梁賽蘭 王多琎

1(上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海 200093)

2(上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海 200093)

引言

大腦負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)控制身體的各種功能。目前對(duì)大腦的研究已經(jīng)不局限于腦區(qū)的功能分割(functional segmentation)，即尋找、定位某一片大腦區(qū)域的功能，而更熱衷于研究某些大腦區(qū)域之間的功能整合(functional integration)，即不同腦區(qū)通過(guò)神經(jīng)元之間的作用所發(fā)生的相互聯(lián)系，協(xié)調(diào)配合完成某種功能。Friston 等[1]在20 世紀(jì)90年代初首先提出功能連接(functional connectivity，F(xiàn)C)和有效連接(effective connectivity，EC)的概念，基于功能整合的腦功能網(wǎng)絡(luò)的研究主要聚焦在兩個(gè)方面。功能連接指空間上有一定距離的神經(jīng)元集群之間具有時(shí)間相關(guān)性，而有效連接指一個(gè)神經(jīng)元系統(tǒng)直接或間接施加于另一神經(jīng)元系統(tǒng)的影響[2]。有效連接的分析通常依賴(lài)特定的模型，主要有結(jié)構(gòu)方程模型(structural equation model，SEM)、 格蘭杰因果(granger causality，GC)、動(dòng)態(tài)因果模型(dynamic causal model，DCM)等。但由于結(jié)構(gòu)方程模型不能很好的模擬神經(jīng)元之間的連接情況，所以目前以后兩種方式分析有效連接比較多。格蘭杰因果建模觀測(cè)響應(yīng)之間的依賴(lài)關(guān)系，而動(dòng)態(tài)因果模型建模生成觀測(cè)值的隱藏狀態(tài)之間的耦合[3]。

文中圍繞動(dòng)態(tài)因果模型展開(kāi)討論，動(dòng)態(tài)因果模型的核心思想是將大腦視為一個(gè)確定性的受輸入和輸出影響的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。DCM 建模的目的是通過(guò)擾動(dòng)和測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)來(lái)估計(jì)參數(shù)[4]。在DCM 描述的腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通過(guò)外部任務(wù)輸入引起某腦區(qū)的興奮，從而擾動(dòng)該腦區(qū)所在的腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使該腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的其他腦區(qū)做出瞬時(shí)反應(yīng)[5]。為探究大腦中動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)連接，在DCM中將大腦建模成為具有“輸入—狀態(tài)—輸出”的系統(tǒng)性非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。DCM 利用一組非線性方程組進(jìn)行描述，包含神經(jīng)動(dòng)力學(xué)模型和血液動(dòng)力學(xué)模型兩個(gè)部分。在實(shí)際建模時(shí)用雙線性微分方程組來(lái)表示，然后引入貝葉斯方法用來(lái)評(píng)估出最優(yōu)模型，檢測(cè)各個(gè)生理參數(shù)[6]。

大腦的研究通常需要借助各種檢測(cè)技術(shù)，非侵入方式由于不會(huì)對(duì)大腦造成傷害，目前已經(jīng)成為主流，如功能性磁共振成像(functional magnetic resonanceimaging，fMRI )，腦電(electroencephalogram，EEG)，近紅外腦功能成像技術(shù)(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)等。研究人員利用這些技術(shù)采集在不同條件下腦部的生理信號(hào)，對(duì)大腦進(jìn)行相應(yīng)的研究。本文從DCM 在這3 種檢測(cè)技術(shù)中的研究?jī)?nèi)容展開(kāi)，綜述利用DCM進(jìn)行的腦網(wǎng)絡(luò)研究。

1 動(dòng)態(tài)因果模型與腦網(wǎng)絡(luò)研究

以動(dòng)態(tài)因果模型(DCM)、有效連接(effective connectivity)、腦網(wǎng)絡(luò)(brain network)、功能磁共振成像(fMRI)、腦電(EEG)、近紅外腦功能成像(fNIRS)為關(guān)鍵詞，檢索“DCM and (‘effective connectivity’or ‘brain network’)and (fMRI or EEG or fNIRS)”，在Web of Science 和中國(guó)知網(wǎng)中搜索了2011—2020年的研究結(jié)果，經(jīng)過(guò)篩選一共收集了91 篇文獻(xiàn)，包括fMRI 中66 篇文獻(xiàn)，EEG 中21 篇文獻(xiàn)，fNIRS 中4篇文獻(xiàn)。

