不同颜色光刺激视皮层脑功能成像研究

王 俊，卢 环，许红雨，谭晓彬，钟福兴，许凡勇

（赣南医学院附属第一医院放射科，江西 赣州 341000）

功能性脑成像使直接观察活体大脑内活动情况成为可能，为脑的研究提供了更先进、更精确的技术手段，从而成为脑科学研究的前沿。脑在进行各种感觉或认知活动时血液动力学参数会发生变化，功能性磁共振成像（fMRI）是通过检测这些变化来进行大脑激活皮层的定位，从而识别功能区域。目前，利用fMRI技术，在感官、认知等方面己经取得了一定的进展。但是，不同颜色光刺激相对应的脑区的确定及敏感度的研究很少。本研究将不同颜色光刺激的脑功能成像作为主要的研究对象，并应用统计学方法进行处理。

1 材料及方法

48名实验者均为来自学校的志愿者，没有视觉系统疾病与视力障碍。其中男24名，女24名，年龄21～25岁，平均23岁。

采用Siemens Symphony 1.5Tesla磁共振成像仪。功能像 （EPI）参数：序列ep2d-motor-cortex，slices：16，slice thickness：3mm，Fov phase：100% ，For-read：220mm，TR：1600ms，TE：60ms，Areraqes：1，concatenations：1，filler：none，coil elements：He，phase oversampling 0，threshold 4.0，Parodigm size 22，Number of measurement 66。

解剖定位像，采用T1WI序列，定位线与距状沟平行，TR：20ms，TE：5ms，矩阵：256×256，共 16 层；血氧水平依赖（BOLD）数据采集，采用EPI-motorcortex 序列，TR：1600ms，TE：60ms，矩阵 64×64，反转角：90°。

刺激装置与方案：采用自制的专用的液晶眼镜，保证被测者不受周围环境的干扰。该液晶眼镜由防磁材料制成，是一个能发出白光的眼罩光源。其光源波长为520～530nm，合适的刺激强度为6000mcd（4000mcd的刺激较弱，10000mcd的刺激较强），用5V的直流电外加一控制开关对其进行光有无及强弱的控制。

机房关闭所有灯光，试验中受试者戴上眼罩，同时注视眼罩接受刺激。分红、绿、蓝3组进行，每组采集次数为88次。受试者躺于磁共振扫描床上，首先在不打开眼罩上的灯即静止状态下，先扫描3次，忽略数据，再扫描8次，收集数据，再重复一遍。然后打开眼罩上的灯即分别在红、绿、蓝光刺激状态下，也是先扫描3次，忽略数据，再扫描8次，收集数据，再重复一遍静止状态下扫描。

图像后处理：对采集到的功能图像数据，首先将刺激活动组与静止组分开，通过时间信号强度曲线将由移动造成的信号伪影排除。确定R值为0.3，P=0.05作为相关系数的分析阈值，并将每组的前3幅去掉，因为从刺激开始到信号改变之间有一个几秒的时间延迟，然后运用功能成像分析软件（AFNI软件）对原始数据进行处理，计算机自动产生出所选层面的时间信号强度相关图，最后将功能区与相应层面的T2WI解剖图像进行叠加显示活动区的位置、大小、分布。

实验中应注意事项：在实验过程中要严格控制头动，避免血管伪影，尽量减少环境中的光源。

统计学分析：用SPSS 12.0统计软件对实验数据进行统计分析，应用t检验、Fisher精确概率相关分析，P<0.05为有统计学意义。

2 结果

2.1 脑功能成像图与结果的分析

光刺激后能引起双侧枕叶视皮层、外侧膝状体、上丘、脑干的顶盖前区、顶叶皮层等脑组织兴奋增强，以双侧视皮层为主（图1）。接着关掉室内一切光源，保持最低干扰，然后进行脑功能成像。从图2可以看出，除一些零散的兴奋点外，其他没有明显的兴奋区，说明我们的实验条件还是比较合理的。

2.2 红、绿、蓝3种颜色光刺激的脑功能图像的比较与分析

见表1及图3～6。

表1 6000mcd强度的红、绿、蓝光刺激产生的信号强度分析

红、绿、蓝3种颜色光刺激下的脑功能图，经放大并计算其信号强度的像素，进行统计学分析得出3者的平均信号强度分别为49、58、66，相应所得标准差分别为16.81、17.23、18.15。绿光刺激与红光刺激产生的信号强度用t检验进行统计学分析，t值为2.59，P＜0.05，有显著性差异；蓝光刺激与红光刺激的t值为 4.77，P＜0.05，有显著性差异；蓝光刺激与绿光刺激的t值为2.22，P＜0.05，有显著性差异。所以视皮层对蓝光刺激最敏感，对绿光敏感性次之，对红光敏感性最差。

