关键词:
功能核磁共振
通用时序模型
T检验
F检验
格兰杰因果
创伤后应激障碍
单向数量稳定性
不断点
摘要:
功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)测量的一个主要目标是将感觉、运动和认知过程与大脑中的特定区域和网络联系起来,它也被大量应用于大脑病变区域识别。目前在这一领域的工作集中在种子节点(region of interest,ROI)和功能连接(functional connectivity,FC)、有效连接(effective connectivity,EC)的定位、对空间信息(3-dimension,3-D)的获取、SVM、ICA、以及识别各种任务状态下的大脑工作模式的分析。但与此同时,记录fMRI数据所携带的时间方向上的信息提取的研究并不多,这是由于fMRI数据本身的采样时间较短的特点造成的。然而,时间的长度是相对的,神经信息的传导速度非常快,所以这些看似很短的采样周期内很可能包含一些有价值的内容。基于动态功能连接的研究,大脑的功能连接(FC、EC)的变化在时间上似乎是混乱无序的。但是,生命现象本身是有序的,大脑作为生命的重要组成部分不可能是混乱无序的状态,这看似无序的规律极有可能隐藏在没有得到足够的关注的时间序列中。由于模型的建立可以帮助研究者更好地理解研究对象,本文以上述想法为起点,建立功能磁共振成像数据的时序模型(4-dimension,4-D),通过对现实中人脑数据的推断统计,找到隐藏在混沌中的不变成分。本文的主要研究内容概括如下:
(1)针对传统FC网络模型无法满足对fMRI数据进行时序信息提取而造成有效信息缺失的问题,提出新的4-D建模算法。通过增加时间相关变量优化传统模型结构:由与处理数据本身相关的拖尾长度做时序数据之间的格兰杰因果分析来得到EC网络组;由分段时序数据之间做皮尔逊相关系数得到DFC(dynamic functional connectivity)网络组;根据具体研究需求确定各时序切片的掩膜组,从而实现单次建模即可获得携带时间变异性信息,满足多种分析需求的全息模型。为测试模型效果,将4-D、3-D模型分别与双样本区分算法结合使用,对创伤后应激障碍(post-traumatic stress disorder,PTSD)患者大脑病变点进行定位。实验结果表明,4-D模型在时序信息提取上有更高的效率和准确性;4-D建模结果得到了3-D模型中没有显示的增强DFC网络;单边一级DFC网络在4-D模型的支持下被成功提取。研究结果不仅证明了4-D模型的高效与可靠,还从生物物理角度证实了这些区域确实存在于静息态的PTSD运行机制中,同时也支持了Allen提出的静息状态功能磁共振成像的FC存在时间变异性的观点。
(2)针对前文提及的从功能核磁共振数据中提取时序上变化规律的问题,提出数学模拟对比检验的方法。首先,对每名受试者(生物信息组)的时序数据进行4-D切片建模;然后,使用软件随机生成同结构的仿真时序数据作为对照组,与生物信息组进行完全相同的4-D切片建模,应用描述性统计分析,观察两组格兰杰因果状态的数量分布;接下来,在群组角度,对比格兰杰因果状态的分布,在个体角度,对比格兰杰因果状态的变化过程。最后在生物信息组观察到,格兰杰因果关系单向向量数量,在群组级别,数量稳定,位置不同,在个体级别,数量在时间维度上保持与群组同样级别数量的稳定,位置随时间不断变化,受试者个体EC点位的格兰杰因果状态在四种模式中有规律转换,而在数学对照组,没有得到这一结论。
(3)为了进一步探索EC网络规律性转换的特性,提出假设:相对于个体之间EC矩阵的不重复性,个体在时序过程中,自身有一些功能连接点位之间,始终处于有效连接状态,称这种现象为:时序有效连接(EC)的“不断点”,即在某些功能点位,在采样过程中始终保持有效连接状态。为验证这一假设,对156位受试者建立4-D时序切片模型,更换D矩阵组矩阵元素的状态表示,筛选时间维度上EC网络的“不断点”。最后实验得到结果:156位受试者在数据获取扫描的全过程中,全部存在EC持续点位。