多模态fMRI在精神分裂症研究中应用课件

多模多模态fMRI在精神分在精神分裂症研究中裂症研究中应用用多模态fMRI在精神分裂症研究中应用多模态fMRI在精神分裂1磁共振新技术概述早期诊断，客观评估 影像学指标磁共振新技术概述早期诊断，客观评估 影像学指标2Contents磁共振新技术概述rfMRI用于精神分裂症生物表征探索的应用研究首发未治疗精神分裂症患者脑结构及功能分析药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响药物治疗长期对精神分裂症脑功能的影响rfMRI对评估精神分裂症患者脑功能的展望小结123Contents磁共振新技术概述13MRIfMRIPET血流、葡萄糖代谢、氧耗功能高分辨简便、无创结构磁共振新技术概述X光CTMRIfMRI功能高分辨简便、结构磁共振新技术概述4磁共振新技术概述磁共振新技术概述5BOLD（blood oxygenation level dependent）fMRI技术：通过血氧水平改变产生的磁共振信号变化来反映脑区活动状况的功能磁共振技术。磁共振新技术概述BOLD（blood oxygenation level d6BOLD信号反映了什么？Bold信号局部去氧血红蛋白比例磁共振新技术概述BOLD信号反映了什么？Bold局部去氧磁共振新技术概述7BOLD信号反映了什么？血流动力学改变血流动力学改变BOLD信号的改变输入神经细胞活动输出磁共振新技术概述BOLD信号反映了什么？血流动力学改血流动力学改变BOLD8任务相关fMRI静息态fMRI磁共振新技术概述血氧水平依赖（BOLD）任务相关fMRI 静息态fMRI磁共振新技术概述9没有任务刺激时，仍然存在BOLD信号的波动磁共振新技术概述没有任务刺激时，仍然存在BOLD信号的波动磁共振新技术概述10任务相关fMRI结果任务状态对照状态=-任务状态功能磁共振的缺点 受任务设计的影响较大 需要较强的心理学背景 临床实用性不佳，很多任务病人无法完成 基线水平控制困难静息态fMRI具有更好的临床实用性！磁共振新技术概述任务相关任务状态对照状态=-任务状态功能磁共振的缺点磁共11如何定义静息状态 平躺，安静，无运动 闭眼或睁眼，未进入睡眠 无系统思维活动磁共振新技术概述如何定义静息状态 平躺，安静，无运动 闭眼或睁眼，未进入12临床诊断评估及病理机制探索结构信息功能信息磁共振新技术概述结构与功能的结合能提供更多的信息传统的新型的临床诊断评估及结构信息磁共振新技术概述结构与功能的结合能提供13RehralusAbrulD holcrdesoDi nve iotidafetaAfniopnMezSc首发精神分裂症患者结构及功能分析一0124 5 6hic rtortegAea198219937121086420310.3SchizophreniaPrevalenceNearly13,000,000patients inChina,Now!RehralusAbrulD holcrdesoDi14等受体的作用功能药物对D2及GABA结构脑结构及功能改变疗效及副作用基因异常与环境交互作用脑结构及功能改变临床症状缺乏客观诊断及评估指标首发精神分裂症患者结构及功能分析一等受体的作用功能脑结构及功能疗效及基因异常与环脑结构及功能15一精神分裂症非器质性疾病是否真的没有结构异常？首发精神分裂症患者结构及功能分析一精神分裂症非器质性疾病是否真的没有结构异常？首发精神分裂16一Honea et al.,2005,Am J Psychiatry进性灰质低抗病药物治疗的影响需要研究首发未用药分症患者首发精神分裂症患者结构及功能分析一Honea et al.,2005,Am J Psyc17ControlSchizophrenia一比较信号以体素（Voxel）为单位的比较方法首发精神分裂症患者结构及功能分析ControlSchizophrenia一比较信号首发精18一研究目的1.首发未用药精神分裂症患者是否存在脑灰质异常？2.如果存在脑灰质异常，这些改变是否与临床症状相关？3.家族性及散发性精神分裂症患者之间是否存在脑灰质差异，如果有，这些差异是否也见于其父母之间，从而判断以上异常与遗传的相关性。首发精神分裂症患者结构及功能分析一研究目的1.首发未用药精神分裂症患者是否存在脑灰质异常？首19Structured Interview forThe severity of FSE：一纳入对象-17.8 5.2冲动评分（Impulsive aggression）-10.1 4.0反应缺乏评分（Anergia）抑 评分（Depression）思维障碍（Thought disturbance）-51.8 9.114.4 3.510.0 2.811.2 2.510.5 4.7-26.2 7.6107.4 15.220.6 6.626.6 5.4大体功能量表（GAF）PANSS 评分总分（Total）阴性评分（Negative）阳性评分（Positive）体重37:3124.7 8.813.0 2.9166.8 6.458.7 10.6-对照组(n=68)精神分裂症组(n=68)38:3024.2 8.611.8 3.2167.3 4.959.4 12.88.6 14.3一般情况年 者纳性别（女：男）首发精神分裂症患龄（岁）入标准教育年限（年）身高（厘米）DSM-IV(SCID-P)（公斤）病程（月）PANSS对照纳入标准the （Paranoid）一般评分（General）Screened using SCID-I/P激活性（Activation）Absence of 妄想评分history ofpsychiatric and郁neurologicalillnessLui et al.,AJP 2009首发精神分裂症患者结构及功能分析Structured Interview forThe se20一纳入对象-22.6 6.620.1 7.224.4 5.418.6 4.1阴性评分（Negative）阳性评分（Positive）-101.7 15.5 93.615.4总分（Total）PANSS 评分-4.8 3.24.1 3.1病程（月）7.8 3.8-8.2 3.46.7 2.8-12.4 2.3 10.8 2.59.7 4.1教育年限（年）3:55:55:55:5性别（女：男）43.26.34:645.6 6.25:723.0 7.9)41 3.721.2 7.522 