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BOLD信号中噪声

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目前最流行的脑成像技术是基于血氧水平依赖 (BOLD)信号的功能磁共振成像 (fMRI)。BOLD由Ogawa于上世纪90年代提出,由于其安全无放射性,迅速成为了研究人类正常大脑功能的主流方法。BOLD方法最大的问题是它并不是直接测量神经活动,而是间接通过测量局部血氧水平来反映神经活动。简单来说,一个区域的神经元活动会消耗能量及血氧,导致局部血氧水平的短暂降低。随后大脑供血机制会使这个区域的血流量和血容积增加。随着新鲜血液的到来,局部的血氧水平反而会超过神经活动之前的水平,这就是血液的过补偿。而BOLD信号实际上测量的就是血氧的相对水平。因此,再从神经活动到BOLD信号的复杂链条中,氧代谢、血流/血容积的变化都会对观测到的fMRI“激活”产生影响。

最大的影响其实来自大血管。通常希望fMRI激活的结果反映的是灰质内局部毛细血管的BOLD变化,但显然大血管的血流量更大,BOLD效应也更强。往往很小的激活或者噪声都会被大血管放大,同时统计得到的激活区域也会向大血管偏移。这些都是做fMRI实验不想看到的。
大血管的分布如何?上面这幅图也许会让人印象深刻,因为很多富含血管的区域也是脑成像研究的热门区域,比如前扣带回、脑岛和小脑。几年前Annals of improbable research有一篇文章发现,报告扣带回激活的文章已经超过报告运动皮层的文章,而且与扣带回相关的认知功能也越来越无所不包。另外一个区域脑岛也在慢慢成为社会认知神经科学研究的热门区域。但这些区域都易受大血管的影响,使得激活结果值得怀疑。

不仅受大血管影响,大脑灰质不同区域的血氧响应强度也不相同。有一些区域的血氧响应很弱,这使得fMRI的激活效果也变差,比如前颞叶、海马等区域。而血氧响应的影响主要是在进行被试间比较时。比如用fMRI对比老年人和青年人在完成某一认知活动的激活差异。得到的差异可能是由神经活动的差异造成,也可能仅仅是由于老年人的血氧响应功能减弱而造成的。因此在做fMRI实验,特别是进行组间比较时,对fMRI激活图像的校正就变得十分必要。

前面说过,BOLD信号实际上来源于神经活动造成耗氧后的血氧补偿。那如果不改变神经活动,只让被试吸入二氧化碳,同样可以模拟大脑局部区域缺氧后的血氧补偿响应。通过测量吸入二氧化碳后BOLD信号的变化,就可以估计血氧响应的分布。在实际操作中更简单的方法是让被试憋气…