医学影像与分子影像学

1 2004年9月 医学影像与分子影像学 田 捷 中科院自动化所医学影像研究室 http://www.3dmed.net http://www.mitk.net Email：tian@doctor.com 第十一讲： 基于多模态的医学影像 研究情绪反应机理 主要内容 „ 脑与认知科学 „ 情绪反应机理的研究 „ 情绪处理过程中人类大脑激活的性别 差异 „ 总结 „ 认知脑从而认知人类自身已成为本 世纪最具挑战性和最活跃的科学前 沿，已成为全球性的研究热点。脑 与认知科学是典型的交叉科学。 心理学 神经科学 信息科学 复杂性测度 数学模型 计算模拟 知觉、注意、记忆 决策、思维、意识 脑电、ERP、MEG、 PET、fMRI等成像手段 脑与认知科学是一门交叉科学 国内外研究现状和发展趋势 „ 美国在结束“脑的十年”之后（1989年开始），又开始进行“行 为的十年”； „ 1991年，欧洲推出 “脑的十年”； „ 1996年，日本推出“脑科学时代”计划，总预算高达200亿美 元，其中脑的认知功能及其信息处理是重中之重； „ 多国合作项目“国际人类前沿科学计划”（Human Frontier Science Program）被国际上看作是和美国的战略防御计划、 欧洲的尤里卡计划鼎足而立的三个重要计划，准备投资100亿 美元，而认知科学是“国际人类前沿科学计划”的重点内容； „ 国家九七三基础研究重点攻关项目（脑功能与脑重大疾病的 基础研究，1999年）、中国科学院知识创新工程重大项目 （脑智科学交叉前沿研究，2000年11月启动） „ 2000年10月，由国家自然科学基金委员会政策局会同信息科 学部与生命科学部在北京九华山庄召开了“认知科学及其信息 处理”论坛 主要内容 „ 脑与认知科学 „ 情绪反应机理的研究 „ 情绪处理过程中人类大脑激活的性别 差异 „ 总结 2 人类情绪反应机理研究—简介 „ 人类的认知活动是一种复杂的精神活动，它 包括知觉，记忆，思维等等。而人类的情绪 则是一种更为复杂的高级神经精神活动。了 解其情绪反应机理具有重要的意义，因为情 绪与人类的生活密切相关，快乐的情绪可以 提高人们的生活质量，而悲伤或者其他负面 的情绪则对人的生活产生很大的消极影响。 人类情绪反应机理研究—简介 „ 人类的几种基本情感包括：快乐、愤怒、 恐惧、悲伤以及厌恶。最终理解人类的情 感必须包括能够了解其神经基础以及对认 知影响的机制； „ 情感对于人类的高级认知功能起到了很重 要的作用，尤其是对于注意力、意愿、决 策以及计划。 成像方法 采用fMRI、EEG/MEG多种成像手段 fMRI & EEG/MEG成像特点 „ 无创伤 „ 能够很好的弥补fMRI时间分辨率以及 EEG/MEG空间分辨率的不足 „ 能够描绘人类大脑情感处理的通路 情绪的定义 情绪 一种瞬间的状态，有以下几个特征： „ 生理上的激励 „ 明显的行为—表情、声音、姿态 „ 认知过程—感觉、记忆、思考 在情绪激励过程中的自发反应 „ 心率发生变化 „ 血压发生变化 „ 呼吸频率发生变化 „ 体温发生变化 „ 皮肤电发生变化 „ 释放神经激素 3 与情绪相关的脑区 „ 边缘系统（Limbic Systems） „ 杏仁核（Amygdala） „ 海马（Hippocampus） „ 视丘下部（Hypothalamus） „ 前脑内侧束（Medial forebrain bundle） „ 皮层（Cortex） Many ideas come from studies of brain- damaged individuals 边缘系统 „ 边缘系统 是一组大 脑结构， 广泛的参 与到了各 种情绪活 动 边缘系统（Limbic System） „ 杏仁核（Amygdala）-恐惧（fear） 情绪能够明显激活杏仁核；杏仁核 的损伤能够导致情绪变化；杏仁核 的损伤也能够影响情绪的理解；杏 仁核能够接收所有从感觉神经器官 传输而来的信息，是情感过程的中 继器 边缘系统（Limbic System） „ 海马（Hippocampus） „ 视丘下部（Hypothalamus）–调节与 许多情绪状态相关的自发反应（例如 心率、脸红、应激激素的释放等）.视 丘下部与杏仁核有许多连接同路 （connective pathway）。 „ 前脑内侧束（Medial forebrain bundle）-与高兴（pleasure）相关。 边缘系统（Limbic System） „边缘系统（Limbic System） „皮层（Cortex ） „前额皮层（Prefrontal cortex） „脑岛（Insula） „顶叶皮层（Parietal Cortex） 边缘系统与前额皮层具有广泛的连接度 与情绪相关的脑区 4 „ 为杏仁核提供适时的信息，能够使得 恐惧感觉的消失。 „ 对奖惩进行评价，根据环境调整行为 „ 如果OFC损坏，能够产生不适应社会 的症状 前额皮层->前额脑区底部 （Orbitofrontal cortex，OFC） „ 积极、愉快的情绪在其左侧激活较明显。 