8.2年龄（岁）对照组(n=10)散发组(n=10)家族组(n=10)对照组(n=10)散发组(n=10)家族组(n=10)父母及对照患者及对照一般情况家族性及散发性精神分裂症患者及父母的脑结构研究Lui,et al.PSYN,2009首发精神分裂症患者结构及功能分析一纳入对象-21一方法3T MR Scanner(EXCITE,GE,Milwaukee,USA)8 channel phase array head coilScan ParameterTRTEFlip AngleSlice ThicknessMatrixNEXNo.of SliceFOVPrepare TimeBandwidth8.5msec3.4msec121mm512x5121.016024x24x0.7540027.78SPGR protocol首发精神分裂症患者结构及功能分析一方法3T MR Scanner(EXCITE,GE,S22Modulate data by Jacobian一方法StandardNormalisationSegment outputinto native spaceCreate custom symmetrictemplateSegmentationoutput intostandardspaceStudy ImageOptimallynormalisedwhole-brainimagesExtractthe whole-brainSegmentoptimallynormalisedimages andoutput intostandard spaceDetermine normalisationparameters from GM/WMcustom templates and apply tooriginal study imagedeterminants to retrieve volume lostduring normalisationCleansegmented mapsOptimisedmodulated GMand WM mapsStudyImageOptimized-VBM首发精神分裂症患者结构及功能分析Modulate data by Jacobian一方法S23一首发精神分裂症患者结构及功能分析Schizophrenia VS Controls两样本t检验,校正后 p 0.05Lui et al.,AJP 2009一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al.,24P0.01P0.01P0.01PositiveTotalGeneralP0.05Impulsive aggressionP0.05ActivationP0.05Thought DisturbanceP0.01ParanoidP0.05STG和MTG的灰质体积与分裂症患者临床症状相关一结果Lui et al.,AJP 2009首发精神分裂症患者结构及功能分析P0.01P0.01P0.01PositiveTota25一结果Impulsive aggressionP0.01ActivationP0.01Thought DisturbanceP0.01ParanoidP0.05ACC的灰质体积与分裂症患者临床症状相关Lui et al.,AJP 2009首发精神分裂症患者结构及功能分析PositiveP0.01一Impulsive aggressionLui et 26首发未用药精神分裂症患者存在脑灰质异常局部灰质异常与临床症状相关STG,MTG,ACCMRISchizophrenia影像诊断及评估指标?Lui et al.,AJP 2009一首发精神分裂症患者结构及功能分析首发未用药精神分裂症患者存在脑灰质异常STG,MTG,27结果ANOVA with posthoc Analysis,校正后 p 0.05患者：家族 VS 散发 父母：家族 VS 散发一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui,et al.PSYN,2009结果ANOVA with post患者：家族 VS 散发 父28家族性患者及父母双侧丘脑灰质密度较散发患者及父母降低丘脑灰质改变 遗传丘脑灰质改变 家族性患者与散发性患者的症状差异（阴性症状，预后）讨论Lui,et al.PSYN,2009一首发精神分裂症患者结构及功能分析家族性患者及父母双侧丘脑灰质密度较散发患讨论Lui,et29一首发精神分裂症患者结构及功能分析功能变化结构改变临床症状一首发精神分裂症患者结构及功能分析功能变化结构改变临床症状30静息状态下反映生理活动的BOLD信号波动范围(0.010.08 Hz)功能连接的定义:Cross correlations over time betweenspatially remote brain regions功能连接神经网络Raichle et al.PNAS 2001;Fox et al.PNAS 2005一首发精神分裂症患者结构及功能分析静息状态下反映生理活动的BOLD信 功能连接神经网络一首31RegionalFunctionFunctionalConnectivity局部全脑一首发精神分裂症患者结构及功能分析Regional局部全脑一首发精神分裂症患者结构及功32研究目的1.右侧颞上，中回和右侧扣带回前部的灰质降低是否会影响其所属的功能连接？2.右侧颞上，中回和右侧扣带回前部所属的功能连接是否与临床症状相关，即哪些功能网络可能影响患者的临床症状？一首发精神分裂症患者结构及功能分析研究目的1.