1.1 fMRI 中DCM 的應(yīng)用

fMRI 的成像原理是依據(jù)血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)與腦神經(jīng)活動(dòng)之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，當(dāng)腦區(qū)被激活時(shí)會(huì)引發(fā)局部血液動(dòng)力學(xué)發(fā)生變化[7]。DCM 最早用于fMRI 數(shù)據(jù)的腦效應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分析，隨著fMRI 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，利用DCM 結(jié)合fMRI 數(shù)據(jù)分析的腦網(wǎng)絡(luò)研究?jī)?nèi)容十分豐富，將研究?jī)?nèi)容分為腦卒中、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域和與精神疾病有關(guān)。

1.1.1 腦卒中患者康復(fù)腦網(wǎng)絡(luò)研究

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年腦卒中發(fā)病多達(dá)約150 萬(wàn)人，每年腦卒中的發(fā)病率為每十萬(wàn)人群217 人[8]，腦卒中疾病發(fā)生后致殘率極高，這嚴(yán)重影響病人的生活質(zhì)量。研究腦卒中患者的神經(jīng)機(jī)制對(duì)病人的康復(fù)治療具有意義。

運(yùn)動(dòng)想象方式是輔助腦卒中患者進(jìn)行康復(fù)治療的手段之一[9]。Bajaj 等[10]利用fMRI 記錄了10名腦卒中患者在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)階段的Bold 信號(hào)，DCM 分別對(duì)兩種狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的有效連接進(jìn)行分析，顯示在運(yùn)動(dòng)執(zhí)行任務(wù)中PMC 到M1、SMA 到M1 的連接在整體連接網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但運(yùn)動(dòng)想象的分析中PMC 和M1 之間的連接更強(qiáng)。研究結(jié)果從腦網(wǎng)絡(luò)的角度客觀證明了運(yùn)動(dòng)想象方式可以作為輔助腦卒中患者進(jìn)行康復(fù)治療的一種有效方式。Bajaj 等[11]還利用fMRI 和DCM 評(píng)估了腦卒中患者(有偏癱后遺癥)未受影響側(cè)和受影響側(cè)大腦半球中運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的有效連接，發(fā)現(xiàn)與受影響側(cè)腦半球相比，未受影響側(cè)腦半球的連接模式更準(zhǔn)確地反映了行為狀況。鏡像反饋治療[12]和經(jīng)顱磁刺激治療[13]中有效腦網(wǎng)絡(luò)的研究也證明了這些治療方式的有效性。腦卒中通常會(huì)導(dǎo)致偏癱發(fā)生，這對(duì)左右半球的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，因此研究大腦左右半球運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的平衡活動(dòng)對(duì)腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)至關(guān)重要。腦卒中患者康復(fù)治療后大腦的有效連接也是研究人員關(guān)注的問(wèn)題。Schulz 等[14]利用DCM 研究腦卒中后康復(fù)良好患者同側(cè)半球額頂網(wǎng)絡(luò)，顯示其為腦卒中后運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可塑性變化的重要回路。Nasrallah 等[15]首次利用fMRI 和DCM 分析有效連接，從客觀的角度來(lái)評(píng)估柔性機(jī)器人康復(fù)設(shè)備對(duì)腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練效果，證明其有一定的康復(fù)訓(xùn)練效果。研究人員利用DCM 進(jìn)行有效連接分析來(lái)評(píng)估各種康復(fù)治療手段[16]和康復(fù)輔助機(jī)器人的效果是一種十分有前景的方式。

總之，目前關(guān)于腦卒中患者康復(fù)腦網(wǎng)絡(luò)的研究中，為了促進(jìn)患者運(yùn)動(dòng)能力的恢復(fù)，深入了解患者的康復(fù)神經(jīng)機(jī)制，研究人員主要對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)中引導(dǎo)患者進(jìn)行單側(cè)或雙側(cè)的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，主要的研究?jī)?nèi)容在表1中顯示，對(duì)腦卒中患者有效連接的研究有助于了解其康復(fù)神經(jīng)機(jī)制，提高其康復(fù)訓(xùn)練效果。

1.1.2 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)腦網(wǎng)絡(luò)研究

大腦與人體各種復(fù)雜的活動(dòng)息息相關(guān)，fMRI 自20 世紀(jì)90年代出現(xiàn)以來(lái)廣泛應(yīng)用于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究。因DCM 具有對(duì)大腦的動(dòng)態(tài)功能變化進(jìn)行更真實(shí)的模擬的優(yōu)點(diǎn)，研究人員逐漸在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域?qū)CM 用于fMRI 數(shù)據(jù)來(lái)分析相關(guān)任務(wù)條件下感興趣腦區(qū)之間的有效連接。

