常學斌，龔津南，常 鑫，李 薪，史鴻儒，羅 程*，堯德中

(1.電子科技大學，四川 成都 610054；2.成都列五中學，四川 成都 610000)*通信作者：羅 程，E-mail: chengluo@uestc.edu.cn)

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基于小腦通路的彌散磁共振成像分析

常學斌1，龔津南1，常 鑫1，李 薪1，史鴻儒2，羅 程1*，堯德中1

(1.電子科技大學，四川 成都 610054；2.成都列五中學，四川 成都 610000)*通信作者：羅 程，E-mail: chengluo@uestc.edu.cn)

目的 探討小腦-大腦皮層通路的白質連接模式。方法 于2015年10月-2016年4月通過電子科技大學校園網公開招募20名健康被試并采集所有被試的彌散磁共振(dMRI)數(shù)據(jù)，通過概率性示蹤法重建出小腦-大腦皮層之間的白質纖維束通路，包括齒狀核-紅核-丘腦-皮層(DTC)、額葉-腦橋-小腦(FPC)、頂葉-腦橋-小腦(PPC)、顳葉-腦橋-小腦(TPC)和枕葉-腦橋-小腦(OPC)?？疾爝@些通路白質微結構的彌散參數(shù)，包括各向異性分數(shù)(FA)、平均擴散度(MD)、橫向擴散度(AD)和徑向擴散度(RD)。利用配對t檢驗考察各個纖維束彌散參數(shù)的對稱性。結果 在20名被試中均成功追蹤出5組白質纖維束。DTC 和OPC的各個參數(shù)均顯示為雙側對稱；TPC和PPC的FA存在不對稱性，左側高于右側，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；左側FPC和右側PPC的RD值較對側高，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。結論 彌散磁共振數(shù)據(jù)能有效重構小腦-大腦間的白質纖維束，作為小腦輸出纖維(DTC)的彌散參數(shù)具有雙側對稱性。而額葉、頂葉、顳葉向小腦的輸入纖維均顯示雙側不對稱性，這可能反映了小腦參與大腦非運動功能的不對稱性。

彌散磁共振；概率性示蹤；小腦白質；彌散參數(shù)

人類小腦位于顱骨后窩，通過小腦腳與腦干相連。小腦通過纖維束的輸入輸出與其它中樞神經系統(tǒng)完成信息交互。小腦的輸出纖維(不包括從前庭小腦到前庭神經核)主要起源于四個小腦深部核團：齒狀核、栓塞核、球狀核和頂核。小腦的所有輸入纖維都需要通過小腦腳。大小腦之間連接回路主要分為兩部分，大腦皮層-腦橋-小腦(cortico-ponto-cerebellar，CPC)通路和小腦的齒狀核-紅核-丘腦-皮層(dentate-rubro-thalamo-cortical，DTC)通路。他們共同的作用是參與微調自發(fā)運動、執(zhí)行與高階認知、視覺和聽覺以及運動規(guī)劃等諸多功能。彌散磁共振成像(diffusion magnetic resonance imaging，dMRI)是一種非侵入性的方法，可獲得一些反映白質纖維束中水分子隨機擴散情況的影像學指標。分析dMRI常見的兩種方法分別為確定性示蹤算法和概率性示蹤算法。最近，國外有研究使用確定性示蹤方法，重建了CPC 和DTC通路[1-2]。但確定性示蹤有很多的局限性，如敏感度較低、對一些小纖維束的重建不夠準確等。因此，本研究采集高分辨率dMRI數(shù)據(jù)，使用概率性示蹤的方法來重建大腦-小腦之間白質纖維束通路。

1 對象與方法

1.1 對象

于2015年10月-2016年4月通過電子科技大學校園網公開招募20名健康體檢者參與本研究。其中男性8名，女性12名，年齡19～36歲，平均(23.84±6.53)歲。通過篩查，20名被試均無神經系統(tǒng)疾病或精神疾病。研究開始前，被試均簽署了知情同意書。本研究通過電子科技大學信息醫(yī)學中心倫理委員會審核批準。

1.2 磁共振成像掃描

使用電子科技大學信息醫(yī)學中心GE Discovery 750 3.0T超導磁共振掃描儀，8通道標準頭部線圈磁共振平臺進行掃描與圖像采集。采集每一名被試的高清晰度結構像以及彌散加權圖像。其中，高分辨率的3D T1圖像視野=256 cm×256 cm×152 cm，體素=1×1×1 mm3；彌散加權圖像使用SE-EPI序列，采集參數(shù)為76層，重復時間=8 500 ms，回波時間=70 ms，體素大小=2×2×2 mm3，視野=256 cm×256 cm，掃描時間=10 min，擴散方向=64，最大梯度擴散值=1000 s/mm2。

