红外神经刺激诱导全脑功能磁共振高分辨率成像方法技术

本发明专利技术公开了一种红外神经刺激诱导全脑功能磁共振高分辨率成像方法。实验对象置于磁共振仪，光纤固定接脑皮层，红外激光刺激通过光纤传导到脑皮层进行刺激，进行红外激光刺激并同时利用磁共振仪进行功能磁共振扫描实现成像获得图像数据；分析处理获得刺激皮层部位的脑神经激活网络图谱；刺激条件为：激光波长1875nm，激光辐射能量0.1‑1.0J/cm2，每个刺激由单脉冲时长为0.25毫秒、频率为200赫兹、总持续时长为0.5s‑1s的脉冲序列组成。本发明专利技术将INS系统结合功能磁共振成像系统可以在全脑范围实现神经网络连接成像，通过对皮层特定局灶部位的INS，得到与此部位有功能联系的脑网络图谱。

High Resolution Imaging of Infrared Nerve Stimulation Induced Whole Brain Functional Magnetic Resonance

The invention discloses a high resolution imaging method of infrared nerve stimulation induced whole brain functional magnetic resonance. The experimental subjects were placed in a magnetic resonance instrument, and the optical fibers were fixed to the cerebral cortex. Infrared laser stimulation was transmitted through the optical fibers to stimulate the cerebral cortex, and infrared laser stimulation was carried out. At the same time, functional magnetic resonance scanning was carried out by the magnetic resonance instrument to obtain image data. The brain nerve activation network Atlas of the stimulating cortex was obtained by analysis and processing. The stimulation conditions were as follows: laser wavelength 1875 nm, laser. The radiation energy is 0.1_1.0J/cm2, and each stimulus consists of a pulse sequence with a duration of 0.25 milliseconds, a frequency of 200 hertz and a total duration of 0.5 s_1 s. The invention combines the INS system with the functional magnetic resonance imaging system to realize the neural network connection imaging in the whole brain range, and obtains the brain network atlas connected with the specific focal area of the cortex through the INS.