研究表明，默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network，DMN)會(huì)在人處于休息狀態(tài)時(shí)顯示出更高的神經(jīng)活動(dòng)和能量消耗[17]，目前研究人員通常使用靜息狀態(tài)下的功能磁共振掃描(rs-fMRI)來(lái)進(jìn)行默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)研究。靜息狀態(tài)功能磁共振成像數(shù)據(jù)的DCM 建模是新近發(fā)展起來(lái)并被廣泛采用的推斷內(nèi)在腦網(wǎng)絡(luò)有效連接的方法[18]。國(guó)內(nèi)外不少研究人員都利用DCM 和fMRI 對(duì)DMN 進(jìn)行了相關(guān)研究[19-21]，有研究發(fā)現(xiàn)個(gè)體在默認(rèn)模式的網(wǎng)絡(luò)研究中表現(xiàn)出半球間的不對(duì)稱(chēng)性。

感覺(jué)任務(wù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在視覺(jué)任務(wù)[22-32]，關(guān)于視覺(jué)皮層的有效連接的研究有利于理解全腦的感覺(jué)網(wǎng)絡(luò)，了解視覺(jué)感覺(jué)對(duì)其他腦區(qū)產(chǎn)生的影響作用。Scharnowski 等[27]關(guān)注視覺(jué)皮層相關(guān)有效連接，評(píng)估了與視覺(jué)皮層活動(dòng)的神經(jīng)反饋訓(xùn)練(基于實(shí)時(shí)fMRI 的神經(jīng)反饋)相關(guān)的大腦有效連接的變化，結(jié)果顯示視覺(jué)皮層的激活增強(qiáng)，但視覺(jué)皮層與SPL 之間的連接減弱。觸覺(jué)[33]、聽(tīng)覺(jué)[34]等其他感覺(jué)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)研究也是研究人員關(guān)注的內(nèi)容，目前的研究中不僅僅局限于單一感覺(jué)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的研究，更加注重多感覺(jué)任務(wù)條件下多個(gè)腦區(qū)之間的相互影響。

運(yùn)動(dòng)相關(guān)有效腦網(wǎng)絡(luò)的研究中揭示了手和腳運(yùn)動(dòng)中對(duì)M1 不同的作用，手運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)側(cè)M1 被PMC 和對(duì)側(cè)M1 強(qiáng)抑制，而腳運(yùn)動(dòng)時(shí)M1 沒(méi)有半球間抑制，且運(yùn)動(dòng)側(cè)對(duì)另一側(cè)M1 有促進(jìn)作用[35]。同時(shí)也有研究證明了年齡對(duì)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有影響，這可能說(shuō)明了老年人運(yùn)動(dòng)能力下降的神經(jīng)機(jī)制[36-37]。工作記憶相關(guān)的有效連接也是研究中的一個(gè)重要內(nèi)容[38-39]。與老年人相關(guān)的工作記憶的研究中顯示老年人DLPFC 到IPL 的連接關(guān)系，相對(duì)于青年人減弱[40]，這可能揭示老年人的工作記憶能力衰退的現(xiàn)象。

語(yǔ)言[41-48]、情緒[49-54]、決策[55-60]相關(guān)的有效連接腦網(wǎng)絡(luò)的研究的主要內(nèi)容如表1所示。語(yǔ)言相關(guān)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)中關(guān)注語(yǔ)音語(yǔ)義的理解以及與手勢(shì)的結(jié)合。情緒、決策等復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)任務(wù)中也會(huì)涉及到一些感覺(jué)的參與?？傊?，在fMRI 中使用DCM 方法對(duì)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)腦網(wǎng)絡(luò)的研究涉及的內(nèi)容十分廣泛，按照實(shí)驗(yàn)任務(wù)的類(lèi)型大致分為靜息態(tài)、感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、記憶、語(yǔ)言、情緒、決策這些類(lèi)別。由于這些研究的認(rèn)知任務(wù)類(lèi)型不同，研究中所涉及的感興趣腦區(qū)(regions of interested，ROIs)也有所區(qū)別，憑借fMRI 較高的空間分辨率，研究人員可選擇的ROIs更多。在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)研究中許多內(nèi)容與人的社會(huì)生活相關(guān)，這些研究對(duì)更好理解人的社會(huì)性認(rèn)知活動(dòng)十分重要。

表1 DCM 在fMRI 中的應(yīng)用Tab.1 Summary of DCM application in fMRI

表1 續(xù)

表1 續(xù)

