用磁共振检测神经磁场：树突分支贡献的模型研究

论文摘要

早在上个世纪90年代,功能磁共振成像(fMRI)技术就已经广泛应用于人脑组织的功能性研究。目前,fMRI技术是通过测量人脑特定区域的血液动力学参数,如血流量、血液含氧量等来推断人脑的神经生理活动,而并非直接测量其活动。这种间接性测量存在着诸多不足之处。首先,特定区域的脑血液动力学与神经生理活动的耦合关系是复杂且非线性的,因此区域脑血动力学并不能真实反映神经活动;其次,fMRI所观测到的血氧饱和度主要源自于血管的几何分布,但血管的分布与神经活动区域并非是完全重叠的,因而血氧饱和度的变化也并不是神经生理活动的可靠推断;第三,人脑血液动力学的响应时间(秒数量级)远慢于神经活动的响应时间(毫秒数量级),因而在时间上对神经活动的测量也受到限制。所有这些缺陷,使得当前以测量血液动力学为基础的fMRI的使用受到了限制,因此,如果我们能够通过MRI来直接检测神经生理活动,将可以弥补fMRI的不足。这里,我们首先构建神经元模型,并对神经元胞体和树突的电活动进行仿真;然后对每一个树突和每一个没有髓鞘的轴突都采用一个改进的电流偶极子模型来仿真,再以群体神经元的同步活动来计算其所产生的神经磁场(Neuronal Megnetic Field,NMF),最后测算由神经磁场引起的MRI信号的变化。结果表明,MRI信号的变化取决于活动树突磁场的强度、活动树突的几何形态(即方向和结构)和活动树突的数量。在NMF中,MRI幅值信号变化较为显著,其强度取决于NMF中平行于主磁场B0的分量Bn//;NMF引起的MRI相位信号变化并不显著,只有在活动的树突不对称的情况,也即非均匀时,才可能引起可测的相位变化。我们构建的模型表明,用MRI直接检测神经磁场是可行的。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 检测神经活动电磁现象的途径
• 1.1.1 磁共振成像（MRI）
• 1.1.2 BOLD 方法间接检测神经电活动
• 1.1.3 MRI 直接检测NMF
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究的意义和价值
• 1.4 全文结构及内容安排
• 第二章 神经电活动的仿真
• 2.1 脑电磁现象的模型化描述
• 2.2 神经活动的电磁现象
• 2.2.1 脑电磁信号产生的神经机理
• 2.2.2 神经元的电生理活动
• 2.3 神经元放电模型的仿真
• 2.3.1 nc-MRI 信号的计算
• 2.3.2 神经元电活动的时空特性仿真
• 2.3.3 神经元树突分支放电的仿真
• 第三章 树突磁场的建模仿真与研究
• 3.1 神经元的数学模型及磁场活动的仿真
• 3.2 树突产生磁场的建模仿真
• 3.2.1 模型参数的选择
• 3.2.2 单个树突产生磁场的仿真
• 3.2.3 加有分支的树突磁场仿真
• 3.3 加有噪声的树突磁场仿真
• 3.4 树突磁场的平移和叠加
• 第四章 结束语
• 4.1 本文总结
• 4.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历及攻读硕士期间取得的研究成果