右侧颞上，中回和右侧扣带回前部的灰质降低是33纳入对象Scan ParameterTRTEFlip AngleSlice ThicknessMatrixNEXNo.of SliceFOVPhase2000msec30msec905mm64x641.030240 x240mm2200第一部分研究中的68例对照及68例分裂症患者Resting fMRI protocol3T MR Scanner(EXCITE,GE,Milwaukee,USA)8 channel phase array head coil一首发精神分裂症患者结构及功能分析纳入对象Scan Parameter2000msec第一34方法种子点相关分析法0.01-0.08Hz FilterCorrelateBold Signal in STG一首发精神分裂症患者结构及功能分析方法种子点相关分析法一首发精神分裂症患者结构及功能分析35结果Functional connectivity map of 患者组p0.05,FWE对照组 STG,一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al.,AJP 2009结果Functional connectivity map 36结果Functional connectivity map of MTG,p0.05,FWE一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al.,AJP 2009结果Functional connectivity map 37结果对照组 患者组Functional connectivity map of ACC,p0.05,two sample t-test)一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al.,AJP 2009结果组间分析结果显示精神分裂症患者各个一首发精神分裂症患者结39结果静息状态功能连接与临床症状的相关系数表0.043反应缺乏阴性3747-56-3楔叶右侧颞上回(Brodmann 7区)0.0005阴性评分阴性16047-56-3楔叶右侧颞上回(Brodmann 7区)0.0004总分阴性9719-6018楔叶扣带回后右侧颞上回 部(Brodmann31区)0.036思维障碍阳性61-12818右侧颞中回 右侧苍白球0.0001思维障碍阳性217-1110-18右侧颞中回 左侧苍白球P*值PANSS 评分相关类型（个）Taliarach坐 体素标（mm）X YZ相关区域种子点*多重比较校正后一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al.,AJP 2009结果静息状态功能连接与临床症状的相关系数表0.043反应缺乏40讨论首次发现分裂症患者灰质异常脑区所涉及的静息状态脑功能连接并未出现改变首次发现STG 和MTG 所涉及的某些功能网络与临床症状相关一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al.,AJP 2009讨论首次发现分裂症患者灰质异常脑区所涉及的静息状一首发精神41灰质异常STG&MTG局部灰质体积神经网络精神分裂症症状Right ACC讨论一首发精神分裂症患者结构及功能分析局部灰质体积Lui et al.,AJP 2009灰质异常局部灰质精神分裂症Right ACC讨论一首发精42静息状态下反映生理活动的BOLD信号波动范围(0.010.08 Hz)低频震荡幅度（ALFF）:Amplitude of Low FrequencyFluctuationALFF神经元自发活动Raichle et al.PNAS 2001;Fox et al.PNAS 2005一首发精神分裂症患者结构及功能分析静息状态下反映生理活动的BOLD信 ALFF神经元自发活动43一首发精神分裂症患者结构及功能分析采用 Rest 软件计算66例患者与66例正常对照全脑的ALFF值Regional function:Amplitude of low frequencyfluctuation(ALFF)Bandpass filtering(0.010.08 Hz)Linear-trend removalFast Fourier transform(FFT)Square root transformedDivided by the global mean value一首发精神分裂症患者结构及功能分析采用 Rest 软件计算44一首发精神分裂症患者结构及功能分析精神分裂症患者存在脑功能增高和降低的区域：前额叶腹侧功能降低基底节区域功能增高没有发现颞叶及ACC功能改变功能改变与临床症状无相关Huang&Lui et al.,Neuroimage 2010一首发精神分裂症患者结构及功能分析精神分裂症患者存在脑功能增45Huang&Lui et al.,Neuroimage 2010一首发精神分裂症患者结构及功能分析1.同时存在增高和降低区域功能缺陷与代偿2.没有发现颞叶及ACC功能改变功能改变与结构改变的关系3.功能改变与临床症状无相关特质性改变ALFF作为定量或定性指标的能力ALFF 结果解释Huang&Lui et al.,Neuroimage46一首发精神分裂症患者结构及功能分析首发未治疗精神分裂症患者脑结构及功能分析总结1.发现精神分裂症患者存在脑结构及功能改变（VBM，rfMRI）2.结构功能改变与临床症状的关系结构改变与临床症状相关；功能改变（ALFF）？3.结构与功能的联系功能连接（rfMRI）4.没有解决的问题局部结构改变与功能改变的联系（MRS，DTI）结构功能改变与疾病鉴别诊断的关系（多模态模式识别）药物治疗的影响（纵向研究）一首发精神分裂症患者结构及功能分析首发未治疗精神分裂症患者47D2;GABAMedicationNeural systemeffect药物治疗的机制不清，副作用明显!二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响D2;GABAMedicationNeural syst48应用静息状态功能磁共振:首发未治疗精神分裂症患者接受二代抗精神病药物治疗后6W：那些脑区局部脑结构及功能改变局部脑功能改变与临床症状的相关性神经网络的改变二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响应用静息状态功能磁共振:二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的49The severity of FSE（：month）PANSSScreened using SCID-NP研究对象患者纳入标准对照纳入标准theillness-10.1 4.017.8 5.2AnergiaImpulsive aggressionDepression-51.8 9.114.4 3.510.0 2.811.2 2.510.5 4.7GeneralThought disturbanceActivationAbsence of Paranoidhistory ofpsychiatric and neurological-26.6 5.4阳性评分（Positive）Weight13.0 2.9166.8 6.458.7 10.6-11.8 