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1、1计算神经科学的研究方法计算神经科学的研究方法 （ Neurochemical Neurochemical Structural Functional Structural Functional ）报告人：李敏 西安电子科技大学 2016.04.132计算神经科学是使用数学分析和计算机模拟的方法在不同水平上对神经系统进行模拟和研究：从神经元的真实生物物理模型到脑组织和神经类型计算的量化理论。从计算的角度理解脑，研究非程序、适应性的、大脑风格的信息处理的本质和能力。计算神经科学3n nNeurochemicalNeurochemicaln nStructuralStructuraln nFunc
2、tionalFunctional目录4Neurochemical Neurochemical （MRS SPECT PETMRS SPECT PET）MRS 磁共振波谱分析SPECT 单光子发射计算机断层 显像技术PET 正电子发射断层 成像技术特殊神经化学研究技术，可定位定量，测量脑内各种生物分子的分布和代谢5MRS技术概述（1/8)-MRS基本原理u Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS u 研究人体能量代谢的病理性生理改变 u 不同波谱：H、P、C、F、Na u 基本原理: 利用原子核化学位移和原子核自旋耦合裂分现象 u 理论基础：不同化合物的相同原子核
3、，相同化合物的不同原子核之 间，共振频率的差别 u 实现流程：射频 脉冲原子 核激 励弛豫信号 呈指 数衰 减傅里 叶变 换MRS 显示得到的振幅与频率的函数即MRS6MRS技术概述（2/8)-MRS表示方法u MRS表示方法：横轴代表化学位移（频率差别），单位百万分子一（ppm)纵轴代表信号强度，峰高和峰值下面积反应某种化合物的存在 和化合物的量 7MRS技术概述（3/8)-MRS常见成分8MRS技术概述（4/8)-MRS的获取MRS的获取 选择成像序列：激励回波法STEAM、点分辨波谱法PRESS 选择检查方法：单体素和多体素 具体步骤：扫描参数、定位、饱和带、预扫描匀场、数据采 集、后处
4、理分析激励回波法 连续使用三个90射频脉冲产 生激励回波 优点：常使用短TE检测代谢物 种类 缺点：对运动敏感，信噪比低 ，对匀场和水抑制要求严格， 对T2弛豫不敏感点分辨波谱法 用一个90和两个180产生自 旋回波 优点：信噪比高，是激励回波 的两倍，可以选择长、短TE， 对T2弛豫敏感，对运动不敏 感 缺点：不易检出物质9MRS技术概述（5/8)-MRS检查方法单体素和多体素检查方法比较单体素 容易实现 成像时间短 磁场不均匀性克服 谱线定性分析容易 谱线基线不稳定多体素 覆盖范围大，一次采 集可获取较多信息 成像时间长 容易受磁场不均匀性 的影响 谱线基线稳定10MRS技术概述（6/8)
5、-不同参数对MRS的影响11MRS技术概述（7/8)-不同参数对MRS的影响短TE：检测代谢物种类多，基线不够稳定 长TE：检测代谢物种类少，基线稳定12MRS技术概述（8/8)-如何获取好的MRS 必要的硬件和软件是基础：静磁场的均匀性、射频 脉冲的稳定性、后处理软件 序列、方法、参数和位置的合理选择，是高信噪比 的保证 充分抑制水、脂信号，避免波谱的脂肪污染和水信 号对代谢物的掩盖13SPECT技术概述（1/4）-SPECT基本原理 Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT 基本原理：将某种放射性同位素标记在药物上形成放射性 药物并置
6、入体内，当它被人体的组织或器官吸收后，在体 内形成辐射源 成像方法：1、一个探头可以围绕病人 某一脏器进行360旋转的相 机，在旋转时每隔一定角度采 集一帧图片2、经电子计算机自动处理 ，将图像叠加，利用滤波饭投 影方法，重建图像。14SPECT技术概述（2/4）-SPECT断层影像由横向断层影响的三 维信息再经过 重建可 以得到矢状、冠状和 任意斜方位的断层影 响15SPECT技术概述（3/4）-重建算法步骤数据 投影数据 傅里 叶变 换数据 滤波数据 反变 换反投 影衰减 校正散射 校正FBP反投影 把探头采集到的二维投影 数据经预滤波后，反投影 到预先设定的三位矩阵中 优点：计算简单；重
7、建速 度快；重建后的图像分辨 率可满足临床需要 缺点：存在固有星状伪影 ；得到的图像分辨率较差16SPECT技术概述（4/4）-总体特点与优势示踪剂适应面广，特异性高，放射性小，不干 扰体内环境 保留了照相机全部平面显像的性能 分层脏器功能观察到脏器功能动态变化；化学 物质在脏器内代谢分布、血管量的变化等 超快速、大容量，具有高级图像处理后台 是当前位移的一种活体生理、生化、功能、代 谢信息的四维显像方式17PET技术概述（1/6）-基本原理 Positron Emission Computed Tomography，PET 基本方法：将某种物质，一般是生物生命代谢中必 须的物质，标记上短寿命
8、的放射性核素（如18F，11C 等），注入人体后，通过对于该物质在代谢中的聚 集，来反映生命代谢活动的情况，从而达到诊断的 目的。 基本原理：一些短寿命的物质，在衰变过程中释放 出正电子，一个正电子在行进十分之几毫米到几毫 米后遇到一个电子后发生湮灭，从而产生方向相反 （180度）的一对能量为511KeV的光子（based on pair production）。这对光子，通过高度灵敏的照 相机捕捉，并经计算机进行散射和随机信息的校 正。经过对不同的正电子进行相同的分析处理，我 们可以得到在生物体内聚集情况的三维图像。18PET技术概述（2/6）-重建算法PET重建算法迭代法最大似然法（ ML