2.3 不同颜色的光刺激形成的脑功能图左右侧比较与分析

见表2。

表2 红、绿、蓝3种颜色光刺激的脑功能图左右侧比较与分析

在红、绿、蓝3种颜色光的刺激下形成的脑功能图，经放大并计算其信号强度的像素，进行统计学分析得出3者左右两侧的平均信号强度，用t检验进行统计学分析，得出 t值为 2.96，P＜0.05，说明左右两侧有显著性差异。

图6 3种颜色光刺激的信号强度比较图。Figure 6. The signal strength comparison chart of three color of light stimulation.

3 讨论

3.1 fMRI作为脑高级功能研究的可行性

显然，创伤性技术很难直接用于人脑的研究，而利用动物研究脑高级功能又有许多局限，比如，动物没有语言，也常不能按研究者的意图做出适当的反应等。更重要的是，利用创伤性技术很难观察到活体脑的工作过程。与现有的大多数方法相比，近年发展起来的无创伤的fMRI是进行脑功能成像研究的新手段，它不但可以以健康人自身为研究对象，而且可以直接观察各种行为状态时脑内的变化过程。但现有的fMRI的空间分辨率最多只能达到毫米级—集中在脑、脑区、功能柱。我们知道，尽管神经系统的基本功能单元是神经元，但没有一种行为是由单个神经元独立完成的，即便是较为简单的行为也需要大量神经元的参与。此外，自19世纪以来，人们不断找到脑内存在特定的功能区域的证据，据此可以推测，功能相同或相似的神经元在一定程度上相对聚集，构成一个个相对独立的功能区域。脑功能成像的一个重要研究内容是试图确定这些特定的功能区域。这方面的研究己经取得很大进展[1-2]。

脑功能成像技术的另一个特点是可以同时观察多个脑区的活动，探讨功能区域之间的相互关系（例如，当手指运动时，有哪些脑区参加，各个脑区参与的先后次序等）。这对研究脑的高级功能是个有利条件，因为脑高级功能通常需要多个功能区域的协同工作[3]。值得注意的是，脑功能成像所探讨的脑区之间的关系是动态的、针对特定行为的，这与神经解剖学对神经纤维通路的研究有着本质的区别[4]。

所以，用fMRI作为脑高级功能成像的研究在理论上和实际中都是可行的。

3.2 视觉系统的脑功能定位及fMRI在视觉皮层定位中的应用

视觉系统是人脑最重要的组成部分，由于视觉的实验设计相对容易，而且复杂的视觉刺激可以设计分成许多不同的成分，如运动、颜色、边沿等，然后对每一个方面进行实验，所以对视觉方面的研究比较早，相关的报道也比较多。在fMRI出现以前PET在视觉研究方面的成果很多，许多早期的fMRI实验是研究人的视觉皮层和验证PET的各种实验结果，fMRI的第一幅脑激活图是Belliveau等[5]在1991年得到的，向血液中注入顺磁性对照物，发现光刺激时初级视觉皮层的信号增强。后来fMRI采用BOLD法，利用高分辨率的fMRI产生了比PET精细的多的视网膜组织的结构图谱，还定位了纹外区。使用fMRI实现了对人脑视觉皮层的V1、V2、V3和V4各区的精确定位。并得到了许多实验结论。

早期有关视觉皮层脑功能的研究主要是中枢解剖功能的定位，这方面的工作主要是验证或修正传统研究手段获得的结果。Belliveau等在1991年所得到的第一幅人脑fMRI图像就是有关视觉研究的，通过对7例正常人视觉刺激后，初级视觉皮层的血流容积增加，从而为fMRI在人脑功能定位方面的研究开创了历史先河。早期灵长类动物视觉皮层神经解剖及生理方面的研究为人类视觉皮层的研究积累了宝贵资料，研究者们通过大量研究发现人的视觉皮层与灵长类动物的视皮层是同源的，并确认了人类至少存在30个视觉皮层区，以后研究者们多采用BOLD 法，实现了对人脑视觉皮层 V1、V2、V3、V4 和MT/V5各区的精确定位，所得到的视觉皮层位置与传统观点基本一致，而且发现在脑视觉皮层中，右侧大脑半球为优势半球[6-7]，这些在本实验中得到相应的证实。随后的进一步研究指出，引起视觉皮层最强烈反应的刺激光源闪烁频率为8Hz，并且光刺激强度与激活反应幅度有关系，另外激活反应幅度还与年龄有关[8]，不仅视觉刺激可激活视觉皮层区，而且视觉刺激想象也可激活视觉皮层，只是激活的范围有所差别。本实验中有2人胆子比较小，在实验过程中思想不集中，所以视觉皮层信号比较混乱，同时在额叶、顶叶均有不同程度的激活。脑功能成像技术是认识视觉系统的新途径，其中的很多成果是其他方法所难以获得的。