1.3 dMRI數(shù)據(jù)處理

本研究使用FSL(Oxford Centre for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain Software Library，http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl)工具包[3-4]進行數(shù)據(jù)分析。dMRI數(shù)據(jù)處理流程包括去除非腦組織、頭動校正及渦輪矯正、白質彌散參數(shù)的獲取、使用蒙特卡洛抽樣重建每個體素在各方向的彌散參數(shù)分布以及選取種子點做概率性示蹤圖譜[5-7]。在本研究中，所有的感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)均通過JHU-MNI (Johns Hopkins University-Montreal Neurologic Institute)atlas模板提取。然后把標準MNI空間上的ROI轉化到個體空間。轉化到個體空間的具體步驟：①將被試的T1像配準到其個體的DTI空間；②將個體DTI空間上的T1像配準到MNI的T1模板上，得到轉換的矩陣T；③利用轉換矩陣T的逆變換T-1將標準MNI空間上的ROI轉換到個體空間，就得到了被試個體空間上的ROI。

1.4 大腦-小腦白質纖維通路的概率示蹤

對DTC通路示蹤時，種子區(qū)為小腦齒狀核，同側的上小腦腳(superior cerebellar peduncle，SCP)以及同側的丘腦為途經點，同側的整個大腦皮層為目標腦區(qū)。對總體CPC通路，中小腦腳(middle cerebellar peduncle，MCP)為必經途經點。對額葉-腦橋-小腦(fronto-ponto-cerebellar，F(xiàn)PC)通路，額葉為種子區(qū)，對側小腦為目標腦區(qū)。對頂葉-腦橋-小腦(parieto-ponto-cerebellar，PPC)通路、顳葉-腦橋-小腦(temporo-ponto-cerebellar，TPC)通路、枕葉-腦橋-小腦(occipito-ponto-cerebellar，OPC)通路，種子區(qū)分別為頂葉、顳葉、枕葉區(qū)域，而目標腦區(qū)均在同側小腦。

1.5 統(tǒng)計方法

提取上述通路中每個被試各個白質微結構彌散參數(shù)的平均值，包括各向異性分數(shù) (fractional anisotropy，F(xiàn)A)、平均彌散度(mean diffusivity，MD)、橫向彌散度(axial diffusivity，AD)及徑向彌散度 (radial diffusivity，RD)指標。使用SPSS 18.0對同一通路左右兩側的平均白質微結構指標做配對t檢驗。檢驗水準α=0.05。

2 結 果

在20名健康被試中均成功追蹤到了5組小腦輸入輸出的白質纖維通路，即齒狀核-紅核-丘腦-皮層通路和4組大腦皮層-腦橋-小腦通路，見圖1A-E。平均各條通路的四個彌散參數(shù)，F(xiàn)A=0.4，MD=0.8×10-3mm2/s，AD=1.2×10-3mm2/s，RD=0.6×10-3mm2/s。左側FPC和PPC通路的RD均高于右側，差異均有統(tǒng)計學意義(P=0.039，0.045)。左側PPC和TPC通路的FA均高于右側，差異均有統(tǒng)計學意義(P=0.04，0.013)。見表1-表5。

注：色彩從淺藍到黃色僅代表白質連接的強度

FAMD(×10-3mm2/s)AD(×10-3mm2/s)RD(×10-3mm2/s)左DTC0．42±0．020．80±0．031．20±0．040．60±0．04右DTC0．41±0．020．81±0．031．20±0．030．61±0．04P0．7130．6980．4530．487