1.1.3 精神疾病腦網(wǎng)絡(luò)研究

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不少研究人員都利用fMRI 對(duì)精神分裂癥和抑郁癥等精神疾病展開(kāi)研究，通過(guò)DCM分析相關(guān)腦區(qū)的有效連接構(gòu)成的腦網(wǎng)絡(luò)，研究其發(fā)病機(jī)理，意圖從腦的層面比較病人與正常人之間的差異，促進(jìn)病人的治療。

首次利用隨機(jī)動(dòng)態(tài)因果模型對(duì)精神分裂癥患者的默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的研究中，研究人員將精神分裂癥患者與健康對(duì)照組進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者的默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)中與AF 相關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的有效連接減弱，表明精神分裂癥患者相比健康對(duì)照組，前額傳入的神經(jīng)突觸信息減少[61]。認(rèn)知缺陷是精神分裂癥患者的一個(gè)核心特征，Wagner 等[62]采用彌散張量成像和功能磁共振成像相結(jié)合的方式，

對(duì)精神分裂癥患者和健康對(duì)照組進(jìn)行認(rèn)知任務(wù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，利用DCM 進(jìn)行有效連接分析發(fā)現(xiàn)，精神分裂癥患者右半球Thal 和dACC、dlPFC 之間存在異常的有效連接。同時(shí)，也有研究發(fā)現(xiàn)精神病癥狀高風(fēng)險(xiǎn)和發(fā)展為精神病的受試者的Thal 非線性調(diào)節(jié)的Thal 皮層連接強(qiáng)度降低[63]。工作記憶障礙也是精神分裂癥患者中存在的一種現(xiàn)象，Nielsen等[64]為研究這種現(xiàn)象背后的神經(jīng)機(jī)制，利用fMRI結(jié)合DCM 研究了一組首發(fā)精神分裂癥患者在言語(yǔ)n-back 任務(wù)中，與健康對(duì)照組相比工作記憶依賴(lài)的有效連接調(diào)節(jié)是否發(fā)生了變化，發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者與健康對(duì)照組相比從IPL 到IFG 的前向連接減弱。國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究中徐靜等[65]也對(duì)精神分裂癥患者和健康對(duì)照組進(jìn)行了一項(xiàng)n-back 實(shí)驗(yàn)，DCM 分析MPFC、PCC、DCG 之間的有效連接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者與健康對(duì)照組之間存在相反的有效連接，這可能與精神分裂癥患者的工作記憶下降有關(guān)。Cui 等[66]對(duì)首發(fā)精神分裂癥患者的研究中發(fā)現(xiàn)患者與正常人相比，其ACC 存在異常的連接關(guān)系。Zhang 等[67]對(duì)是否存在幻聽(tīng)癥狀的精神分裂癥患者展開(kāi)了研究，發(fā)現(xiàn)存在幻聽(tīng)癥狀的精神分裂癥患者LIFG 到LMTG、LIPL 到LMTG 的連接減弱。相關(guān)研究的主要內(nèi)容如表1中精神分裂癥部分所示[68-70]。

抑郁癥與精神分裂癥一樣對(duì)人們生活產(chǎn)生危害，近幾年抑郁癥的發(fā)病率越來(lái)越高，備受社會(huì)關(guān)注。Desseilles 等[71]對(duì)重性抑郁癥患者的視覺(jué)注意網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，高低注意力水平都會(huì)對(duì)視覺(jué)注意網(wǎng)絡(luò)中的IPS 產(chǎn)生調(diào)制作用。國(guó)內(nèi)研究人員Li等[72]對(duì)重性抑郁癥患者在抗抑郁治療8 周前后靜息狀態(tài)進(jìn)行功能磁共振掃描，研究默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的有效連接，發(fā)現(xiàn)左頂葉皮質(zhì)興奮性因果關(guān)系的減弱是重性抑郁癥患者默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)改變的關(guān)鍵，而頂葉皮質(zhì)對(duì)后扣帶回皮質(zhì)的干擾因果關(guān)系對(duì)抗抑郁治療有反應(yīng)。以上的研究都表明對(duì)抑郁癥患者相關(guān)腦區(qū)的有效連接進(jìn)行分析能進(jìn)一步了解其發(fā)病機(jī)理，從客觀角度評(píng)價(jià)治療效果，合理調(diào)整治療方案。

fMRI 與DCM 方法結(jié)合分析精神疾病的腦網(wǎng)絡(luò)，除精神分裂癥和抑郁癥外，還涉及到自閉癥等其他精神疾病，主要內(nèi)容在表1中展示[73-76]。這些研究結(jié)果表明fMRI 與DCM 結(jié)合的有效腦網(wǎng)絡(luò)分析對(duì)精神疾病的診斷和治療給與極大的幫助。