3.3 对颜色识别的脑功能定位

实验证实了颜色识别过程分为3个阶段：首先V1区和V2区激活，登陆不同波长及强度的光线，V1区细胞对波长的变化最敏感；其次是位于梭状回内的V4区及其稍前方的V4a区激活，进行颜色的自处理，尤其当人类注视由多种色彩构成的抽象或自然景色时，由于波长不断变化，V4和V4a区激活更明显[9]，Bartels等[10]把梭状回内的V4和V4a区定义为V4复合体，是人脑颜色处理的中心；最后颞下回和额叶激活，进一步识别物体的颜色。本实验主要是应用不同颜色光的刺激来形成脑功能图，充分证实了颜色的识别区域首先是V1区和V2区激活，V4复合体也激活。证实了红、绿、蓝3种颜色光刺激在视觉皮层产生不同的反应强度，以蓝光刺激最敏感，并与刺激强度呈正相关。此外脑组织兴奋激活还见于外侧膝状体、上丘、脑干的顶盖前区、顶叶皮层等。这点也与视觉认知始于视网膜，经外侧膝状体核，投射到视觉皮层，再向具有进一步处理功能的大脑皮层辐射这一过程相符合。

目前，BOLD-fMRI实现了对人类视觉系统相关脑区的功能定位，在视觉系统的研究中已取得重要成果[3，11-12]，但是不同颜色光刺激在视觉系统的研究还很少，所以本组实验在这方面进行重点研究。从上述实验结果中我们得出以下结论：①不论哪种颜色光刺激，脑组织的兴奋区域基本相同，在视皮层、外侧膝状体、上丘、脑干的顶盖前区、顶叶皮层等均会出现刺激后的平均信号增强效应；②在3种刺激颜色中，视皮层对蓝光敏感性最强，对红光敏感性最差；③双侧视皮层的兴奋性平均信号强度变化右侧比左侧大。

[1]Benson PJ,Guo K,Hardiman MJ.Cortical evoded potentials due to motion comtrast in the blind hemifield[J].Neuroreport,1999,10(17):3595-3600.

[2]Yamagishi N,Goda N,Callan DE,et al.Attentional shifts towards an expected visual target alter the level of alpha-band oscillatory activity in the human calcarine cortex[J].Brain Res Cogn Brain Res,2005,25(3):799-809.

[3]Peyrin C,Schwartz S,Seghier M,et al.Hemispheric specialization of human inferior temporal cortex during coarse-to-fine and fine-to-coarse analysis of natural visual scenes[J].Neuroimage,2005,28(2):464-473.

[4]Schroeter ML,Kupka T,Mildner T,et al.Investigating the poststimulus undershoot of the BOLD signal--a simultaneous fMRI and fNIRS study[J].Neuroimage,2006,30(2):349-358.

[5]Believeau JW,Kennedy DN,Mckinstry RC,et al.Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging[J].Science,1991,254(5032):716-719.

[6]Le Bihan D,Jezzard P,Haxby J,et al.Functional magnetic resonance imaging of the brain[J].Ann Intern Med,1995,122(4):296-303.

[7]Sereno MI,Dale AM,Reppas JB,et al.Borders of multiple visual areas in humans revealed by functional magnetic resonance imaging[J].Science,1995,268(5212):889-893.

[8]Mansfield P.Multi-planar image formation using NMR spin echoes[J].J Physc Soild State Phys,1997,10(3):L55-58.

[9]De Yoe EA,Carman GJ,Bandettini P,et al.Mapping striate and extrastriate visual areas in human cerebral cortex[J].Proc Natl A-cad Sci USA,1996,93(6):2382-2386.

[10]Bartels A,Zeki S.The architecture of the colour centre in the human visual brain:new results and a review[J].Eur J Neurosci,2000,12(1):172-193.

[11]Pourtois G,Schwartz S,Seghier ML,et al.View-independent coding of face identity in frontal and temporal cortices is modulated by familiarity:an event-related fMRI study[J].Neuroimage,2005,24(4):1214-1224.

[12]Eger E,Schweinberger SR,Dolan RJ,et al.Familiarity enhances invariance of face representations in human ventral visual cortex:fMRI evidence[J].Neuroimage,2005,26(4):1128-1139.