3.2167.3 4.959.4 12.88.6 14.326.2 7.6107.4 15.220.6 6.6Year of education（Yrs）Structured Interview forHeight（cm）DSM-IV(SCID-P)（Kg）Illness durationGAFPANSS 评分TotalNegative21:1325 821:1324.6 8.5Sex（F：M）Age（Yrs）Control(n=34)schizophrenia(n=34)Characteristics二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响The severity of FSE（：month）PA50二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响治疗6周后精神分裂症患者的脑结构出现改变：与基线值相比，发现左侧额下回、右侧壳核、海马及杏仁核等区域脑灰质体积增加与患者临床症状无相关性二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响治疗6周后精神分裂症51局部功能改变:Amplitude of low frequencyfluctuation(ALFF)Bandpass filtering(0.010.08 Hz)Linear-trend removalFast Fourier transform(FFT)Square root transformedDivided by the global mean value二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响局部功能改变:二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响52Brodmann 11PutamenRegional function:CaudateBaseline:patients ControlsBrodmann 7Brodmann 45Caudate二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响Brodmann 10Patients:6 weeks later BaselineLui et al.,AGP 2010 In PressBrodmann 11PutamenRegional fun53SymptomParanoidL prefrontalParanoidACTTDR Medial prefrontalimpulsiveRegional function:Significantly correlated with the improvement of symptoms!ALFFimpulsivePretreatment二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响PositiveAfter treatmentLui et al.,AGP 2010 In PressSymptomParanoidL prefrontalPar54二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响1.多个脑区ALFF值增高2.脑区功能增强与临床症状相关3.功能改变与阴性症状关系不明显4.ALFF作为定量指标Lui et al.,AGP 2010 In Press二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响1.多个脑区ALF55RegionalFunctionFunctionalConnectivityregionalNetwork二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响RegionalregionalNetwork二药物56Neural network functionSeed voxel approach0.01-0.08Hz FilterCorrelateBold Signal in STG二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响Neural network function二药物治疗短期57L ThalamusL MF,B 9L STG,B 38R LentiformR MEFC,B10L PF,B 10L PH,B 36R ThalamusR IFG,B45B6L Insula,B13 L Lentiform L MTG,B 21R PH,B 35R IP,B40二R MF,B 8药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响R TL,B20R CaudateR CC,B 32Lui et al.,AGP 2010 In PressL ThalamusL MF,B 9L STG,B 358effectRegionalNeural systemMedicationSchizophreniaCorrelatedNetworkModel for antipsychotic drugs二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响Lui et al.,AGP 2010 In PresseffectRegionalMedicationSchizo59二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响主成分独立成分分析探索其他脑功能网络的改变验证种子点分析结果Lui et al.,AGP 2010 In Press二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响主成分独立成分分析L60二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响1.治疗后存在广泛功能连接降低2.颞叶及vMPFC涉及不同的改变3.网络改变与临床症状缓解无明显相关Lui et al.,AGP 2010 In Press二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响1.