1.2 EEG 中DCM 的應(yīng)用

DCM 最早用于fMRI，后來(lái)逐漸擴(kuò)展到EEG。EEG 可記錄大腦活動(dòng)時(shí)皮層各功能位置的電位變化信號(hào)，是一種非侵入式的探測(cè)大腦皮層神經(jīng)元集群自發(fā)性、節(jié)律性的電生理活動(dòng)手段，且其具有較高的時(shí)間分辨率[77]。與fMRI 中的DCM 的應(yīng)用研究相比，DCM 在EEG 中的研究相對(duì)較少，其研究?jī)?nèi)容基本上是在fMRI 中研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上逐漸展開(kāi)，也主要涉及到認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)以及疾病相關(guān)的腦網(wǎng)絡(luò)研究，研究主要內(nèi)容如表2所示。

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的腦網(wǎng)絡(luò)研究中，EEG 與DCM結(jié)合的研究主要關(guān)注了感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、記憶、語(yǔ)言等方面。感覺(jué)相關(guān)的腦網(wǎng)絡(luò)研究中，EEG 中主要關(guān)注了視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等相關(guān)的腦網(wǎng)絡(luò)研究，且目前的EEG 研究中關(guān)注單一感覺(jué)條件下的腦網(wǎng)絡(luò)研究較多，但近年來(lái)也有研究注重多種感官網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合[78]。關(guān)于視覺(jué)通路的研究中顯示視覺(jué)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)中沿背側(cè)通路的連接增強(qiáng)而沿腹側(cè)通路的連接減弱，并且驗(yàn)證了視覺(jué)信息的處理過(guò)程在視覺(jué)系統(tǒng)中具有時(shí)序性[79]。Parkinson 等[80]研究了在發(fā)聲過(guò)程中進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)干擾時(shí)左右半球STG、IFG、PMC 之間有效連接的變化，結(jié)果顯示，在處理自我和他人聲音錯(cuò)誤時(shí)，左右半球的有效連接差異，同時(shí)結(jié)果也證明了EEG 的DCM 建模在描述語(yǔ)音控制前向模型的特定網(wǎng)絡(luò)特性方面具有可行性。聽(tīng)覺(jué)相關(guān)的研究中有效連接顯示右半球在聽(tīng)覺(jué)空間感知中具有優(yōu)勢(shì)[81]。聽(tīng)覺(jué)預(yù)測(cè)研究中表明，預(yù)測(cè)外界聲音的神經(jīng)回路可能與預(yù)測(cè)意志語(yǔ)言的大腦區(qū)域有關(guān)，可能包括弓狀神經(jīng)束和額側(cè)神經(jīng)束[82]。觸覺(jué)、痛覺(jué)等感覺(jué)網(wǎng)絡(luò)研究得主要內(nèi)容在表2中展示[83-85]，對(duì)全面整合各種感覺(jué)相關(guān)連接具有意義。

表2 DCM 在EEG 中的應(yīng)用Tab.2 Summary of DCM application in EEG

頭動(dòng)對(duì)腦電信號(hào)的影響較大，EEG 中關(guān)于運(yùn)動(dòng)腦網(wǎng)絡(luò)的研究通常關(guān)注較為簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)形式，避免對(duì)腦電信號(hào)產(chǎn)生較大的干擾。Herz 等[86]在一項(xiàng)122 通道的腦電圖研究中要求受試者進(jìn)行簡(jiǎn)單的手部伸展與屈曲運(yùn)動(dòng)，利用DCM 研究了核心運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的有效連接，結(jié)果顯示M1 與SMA 之前具有雙向連接關(guān)系。老年人與年輕人運(yùn)動(dòng)腦網(wǎng)絡(luò)的對(duì)比研究中顯示老年人在進(jìn)行時(shí)空和空間耦合運(yùn)動(dòng)時(shí)，左右腦M1 相關(guān)連接都呈現(xiàn)抑制性，這可能揭示老年人運(yùn)動(dòng)功能的退化現(xiàn)象[87]。運(yùn)動(dòng)想象與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行相關(guān)的研究可能為腦卒中患者的治療提供理論基礎(chǔ)[88]。工作記憶相關(guān)的研究在EEG 中的研究表明工作記憶腦網(wǎng)絡(luò)的連接方向主要從頂葉皮層指向