积极情绪的表达由其左侧脑区控制。 „ 不愉快的状态、情绪在其右侧激活较明 显，消极情绪的表达由其右侧脑区控制。 „ 右侧脑区损坏也许能够产生病态的笑声 „ 左侧脑区的损坏也许能够产生病态的哭声 前额皮层背外测区域 （Dorsolateral region of the prefrontal cortex） „ 左侧人脸的情绪表达要强于右侧人脸的情绪 表达； „ 右侧半球更加擅长控制情绪的表达； „ 右侧半球更加擅长于解释人脸的表情情绪； „ 左侧半球更加擅长于积极情绪的处理； „ 右侧半球更加擅长于消极情绪的处理，同时 包括积极情绪表达的整合和控制。 前额皮层活动以及情绪活动的不对称性 皮层->脑岛 „ 在 Sylvian fissure下的皮层区域 „ 与积极情绪的处理过程相关 „ PET scans show that it lights up when eating chocolate and foods that are “craved” 皮层-> 顶叶皮层（Parietal cortex） „ 对于情绪的non-verbal表达的处理，特别是 右侧顶叶皮层 „ 带有情绪的语音语调 „ 非言语语音 –尖叫、大笑、哭 „ 具有情绪的表情（Emotional faces） „ 视觉场景的情绪内容（Emotional content of visual scenes） 主要内容 „ 脑与认知科学 „ 情绪反应机理的研究 „ 情绪处理过程中人类大脑激活的性别 差异 „ 总结 5 情绪处理过程中人类大脑激活的 性别差异研究 „ 第一阶段实验（2003.03-2004.02） „ 第二阶段实验（2004.02-现在） 第一阶段实验 „ 实验目的 „ 实验设备及受试者 „ 实验 „ 实验结果 „ 结论及局限性 第一阶段实验－>实验目的 „ 验证在内、外源刺激下，杏仁核激活 的性别差异 第一阶段实验－>实验设备及受试者 „ 17位健康受试者（8位 男性、9位女性，平均 年龄27.8岁（ SD ＝ 9.68），受教育年限 11.13±2.35年），全 部为右利手。受试者本 人没有精神病史，近期 没有接受相关的治疗， 三代直系亲属均无精神 病史。 underwent MR scanner (Siemens 3.0T Trio ) 刺激源 „ 外部刺激源选自国际图片集－Ekman and Friesen 的图片集 „ 内源刺激采用内源性的回忆任务对受试人员进行情绪的 引导 第一阶段实验->实验设计 Lead-in Rest Lead-out 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:30 7:30 8:30 10:30 11:30 12:00 Sad faces display Neutral faces display Sad event recall Neutral event recall 6 第一阶段实验－>实验结果(1) 男性 外源刺激 女性 男性 女性 内源刺激 第一阶段实验－>实验结果(2) 第一阶段实验->结论 „ 在外部的刺激下，相 对于女性来说，男性 杏仁核激活更加明 显； „ 在内源刺激下，相对 于男性来说，女性杏 仁核激活更加明显 第一阶段实验->局限性 „ 只是考虑了杏仁核的区域，并没有考虑全 脑的结构； „ 实验设计以及实验设备（数据的融 合）； „ 外源刺激的选择 „ 第一阶段实验（2003.04-2004.02） „ 第二阶段实验（2004.02-至今） 情绪处理过程中人类大脑激活的 性别差异研究 第二阶段实验 „ 实验目的 „ 实验设备 „ 实验设计 7 第二阶段实验->实验目的 „ 从空间和时间的角度考虑人类大脑在 情感认知过程中的性别差异 第二阶段实验->实验设备 „ fMRI: Siemens 3.0 Tesla Trio Scanner „ EEG: Electrical Geodesics Inc. 的EGI 第二阶段实验->实验设计 刺激源采用International Affective Picture System (IAPS), Event-Related Design „ fMRI: 刺激呈现时间：1000ms jitter：6－9s（0.5s为步长） 一共48×3＝144 trial „ EEG: 刺激呈现时间：1000ms jitter：2.5-4.5s（0.5s为步长） 一共72×3＝216 trial 第二阶段实验->部分实验结果（1） P<0.005时，男性在positive vs. neutral条件下的激活图 P<0.005时，女性在positive vs. neutral条件下的激活图 第二阶段实验->部分实验结果（2） P<0.005时，男性在negative vs. neutral条件下的激活图 P<0.005时，女性在negative vs. neutral条件下的激活图 实验室的初步研究成果在北美放射年会上引起了与会专家的关注 8 杏仁核示意图