最新李敏计算神经科学的研究方法PPT文档.pptx
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,NeurochemicalStructuralFunctional,目录,Neurochemical（MRS 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,MRS技术概述（1/8)-MRS基本原理,Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS研究人体能量代谢的病理性生理改变不同波谱：H、P、C、F、Na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理论基础：不同化合物的相同原子核，相同化合物的不同原子核之间，共振频率的差别实现流程：,得到的振幅与频率的函数即MRS,MRS技术概述（2/8)-MRS表示方法,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,MRS技术概述（3/8)-MRS常见成分,MRS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,MRS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,MRS技术概述（6/8)-不同参数对MRS的影响,MRS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,MRS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,SPECT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。,SPECT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,SPECT技术概述（3/4）-重建算法步骤,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,SPECT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,PET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。,PET技术概述（2/6）-重建算法,PET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,PET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,PET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,PET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,目录,NeurochemicalStructuralFunctional,Structural（CT MRI DTI）,CT电子计算机断层扫描,MRI磁共振成像,DTI弥散张量成像,CT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,CT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,CT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,螺旋扫描得到容积图像,CT技术概述（4/4）-相关参数,MRI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。,MRI技术概述（2/5）-图像特点,多方位成像,多参数成像,MRI技术概述（3/5）-图像特点,多参数成像,多参数成像,MRI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,MRI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,DTI技术概述（1/2）-基本原理,Diffusion Tensor Imaging,DTIDTI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、扩散敏感因子b值、表观扩散系数（ADC）、各向同性、各向异性（FA）,DTTI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：FSL,目录,NeurochemicalStructuralFunctional,Functional(fMRI SPECT PET),MRI VS fMRI,MRI studies brain anatomy,fMRI studies brain function,fMRI是有效的研究脑功能的非介入技术,fMRI 技术概述（1/10）,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、血氧水平依赖等成像方法。其中最常用的是血氧水平依赖BOLD（Blood Oxygenation Level Dependent）,fMRI 技术概述（2/10）-BOLD基本原理,fMRI 技术概述（3/10）-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,fMRI 技术概述（4/10）-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,fMRI 技术概述（5/10）-数据处理,数据预处理,fMRI 技术概述（6/10）-数据处理,数据预处理,头动校正,慢波、（线性）漂移,fMRI 技术概述（7/10）-数据处理,数据预处理,空间平滑,fMRI 技术概述（8/10）-数据处理,数据统计处理,fMRI 技术概述（9/10）-数据处理,数据统计处理,统计复杂性和计算时间的关系,fMRI 技术概述（10/10）-实验结果,大脑激活图并分析激活脑区的具体坐标和干兴趣脑区的激活体积，比较不同实验材料或者不同实验任务激活脑区的不同。,敬请批评指导！,谢谢,