前額葉皮層[5]。研究表明有效連接能區(qū)分工作記憶訓(xùn)練和練習(xí)的效果[89]，同時(shí)研究表明前額葉中存在短時(shí)和長(zhǎng)期記憶的執(zhí)行回路[90]。EEG 中語(yǔ)言相關(guān)的研究語(yǔ)音預(yù)測(cè)[91]和語(yǔ)義治療[92]，與腦卒中等疾病相結(jié)合。

如上所述，除認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究外，DCM 在EEG 中應(yīng)用還關(guān)注了精神分裂癥[93]、阿爾茲海默癥[94]、癲癇[95]、帕金森[96-97]等疾病的有效連接腦網(wǎng)絡(luò)，對(duì)這些疾病患者進(jìn)行相關(guān)任務(wù)實(shí)驗(yàn)，提取感興趣腦區(qū)，結(jié)合DCM 分析這些腦區(qū)之間的有效連接關(guān)系，從腦網(wǎng)絡(luò)的層次比較這些疾病患者與正常人之間的差異，從而為這些患者制定有針對(duì)性的治療方案，同時(shí)可能為這些疾病的診斷提供一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 fNIRS 中DCM 的應(yīng)用

fNIRS 是新發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)腦功能成像技術(shù)，利用氧合血紅蛋白(O2Hb)和脫氧血紅蛋白(HHb)的變化反應(yīng)腦區(qū)的活動(dòng)，目前在其中應(yīng)用DCM 分析有效連接的研究還非常少，一些研究?jī)?nèi)容總結(jié)如表3所示。

表3 DCM 在fNIRS 中的應(yīng)用Tab.3 Summary of DCM application in fNIRS

首先，已有研究表明在fNIRS 數(shù)據(jù)中應(yīng)用DCM分析有效連接具有可行性。Tak 等[98]提出一個(gè)生成模型，建立fNIRS 數(shù)據(jù)和隱藏的神經(jīng)元狀態(tài)之間的聯(lián)系，利用已建立的貝葉斯框架對(duì)生成模型進(jìn)行反演，然后在神經(jīng)元水平上對(duì)定向連通性的變化進(jìn)行推斷，分析運(yùn)動(dòng)想象和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行時(shí)運(yùn)動(dòng)腦網(wǎng)絡(luò)之間的有效連接，結(jié)果表明在運(yùn)動(dòng)想象和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行任務(wù)中M1 相關(guān)的連接受到抑制性影響，這與先前fMRI 中的研究具有一致性，充分表明DCM 方法可以在fNIRS 數(shù)據(jù)中分析有效連接。對(duì)發(fā)育過(guò)程中的大腦進(jìn)行研究一直是研究人員感興趣的內(nèi)容，fNIRS憑借其體積小、安全性高、魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)，成為研究嬰兒大腦的一種理想工具。一項(xiàng)單例嬰兒fMRI和fNIRS 的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，選擇一名六個(gè)月大的嬰兒作為受試者，在睡眠狀態(tài)下同時(shí)對(duì)其進(jìn)行功能磁共振成像和近紅外腦功能成像記錄，并在睡眠過(guò)程中對(duì)嬰兒提供適當(dāng)聽(tīng)覺(jué)刺激，激活提取了TPJ、STS、IFG 為感興趣區(qū)，DCM 分析這些區(qū)域之間的有效連接腦網(wǎng)絡(luò)，比較在fMRI 和fNIRS 兩種成像中的結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者具有一致性，這證明了fNIRS 用于嬰兒有效連接腦網(wǎng)絡(luò)分析具有可行性[99]。同時(shí)，憑借fNIRS 的優(yōu)點(diǎn)，可以解鎖親子間互動(dòng)的研究場(chǎng)景，對(duì)嬰兒的大腦連接進(jìn)行研究，甚至可以借助新近出現(xiàn)的超掃描技術(shù)(Hyperscaning)研究親子互動(dòng)時(shí)的腦間相互作用。與疼痛相關(guān)神經(jīng)機(jī)制的研究或許為從根源上解決疼痛的方法提供參考，同時(shí)也為某些無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)疼痛等級(jí)的人群提供一個(gè)客觀的評(píng)定指標(biāo)。Sharini 等[100]采集冷刺激引起的疼痛過(guò)程中額葉區(qū)域的fNIRS 信號(hào)，激活提取mPFC、lPFC、rPFC 為感興趣區(qū)域，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明存在rPFC 到mPFC 的連接，且連接顯著持續(xù)增強(qiáng)，而mPFC 和lPFC 之間的雙向連接持續(xù)減弱。研究表明對(duì)額葉相關(guān)區(qū)域利用DCM 進(jìn)行有效連接分析來(lái)量化疼痛的程度是一種可行的方法。認(rèn)知神經(jīng)領(lǐng)域中，Yousef 等[101]將DCM 應(yīng)用于fNIRS 數(shù)據(jù)，研究了Stroop 干擾效應(yīng)處理過(guò)程中，由dmPFC、rdlPFC、ldlPFC 構(gòu)成的有效連接腦網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果顯示Stroop 干擾任務(wù)中rdlPFC 和ldlPFC 到dmPFC 的連接都增強(qiáng)，這可能與Stroop 干擾任務(wù)中需要更多的認(rèn)知參與程度有關(guān)。

