关系

3．3．6 磁共振机器噪音与听觉皮层重塑的影响

3．3．7 眼动与听觉皮层重塑的关系

3．3．8 残余听力对早期失聪的跨模态重塑的影响

第四章 视觉空间工作记忆对听觉皮层的功能调控

4．1 实验设计与材料方法

4．1．1 研究对象

4．1．2 任务态功能磁共振成像实验刺激程序及内容

4．1．3 影像数据采集

4．1．4 功能数据预处理

4．1．5 基于任务态功能磁共振成像效应连接的分析方法

4．1．6 基于任务态功能磁共振成像效应连接的统计方法

4．2 结果

4．3 讨论

第五章 听觉皮层固有功能连接模式的可塑性研究

5．1 实验设计与材料方法

5．1．1 研究对象

5．1．2 N-back工作记忆认知行为学测评实验刺激程序及内容

5．1．3 影像数据采集

5．1．4 功能数据预处理

5．1．5 基于静息态功能磁共振成像的功能连接分析方法

5．1．6 行为学与人口统计学的统计推断分析

5．1．7 静息态功能连接模式的统计推断分析

5．2 结果

5．2．1 基于人口学和行为学测评的结果

5．2．2 听觉皮层静息态功能连接空间分布模式

5．2．3 听觉皮层静息态功能连接的组间差异

5．2．4 听觉皮层静息态功能连接与行为学指标的相关分析

5．2．5 听觉皮层的功能连接与临床指标的相关分析

5．3 讨论

5．3．1 早期失聪引起工作记忆能力的增强

5．3．2 听觉皮层的静息态功能连接重塑

5．3．3 听觉皮层静息态功能连接强度偏侧化

5．3．4 听觉皮层的静息态功能连接强度与认知行为学指标的相关性

5．3．5 听觉皮层的静息态功能连接强度与临床指标的相关性

第六章 基于静息态功能与解剖连接融合的失聪脑网络研究

6．1 实验设计与材料方法

6．1．1 研究对象

6．1．2 影像数据采集

6．1．3 影像数据预处理

6．1．4 脑白质纤维跟踪方法

6．1，5 脑解剖网络构建方法

6．1．6 静息态脑功能网络构建方法

6．1．7 基于解剖网络的富人俱乐部拓扑结构分析

6．1．8 基于富人俱乐部拓扑结构的节点之间连接分析

6．1．9 基于功能连接与解剖连接耦合性分析

6．2 结果

6．2．1 早期失聪组解剖网络的富人俱乐部拓扑属性

6．2．2 早期失聪组不同富人俱乐部组构连接性的改变

6．2．3 早期失聪组功能与解剖连接之间耦合性改变

6．2．4 脑网络耦合性指标与临床参数之间的相关性

6．3 讨论

第七章 总结与展望

7．1 本文工作总结

7．2 未来工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