治疗后存在广泛61二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响1.抗精神病药物对精神分裂症患者脑结构及功能在短期内产生广泛影响（VBM，rfMRI）2.功能改变与临床症状的关系局部功能改变与临床症状相关3.局部功能改变与神经网络的联系功能连接（rfMRI）4.没有解决的问题神经功能网络改变的结构基础（DTI）结构功能改变与疗效评估的关系（多模态模式识别）药物治疗的长期影响（纵向研究）二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响药物治疗短期对精神分62三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响应用结构MRI及rfMRI:首发未治疗精神分裂症患者接受二代抗精神病药物治疗后6W，12M，24M：那些脑区局部结构及脑功能改变局部结构脑功能改变与临床症状的相关性神经网络的改变三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响应用结构MRI及63VOLUME三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响*1106.11121.11087.7108010701120111011001090首发未治疗精神分裂症患者接受二代抗精神病药物治疗后12M，24M：患者2年随访全脑体积变化11300W12M24MStageTBVVOLUME三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响*11641年末三2年末药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响右侧额中回、额下回、颞上回、颞中回，左侧岛叶、双侧内侧额叶、后扣带回、舌回、小脑后叶灰质体积减少1年末三2年末药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响651年末三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响左侧额上回、额下回，右侧中央前回，双侧丘脑、尾状核灰质体积增加2年末1年末三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响2年末66三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响采用 Rest 软件计算14例患者治疗后6W，12M，24M的改变Regional function:Amplitude of low frequencyfluctuation(ALFF)Bandpass filtering(0.010.08 Hz)Linear-trend removalFast Fourier transform(FFT)Square root transformedDivided by the global mean value三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响采用 Rest 67三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响初步结果：14例患者治疗后6W，12M，24M的ALFF的改变患者前额叶，内额叶，基底节及顶叶局部ALFF值增加三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响初步结果：14例68ALFFALFFALFFALFF三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响0w6w12M24M左侧前额叶背外侧0w6w12M24M内额叶前腹侧（vMPFC）0w6w12M24M左侧尾状核右侧前额叶0w6w12M24M初步结果：14例患者治疗后6W，12M，24M的ALFF的改变ALFFALFFALFFALFF三药物治疗短期对精神分裂症脑69三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响初步结果：14例患者治疗后6W，12M，24M，其额叶，基底节及顶叶功能活动增强，在6w达到高峰，12月及24月时随药物计量降低，ALFF值也降低。与临床症状及神经网络的关系正在分析中。三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响初步结果：14例70四rfMRI对评估精神分裂症患者脑功能的展望rfMRI可以评估精神分裂症患者的脑功能1.rfMRI可以发现首发未治疗精神分裂症患者的脑功能改变，前额叶及颞叶的改变与疾病密切相关2.ALFF的的改变与药物治疗相关，能反应患者临床症状的改变3.局部功能改变与神经网络的改变相关，可能与药物的副作用相关4.rfMRI与结构MRI的结合可能为精神分裂症患者的诊断和评估提供客观的指标（多模态模式识别应用）四rfMRI对评估精神分裂症患者脑功能的展望rfMRI可以71分子遗传学影像医学临床医学磁共振物理学交叉平台建立多学科交叉的医学磁共振研究平台疾病的生物表型与病因学机制研究促进预防及诊治小结分子遗传学影像医学临床医学磁共振物理学交叉建立多学科交叉的医72神经疾病的病理机制研究癫痫，AD等精神疾病的结构功能成像分裂症、抑郁症等分子影像的应用肿瘤及心血管分子影像等图像处理软件的开发医学影像后处理软件的开发等腹部疾病多模态成像肝肾功能成像等磁共振成像序列的开发磷成像等交叉研究平台我们的研究方向小结神经疾病的病理机制研究精神疾病的结构功能成像分子影像的应73ISMRM 2008 YIAFinalistLui et al.,JMRI,2008抑郁症局部脑功能状态的研究Lui et al.,Radiology 2009多模MR技术对精神分裂症研究Lui et al.,AJP 2009癫痫局部脑功能状态的研究Liu et al.,Epilepsia 2009小结ISMRM 2008 YIA抑郁症局部脑功多模MR技术对癫痫74欢迎到华西临床磁共振中心！欢迎到华西临床磁共振中心！75West China HospitalHMRRCWest China HospitalHMRRC76谢谢！谢谢！77