綜上，盡管目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于fNIRS 與DCM 相結(jié)合的研究還比較少，但憑借二者的優(yōu)點(diǎn)會(huì)有越來(lái)越多的研究?jī)?nèi)容被發(fā)掘。

2 總結(jié)與展望

對(duì)大腦進(jìn)行研究一直是研究人員關(guān)注的內(nèi)容，目前，研究人員可以借助各種非侵入式的檢測(cè)技術(shù)對(duì)大腦展開(kāi)研究。分析大腦的有效連接或許能從更深的層面揭示神經(jīng)元系統(tǒng)之間的相互作用，從而進(jìn)一步理解大腦的各項(xiàng)功能的展開(kāi)機(jī)制。DCM 是一種專(zhuān)門(mén)分析大腦有效連接的方式，最早在fMRI 中用于分析大腦內(nèi)的有效連接，后來(lái)DCM 方法逐漸擴(kuò)展到EEG。近年來(lái)，研究人員已經(jīng)在fNIRS 中用DCM 建模，分析腦區(qū)之間有效連接，獲得了和fMRI一致的結(jié)果。

總結(jié)概述了fMRI、EEG 和fNIRS 等3 種檢測(cè)技術(shù)分別利用DCM 進(jìn)行腦網(wǎng)絡(luò)研究的應(yīng)用進(jìn)展。在3 種檢測(cè)技術(shù)中，fMRI 中應(yīng)用DCM 的發(fā)展最為成熟，所涉及的研究?jī)?nèi)容十分廣泛，包括對(duì)腦卒中患者、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域(涉及靜息態(tài)、感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、記憶、語(yǔ)言、情緒、決策等方面)、精神疾病(如精神分裂癥、抑郁癥等)等的腦網(wǎng)絡(luò)的研究。fMRI 測(cè)量整個(gè)大腦的BOLD 信號(hào)，具有較高的空間分辨率，結(jié)合DCM 可以分析大腦更深層次的功能區(qū)之間的有效連接關(guān)系。腦卒中患者運(yùn)動(dòng)腦網(wǎng)絡(luò)的變化與患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)相關(guān)，在患者康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)區(qū)之間有效連接的變化或許為評(píng)估其康復(fù)訓(xùn)練效果提供一個(gè)客觀指標(biāo)。視覺(jué)皮層相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)研究通常與注意力控制相結(jié)合。抑郁癥等疾病中，患者主觀因素不利于疾病的診斷與治療，有效連接分析可以幫助醫(yī)生更客觀診療疾病。

近年來(lái)，在EEG 中結(jié)合DCM 進(jìn)行有效連接分析的研究有所增加，適用的研究?jī)?nèi)容基本上是在fMRI 中DCM 研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行展開(kāi)，也涉及到許多認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究和精神分裂、抑郁癥等精神疾病的研究。EEG 設(shè)備相較fMRI 更為便攜，適用的研究場(chǎng)景更多，且由于EEG 信號(hào)較高的時(shí)間分辨率，可以作為腦機(jī)接口研究中控制信號(hào)的一項(xiàng)有效選擇。同時(shí)，有研究人員嘗試進(jìn)行多模態(tài)分析，實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測(cè)量fMRI 和EEG 信號(hào)[102]，用fMRI 數(shù)據(jù)獲得的坐標(biāo)來(lái)確定EEG 源空間結(jié)構(gòu)，交叉驗(yàn)證大腦內(nèi)有效連接，結(jié)果證明了基于fMRI 和EEG 信號(hào)的DCM 分析在神經(jīng)元系統(tǒng)有效連接腦網(wǎng)絡(luò)中具有互補(bǔ)性和協(xié)同性。EEG 與fNIRS 的聯(lián)合檢測(cè)也有效克服了單一檢測(cè)的局限性，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