9、EM)有序子集最大 似然（ OSEM)解析法滤波反投影（ FBP)19PET技术概述（3/6）-影响重建效果的参数反投影运算中的相对于检查床的偏移量和XY 旋转角度 数据校正：散射校正、衰变校正、归一化、 几何校正、角度压缩校正，可提高图像重建 结果的定量精确性，但是计算量增大 FBP重建方法参数：窗函数截止频率和抖动 因子等 OSEM选项：迭代次数、子集个数20PET技术概述（4/6）-PET的准3D重建对采集到的三维数据重组成二维数据，再用二维重建方法得到各断层图像准3D重组过程示意图21PET技术概述（5/6）-PET的准3D重建方法准3D重组过程示意图 SSRB将倾斜的响应线重组到两个
10、探测器环的中间平面上 MSRB将倾斜的响应线均匀的重建到两个探测器环之间的各个 平面上 PORE在二维频率空间将倾斜的响应线重组到两探测环中间平 面轴向相位移位某一数值的平面上22PET技术概述（6/6）-PET优点灵敏度高，PET是一种反映分子代谢的显像 ，当疾病早期处于分子水平变化阶段，病变 区的形态结构尚未呈现异常 特异性高 全身显像 安全性好23目录n n NeurochemicalNeurochemicaln n StructuralStructuraln n FunctionalFunctional24Structural Structural （CT MRI DTICT MRI
11、DTI）CT 电子计算机断层扫描MRI 磁共振成像DTI 弥散张量成像25CT技术概述（1/4）-基本原理 Computed Tomography，CT 基本原理：利用精确准直的X线束、射线、超声波等，与灵敏度极 高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描26CT技术概述（2/4）-图像特点CT图像是由一定数目 由黑到白不同灰度的像 素按矩阵排列所构成。 这些像素反映的是相应 体素的X线吸收系数。 黑影表示低吸收区，即 低密度区，如含气体多 的肺部；白影表示高吸 收区，即高密度区，如 骨骼27CT技术概述（3/4）-扫描方式定位片扫描 用于扫描前定位轴位扫描 得到横断位图像螺旋扫描
12、 得到容积图像28CT技术概述（4/4）-相关参数29MRI技术概述（1/5）-基本原理Magnetic Resonance Imaging，MRI 经常为人们所利用的原子核有： 1H、11B 、13C、17O、19F、31P。 断层成像的一种，它利用磁共振现象从人 体中获得电磁信号,并重建出人体信息。30MRI技术概述（2/5）-图像特点多方位成像多参数成像31MRI技术概述（3/5）-图像特点多参数成像多参数成像32MRI技术概述（4/5）-图像特点流动效应 在SE序列，快速流动的液体 流过某个层面，收到脉冲激 发，而当脉冲种植，接受该 层面信号时，液体中被激发 的质子已流过该检层面，接
13、受不到信号 临床上可利用这一特性显示 和鉴别血管及其病变33MRI技术概述（5/5）-图像特点流动效应 在SE序列，快速流动的液体 流过某个层面，收到脉冲激 发，而当脉冲种植，接受该 层面信号时，液体中被激发 的质子已流过该检层面，接 受不到信号 临床上可利用这一特性显示 和鉴别血管及其病变34DTI技术概述（1/2）-基本原理 Diffusion Tensor Imaging,DTI DTI能以三维方式显示神经纤维束的走形方向，为无 创性评价白质纤维束间的联系及其病变。 原理：利用水分子弥散的各向异性，探测组织微观结 构的成像方法。是一种定量显示白质纤维束的成像方 法 基本概念：扩散系数、扩
14、散敏感因子b值、表观扩散 系数（ADC）、各向同性、各向异性（FA）35DTTI技术概述（2/2）-概率跟踪算法概率跟踪结果概率跟踪思想优点： 估计纤维走向的不确定性 研究FA较低灰质脑区间的解剖 连接 抗干扰性强 定量描述两个体素间的连接概 率缺点： 需采集多梯度方向的 DTI图像 计算量大，耗时常用软件：FSL36目录n nNeurochemicalNeurochemicaln nStructuralStructuraln nFunctionalFunctional37Functional (Functional ( fMRI SPECT PET )fMRI SPECT PET )MRI
15、VS fMRIMRI studies brain anatomyfMRI studies brain functionfMRI是有效的研究脑功能的非介入技术38fMRI fMRI 技术概述（技术概述（1/101/10） Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI 基本原理：在MRI的基础上获取大脑活动的功能图 像，以获取被试对所给语言、图形、声音等刺激材 料进行加工时产生的fMRI信号并加以分析，以确定 这些刺激材料与对应脑区的关系，从而分析其脑机 制。 技术：脑血流测定、脑代谢测定、神经纤维示踪技 术 方法：注射造影剂、弥散加权、灌注、血氧水平依 赖
16、等成像方法。其中最常用的是血氧水平依赖BOLD （Blood Oxygenation Level Dependent）39fMRI fMRI 技术概述（技术概述（2/102/10）-BOLD-BOLD基本原理基本原理40fMRI fMRI 技术概述（技术概述（3/103/10）- -实验设计实验设计事件相关设计优点： 随机化； 可以对被试和实验任务作选择性处理； 可提供脑局部活动的反应特点41fMRI fMRI 技术概述（技术概述（4/104/10）- -数据处理数据处理fMRI实验所采集的大脑图像包括解剖像和功能像两种， 要分别对这两种图像进行处理。用SPM、AFNI等软件实现解剖像扫描功能像扫描42fMRI fMRI 技术概述（
