高分辨率人类中脑功能磁共振成像方法

本实验的总体目标是测量人类中脑和脑干中的高分辨率功能性磁共振成像（fMRI）信号。首先向受试者呈现适当的视觉刺激，随后采集一组最优的fMRI信号。

采用各种实验步骤和参数来采集数据，并结合标准分析方法与基于表面的分析技术对数据进行分析。最后一步是将数据叠加到三维表面图上以实现可视化。最终，利用高分辨率功能性磁共振成像（fMRI）展示人类上丘在视觉刺激下方位角的拓扑表征。

与现有的皮层下结构研究方法相比，该技术的主要优势在于能够在克服高分辨率功能磁共振成像（FMRI）所伴随的低信噪比问题的同时，实现高分辨率成像。我们通过采用专门的图像分析和数据采集技术来实现这一目标。尽管该方法最初是为人类上丘的功能成像而设计的，但它也可应用于其他皮层下区域，如外侧膝状体核、下丘或丘脑底核。

为了获得偏心角，在上丘中首先建立视网膜拓扑图，使用一个90度的移动点阵楔形作为刺激。该刺激被虚拟划分为三个相等的扇形区域，每次试验中随机选择其中一个扇形区域中的点阵移动速度比其他所有区域的点阵更快或更慢。以下是一个示例试验，其中左侧中央扇形区域的点阵移动速度比其他区域的点阵更快。

每次试验后，楔形块围绕固定点以30度为增量旋转，使刺激以24秒为周期完成一个完整的循环。每次运行包括刺激的九个半旋转，实验阶段在扫描前应包含16至18次运行。让每位受试者针对每个持续两秒的试验练习视觉任务。

指导受试者在保持注视的同时，隐蔽地关注楔形区域并执行速度辨别任务。通过按键，受试者应指出其中一个扇区中的点状图案是否比其他扇区移动得更快或更慢。在扫描前应遵循标准的 MRI 安全规程。将受试者安置在扫描仪检查床上，并将射频线圈置于头部上方。

然后务必使用泡沫垫固定受试者的头部，以尽量减少头部运动。需说明功能性磁共振成像（fMRI）对运动伪影特别敏感，尤其是在本研究采用的高空间分辨率条件下。同时将一个与磁共振兼容的按钮控制器放置于受试者手中，并告知其在执行任务时应按哪个按钮。

刺激通过安装在线圈上的镜子投射到受试者观看的显示屏上。人类上丘是一种直径约九毫米的小型但结构明确的组织，位于中脑的背侧表面，其精确定位需要多次局部定位成像序列。需沿矢状面、轴向面和冠状面运行局部定位扫描。

现在使用这些定位图像精确定义上丘，采用8到10个连续切片。然后使用三维SPGR序列获取高分辨率T1加权结构图像。这些图像将用于将fMRI数据与高分辨率结构参考体积对齐，该参考体积应在单独的扫描会话中获取。

接下来，采用三射螺旋轨迹采集方式设置功能成像，以获得1.2毫米的平面内像素尺寸。将回波时间设为40毫秒，该值比皮层成像通常使用的时间更长，对应较长的T2*测量值。重复时间（TR）设为1秒，以便每3秒采集一个体层图像。

准备就绪后，在运行功能范式的同时开始扫描。功能成像完成后，在另一次扫描会话中获取另一组高分辨率T1结构像序列。对每位受试者，使用T1加权序列获取高分辨率参考容积图像，以提供良好的组织对比度。

该序列时长约为28分钟。成像完成后，使用ITK SNAP软件提供的自动与手动技术相结合的方法，在高分辨率图像上对脑干和丘脑的部分区域进行分割。基于分割结果，通过ISO密度镶嵌法对上丘的脑脊液组织界面进行插值，并进一步优化，以生成平滑且精确的表面表征。

该表面提供了用于层流计算的顶点和法线，以及可视化功能数据的方法。所描述的分析利用了 Mr.Vista 软件包以及基于 Mr.Vista 框架开发的工具。首先初始化一个会话，并选择将平均数据的强度进行空间标准化的选项，以减少线圈不均匀性的影响，并舍弃前半个周期的图像。

为避免瞬态磁共振平衡和血流动力学效应，然后打开 Mr.Vista 软件。接下来，进行受试者运动校正和层时间校正。

然后对每次会话内记录的多次运行结果进行平均。为了提高信噪比，将fMRI会话的结构数据与参考体积图像对齐。将对齐和分割结果加载到Mr.Vista中。

然后将功能时间序列数据变换至分段参考体积。接下来的步骤使用在 Mr.Vista 框架上开发的工具。通过计算每个脊髓组织体素与其在软膜表面（SE 表面）上最近顶点之间的距离，生成距离图。

这些距离用于测量参考体积内的层状位置。接下来，执行层状分割过程，以实现时间序列数据的深度平均，从而提高信噪比（SNR）。对于上丘（SC）表面的每个点，利用这些层状关联，在指定的深度范围内对时间序列进行平均，以分析数据的拓扑表征。

通过对每个体素的深度平均时间序列在刺激重复频率处拟合正弦波，进行相干性分析，并由此拟合结果生成反应、振幅、相干性和相位的表面图。正弦拟合的相位将用于测量刺激的位置。此处我们看到相位数据叠加在上丘（SC）的三维表面上，零相位对应于上垂直子午线。

随后刺激顺时针旋转，因此相位达到 π/2 时，对应刺激旋转至右侧视野的水平子午线位置。当相位达到 π 弧度时，刺激进入左侧视野，依此类推。视觉刺激的反应在上丘（SC）中表现为对侧表征，即左侧视野由右侧上丘表征，反之亦然。

上丘（SC）整个浅表范围的边界由红色虚线标出。其活动具有拓扑性组织特征：右侧上视野在左侧柱内侧区有表征，而下视野则在外侧区有表征。

类似地，左侧上部视野在右侧上丘的内侧区域有表征，而下部视野则在外侧区域有表征。观看本视频后，您应能够充分理解如何在人类中脑和脑干中进行高分辨率功能磁共振成像（fMRI）；特别地，您应能够掌握如何呈现视觉刺激、采集高分辨率fMRI数据、执行标准分析及基于皮层表面的分析，最终将数据投射到三维表面，以获得上丘表面的拓扑图谱。