fNIRS 相較于其它兩種檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展較晚，是一種新近出現(xiàn)的檢測(cè)技術(shù)，目前在其中應(yīng)用DCM分析有效連接的研究才剛剛起步。與其他兩種檢測(cè)技術(shù)相比，fNIRS 具有一些優(yōu)點(diǎn)。相比f(wàn)MRI，fNIRS 具有較高的時(shí)間分辨率，設(shè)備較fMRI 設(shè)備更便攜，成本更低，對(duì)有幽閉恐懼癥的受試者適用；相比EEG，fNIRS 具有較高的空間分辨率和更好的魯棒性，對(duì)頭動(dòng)和眼動(dòng)干擾信號(hào)的敏感度更低。由于fNIRS 具有的這些優(yōu)點(diǎn)，其相較于其他兩種方式而言適用的研究場(chǎng)景有較多的選擇。對(duì)發(fā)育中的大腦進(jìn)行研究是研究人員關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題，fNIRS 可以作為研究嬰幼兒的大腦發(fā)育的一種理想方式，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中嬰幼兒不用局限在一個(gè)狹小的空間接受功能磁共振掃描，也不用擔(dān)心眼動(dòng)、頭動(dòng)對(duì)EEG信號(hào)的干擾。社會(huì)關(guān)系離不開(kāi)人與人之間的協(xié)調(diào)配合，近年來(lái)有研究人員利用fNIRS 中的超掃描技術(shù)對(duì)多人的大腦同時(shí)進(jìn)行掃描，這種超掃描技術(shù)可以在一個(gè)真實(shí)的社交場(chǎng)景下采集受試者的血氧信號(hào)。

由于fNIRS 在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中對(duì)受試者的友好性及其在更多的研究場(chǎng)景中的適用性，不少研究者都開(kāi)始青睞于fNIRS 這項(xiàng)技術(shù)。研究已經(jīng)驗(yàn)證了利用DCM 建模對(duì)fNIRS 數(shù)據(jù)進(jìn)行有效連接分析具有可行性。未來(lái)fNIRS 所涉及的研究領(lǐng)域?qū)⒃趂MRI和EEG 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入發(fā)展，對(duì)功能整合的研究是目前研究人員進(jìn)行大腦研究的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，有效連接反映著一個(gè)腦區(qū)對(duì)另一個(gè)腦區(qū)的影響。DCM 更真實(shí)的模擬了神經(jīng)元之間的狀態(tài)，結(jié)合DCM 分析大腦有效連接的研究將成為大腦功能整合研究中一種非常具有前景的研究方式。

盡管相比f(wàn)MRI 和EEG，fNIRS 具有一些優(yōu)點(diǎn)，但作為一項(xiàng)新的發(fā)展中的檢測(cè)技術(shù)，目前它也存在一些缺點(diǎn)，如進(jìn)行高覆蓋或全頭測(cè)量時(shí)，因光纖探頭的數(shù)量增加、重量增大從而可能增加運(yùn)動(dòng)誤差和信號(hào)損壞的可能性等?？傮w而言，目前DCM 在fMRI 和EEG 中的應(yīng)用相對(duì)較多，發(fā)展較為成熟，但考慮到fNIRS 的一些優(yōu)點(diǎn)，其與DCM 相結(jié)合分析大腦有效連接網(wǎng)絡(luò)在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究方面具有優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)多人大腦的同步掃描，促進(jìn)人類(lèi)對(duì)大腦各種功能的理解，有利于促進(jìn)大腦的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，在未來(lái)應(yīng)用于臨床檢測(cè)中可能為更多腦相關(guān)的疾病提供一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而有利于對(duì)患者提出更好的治療或者康復(fù)的手段。

總結(jié)了DCM 在過(guò)去10年內(nèi)在fMRI、EEG 和fNIRS 中的應(yīng)用進(jìn)展，同時(shí)對(duì)DCM 未來(lái)與fNIRS 相結(jié)合的應(yīng)用做出一些展望。雖然目前DCM 與fNIRS 相結(jié)合的研究還比較少，但研究已經(jīng)驗(yàn)證了DCM 在fNIRS 中分析大腦有效連接具有可行性。隨著DCM 模型的不斷改進(jìn)與完善，fNIRS 技術(shù)的發(fā)展，二者結(jié)合的有效連接分析將可能在fMRI 和EEG 的基礎(chǔ)上對(duì)研究?jī)?nèi)容擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，互為補(bǔ)充，用于任務(wù)態(tài)下腦區(qū)連接變化，神經(jīng)元相關(guān)疾病等疾病的診斷和各種康復(fù)神經(jīng)機(jī)制的研究。