探索大脑区域之间联系——代谢率的相关性

        上一篇博客讲了1976年发表的第一篇PET脑成像研究。随后使用PET测量脑血流和氧/葡萄糖代谢的技术不断成熟,但直到1988年第一次使用PET研究大脑功能,却等了十多年。但在这十年里,却出现了一篇文章试图用PET的相关性研究大脑区域间的功能联系。这个想法现在不足为奇,但这篇文章发表在1984年,最初看到时确实让我很惊讶。
        说到研究大脑区域之间的联系,长久以来只能采用染色的方法。但这样的方法无法在活体上完成,特别是无法研究人。随着PET技术的出现,美国国立老化研究所的Barry Horwitz等人就想到了使用它来研究大脑区域间的“功能”联系。他们用FDG-PET测量了40名被试大脑葡萄糖代谢率的分布图。他们的逻辑很简单,如果两个脑区间存在功能上的联系,那么它们的葡萄糖代谢水平就会存在相关。如果一个人的脑区A的代谢水平高,那么他的脑区B的代谢水平也可能更高;而如果另一个人的脑区A的代谢水平低,那么他的脑区B的代谢水平也可能更低。
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Horwitz等使用的大脑分区
        虽然想法看起来说得通,但可以想象当时会遇到很多困难。因为要做不同脑区被试间个体差异的相关性,这就需要一个比较大的被试量。考虑到早期用两三名被试的数据就可以发Nature,这篇文章使用了40名被试,在当时已经是一个超大的样本了。另外,现在常用的一个大脑标准空间——Talairach坐标系——要等到1988年才发表,如何将不同被试大脑图像对应到一起也不是一个简单的问题。这篇文章的作者自己手画定义了59个大脑区域 (如上图)。看起来大概是简单的用平行线将大脑等分,因此空间上的分辨率和准确性都不高。
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大脑各区域间的相关矩阵
        虽然方法简陋,但是研究还是得出了一些看起来有效的结果,即已知有功能联系的脑区之间存在比较高的代谢率的相关性。上图画出了59个脑区之间的相关矩阵。与现在可以简单的用MATLAB画出彩色的相关矩阵相比,这张图看起来十分简陋,甚至可能是在坐标纸上手画出来的。图中+号表示显著的正相关,o表示显著负相关。从图中可以看出,额叶 (FRON)和顶叶 (PAR)区域间有很多相关,而颞叶 (TEMP)和枕叶 (OCC)之间有很多相关区域。这大致组成了大脑皮层的两个系统,而这两个系统之间相关较小,甚至还有少量的负相关。
        这些结果现在看起来一点也不难理解,因为这正是现在热门的脑功能连通性研究的基本逻辑。只不过现在更常用的是基于功能磁共振 (fMRI)的血氧信号随时间变化的相关性。而相比于1995年Biswal的第一篇使用fMRI做功能连通性的研究已经被引用了2200次,这篇早了10年的文章的引用数只有不到150次。也许就是因为它发表得太早了吧......

Horwitz, B., Duara, R., & Rapoport, S. (1984). Intercorrelations of Glucose Metabolic Rates Between Brain Regions: Application to Healthy Males in a State of Reduced Sensory Input Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 4 (4), 484-499 DOI: 10.1038/jcbfm.1984.73

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