注：DTC，齒狀核-紅核-丘腦-皮層；FA，各向異性分數(shù)；MD，平均彌散度；AD，軸向彌散度；RD，徑向彌散度

表2 FPC通路各彌散指標雙側比較

注：FPC，額葉-腦橋-小腦；FA，各向異性分數(shù)；MD，平均彌散度；AD，軸向彌散度；RD，徑向彌散度

表3 PPC通路各彌散指標雙側比較

注：PPC，頂葉-腦橋-小腦；FA，各向異性分數(shù)；MD，平均彌散度；AD，軸向彌散度；RD，徑向彌散度

表4 TPC通路各彌散指標雙側比較

注：TPC，顳葉-腦橋-小腦；FA，各向異性分數(shù)；MD，平均彌散度；AD，軸向彌散度；RD，徑向彌散度

表5 OPC通路各彌散指標雙側比較

注：OPC，枕葉-腦橋-小腦；FA，各向異性分數(shù)；MD，平均彌散度；AD，軸向彌散度；RD，徑向彌散度

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)右側額葉連接到左側小腦的白質連接(FPC)較對側的平均彌散參數(shù)MD值和徑向彌散參數(shù)RD值更高，而且頂葉和顳葉連接到小腦的白質纖維束也顯示雙側的不對稱性。包括fMRI及腦電圖(electroencephalogram，EEG)在內的功能影像研究已揭示了人腦額葉功能存在偏側性。如EEG研究表明額葉β波和θ波的偏側化與情緒調節(jié)有關，情緒調節(jié)能力與左額葉的活動強度呈正相關[8]。fMRI的研究也表明左側額葉對語言信息的處理存在優(yōu)勢[9-10]。左側FPC的高參數(shù)可能反映左側小腦有更多的參與情緒調控以及語言語義處理等功能。將來的研究應該對額葉進行更細致的劃分，如將額葉分為前額葉、輔助運動區(qū)和初級運動皮層等區(qū)域，分別構建其與小腦的白質通路，以得到更精確的結果來解釋與小腦運動功能和非運動功能相關的白質聯(lián)系。同時，由于人腦顳葉對聽覺信號處理存在偏側性，本研究發(fā)現(xiàn)TPC通路指標不對稱性可能也反映了小腦參與聽覺信息處理的過程。關于PPC的偏側性，可能與頂葉感覺系統(tǒng)的偏側有關，但還需更直接的證據(jù)予以說明。本研究發(fā)現(xiàn)額葉、頂葉和顳葉與小腦之間的雙側不對稱性連接，為探索小腦的非運動功能提供了結構MRI基礎。

需特別說明，因大腦連接小腦的白質通路分散于大腦半球兩側，大部分來源于大腦半球的纖維束在腦橋處交叉后，與對側小腦相連。最近基于確定性示蹤方法的研究已發(fā)現(xiàn)大腦輸入小腦的連接主要在大腦同側，而很少有通過腦橋到對側小腦的。這也許是因為確定性示蹤方法很難重建出纖維束交叉區(qū)域。本研究則基于概率示蹤方法以MCP為途經點進行示蹤，構建出了更契合解剖結構的白質纖維束。但對稱性分析僅衡量了大腦輸入小腦纖維在腦橋有交叉部分的對稱性。以后的研究還應示蹤出大腦輸入小腦纖維的未交叉部分，并進行對稱性分析，以便更精確描述大腦輸入小腦纖維的模式。

雖然小腦在運動功能中的作用有充分的文獻記載，但最近其對于高級認知和情緒功能的作用已受到學術界越來越多的關注。小腦與小腦外的連接應是理解小腦在運動、認知和情感功能中作用的關鍵一步。本研究重建了大腦-小腦白質連接的各個通路，并考察了各通路上的白質指標，這也許可以作為權值信息以用于大腦-小腦功能耦合的研究。因此適當?shù)厝诤习踪|連接信息以及功能連接信息得到的結果會更有意義。

本研究采集了dMRI圖像并應用了概率性示蹤算法，較為可靠地的重建出相對真實的小腦-大腦間各個白質通路。此外，也顯示了大腦-小腦連接通路的重建具有一定的可行度，在將來能用于大腦-小腦功能耦合的研究，以提高研究者對大腦-小腦間的信息交互的認識。

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(本文編輯：唐雪莉)

Cerebello-cerebral pathway analysis based on diffusion magnetic resonance imaging

ChangXuebin1,GongJinnan1,ChangXin1,LiXin1,ShiHongru2,LuoCheng1*,YaoDezhong1

(1.UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China;2.ChengduLiewuHighSchool,Chengdu610017,China*Correspondingauthor:LuoCheng,E-mail:chengluo@uestc.edu.cn)

Objective To investigate the white-matter connectivity pattern of the cerebello-cerebral white matter pathway.Methods The diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) data of 20 healthy adults who were recruited from University of Electronic Science and Technology of China from October 2015 to April 2016 were collected. Then, the white matter pathways between the cerebral cortex and the cerebellum were tracked by probabilistic tracing method, including dentate nucleus-rednucleus-thalamus-cortical (DTC), frontal-pontine-cerebellar (FPC), parietal-pontine-cerebellar (PPC), temporallobe-pontine-cerebellum (TPC), occipital-pontine-cerebellum (OPC). The diffusional features: Fractional Anisotropy (FA), Mean Diffusivities (MD), Axial Diffusivities (AD) and Radial Diffusivities (RD) were assessed on these fibers. Finally, the symmetry of parameters of fibers was investigated by pairwisettest.Results All of fibers were successfully tracked in 20 subjects. The diffusional features of DTC and OPC were symmetric. The FA of TPC and PPC was asymmetric, in which the left fiber was higher than the right one (P<0.05). The RD of left FPC and right PPC was higher than contralateral ones (P<0.05).Conclusion As the output fibers of the cerebellum, DTC were symmetrical. However, the asymmetric of the input fibers from frontal, temporal, parietal lobes would implicate that the the cerebellum participate in the cerebral non-motor function asymmetrically.

Diffusion magnetic resonance; Probabilistic tracing; Cerebellar white matter; Diffusion parameter

R445.2

A

10.11886/j.issn.1007-3256.2017.01.008

國家自然科學基金(81271547)；國家重大科學儀器設備開發(fā)專項項目(2013YQ490859)

2016-12-20)