【技术实现步骤摘要】
红外神经刺激诱导全脑功能磁共振高分辨率成像方法
本专利技术涉及一种刺激激活脑皮层功能成像的方法，尤其是一种红外神经刺激(INS)诱导全脑功能磁共振高分辨率成像方法。
技术介绍
研究大脑中的连接模式图谱对理解大脑神经网络及其与行为和疾病的关系至关重要。有许多方法可以研究大脑中的脑网络连接图谱。然而，目前还没有一种方法能够在活体全脑范围内快速系统地绘制毫米级分辨率的脑网络连接图。基于1-5毫米大小的示踪剂注射的解剖绘图方法仅限于少量注射部位(通常3-5个示踪剂)，需要2-3周才能进行示踪剂运输，动物处死切片以及耗时的图像重建。在fMRI中，基于大脑中低频相关性的静息态连接网络图谱通常用于研究脑神经网络连接；然而，这些相关性与解剖连接之间的关系仍然不确定。扩散方法成像(DTI)可以实现高空间分辨率，但在全脑范围使用仍仅局限于较大的神经纤维束。fMRI结合光遗传学刺激是一种全新的全脑网络连接成像方法；然而，在诸如灵长类动物的动物中，这需要病毒注射表达数周时间等待，并且仅限于少数位点。而将fMRI与电刺激结合到目前为止还没有在全脑尺度提供高分辨率脑网络图谱。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术给出了一种利用脉冲近红外神经刺激(INS)诱导神经元活动与功能磁共振相结合的全脑功能性神经网络连接成像方法，在功能磁共振(fMRI)中使用红外激光刺激来研究全脑高分辨率的皮层神经网络连接活动。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：采用本专利技术进行活体动物高场磁共振功能成像过程如图1所示，实验对象经过预处理之后置于磁共振仪，进行红外激光刺激并同时利用磁共振仪进行功能磁共振扫描实现成像：设定红外激光刺激的参数，光纤固定连接脑皮层，红外激光刺激(INS)通过光纤传导到脑皮层进行刺激，在红外神经刺激的同时进行磁共振扫描，获得图像数据；对图像数据进行数据分析处理获得固定一刺激皮层部位的脑神经激活网络图谱，进而用于研究全脑高分辨率的脑皮层神经网络连接活动；红外神经刺激采用红外激光发射到实验对象进行刺激，刺激条件为：激光波长1875nm，激光辐射能量0.1-1.0J/cm2，每个刺激由单脉冲时长为0.25毫秒、频率为200赫兹、总持续时长为0.5s-1s的脉冲序列组成；在磁共振的18秒开阶段中的初始进行一次刺激，在磁共振的18秒关阶段休息不进行刺激，以此重复磁共振的开关阶段36秒共10-20次。本专利技术在功能磁共振中使用红外激光刺激来研究脑皮层神经网络，获得了高分辨率和针对性的成像图像。具体实施中的实验对象为大鼠、小鼠、猫和实验用猴以及人，但不限于此。所述的光纤通过颅骨钻孔加固定石英毛细管作为光纤导管固定，使光纤头置于皮层表面。所述光纤具有直径100、200、400um的三种，数值孔径为0.22，光纤出射端距离皮层表面为0mm。所述的红外神经刺激局灶性地刺激脑皮层，脑皮层上产生激活区域为直径100-500um范围。磁共振扫描是采用7T-9.4T磁共振仪的高场核磁共振成像。所述的磁共振扫描是通过功能磁共振单次回波平面成像(EPI)获得EPI功能图像，然后将EPI功能图像依次进行切片定时校正和运动校正，再用三阶多项式函数去除基线偏移和基线恢复，由此完成预处理，接着在Matlab软件工具中分析获取差异显著(激活显著性水平P<0.05)的激活位点，获得脑神经激活网络图谱。本专利技术进一步利用图像数据进行数据分析获得的脑神经激活网络图谱能够表征脑皮层神经网络上红外神经刺激和功能磁共振之间的关系。本专利技术使用局灶性的红外神经刺激(INS)在功能磁共振(fMRI)中进行脑内功能性示踪。激活的靶位点的特异性和焦点性质说明激活部位之间的解剖连接性的真实反映。此外，红外神经刺激(INS)激活产生的神经元间信号可以映射到完全不同的条件下(两个不同的感觉皮层区域，两种不同的物种和两个不同的超高场MRI机器)，表明方法的普适性。与解剖学映射图谱相比，本专利技术所采用INS-fMRI结合方式具有优势，它在体内应用(减少所需动物的数量)，脑神经激活网络图谱在解剖脑部扫描中直接呈现为3D(消除了耗时的重建)，并且快速(可以在1-2小时的fMRI中获得)。高场的功能磁共振(fMRI)的使用为高空间分辨率测绘提供了足够的信噪比，从而实现了活体中尺度的大脑神经网络研究。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用光纤传导的红外神经刺激(INS)的热效应激活皮层神经组织，相对传统的电生理刺激，因为无电磁效应，尤其适合在高场磁共振系统成像，其特征为刺激区域范围局灶性、无电磁效应，通过特定的序列刺激，可以有效的诱导局灶性的皮层神经元兴奋，从而进一步的激活与此皮层局灶部位有功能联系脑区部位的激活。本专利技术激活效应对皮层神经组织是安全的，可重复性高，而且在一定的激光强度范围，神经组织的激活效应与激光强度也是线性相关的。本专利技术采用近红外神经刺激(INS)结合功能磁共振(fMRI)可以在全脑范围实现神经网络连接成像，通过对皮层特定局灶部位的近红外神经刺激(INS)，可以得到与此部位有功能联系的脑网络图谱，再整合不同局灶位点的成像网络，可进一步快速高效得到全脑的神经网络连接图谱。附图说明图1为红外神经刺激结合功能磁共振的成像方法过程图。图2为红外神经刺激结合功能磁共振的成像系统实例图。图3为猫视觉皮层局灶红外神经刺激成像脑网络连接激活图谱。图4为BOLD信号的红外神经刺激强度依赖性关系图。图5为猫脑区激活示踪成像图谱。图6为松鼠猴体感皮层功能示踪成像图谱。图7为INS诱导的血流变化时间曲线及血流变化强度与红外神经刺激强度的相关性图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术具体实施中所采用的成像系统如图2所示，包括主控电脑、激光控制器、磁共振仪和激光器，激光器输出端连接光纤的一端，光纤的另一端零距离接触到脑皮层表面，激光器发出红外激光通过光纤传导到脑皮层进行红外神经刺激。激光器控制端连接激光控制器，激光控制器和主控电脑连接，主控电脑和磁共振仪连接，人体大脑置于磁共振仪下。激光控制器在向激光器发出激光控制信号的同时，也向主控电脑发送同步信号，由主控电脑控制磁共振仪在激光器发出激光同时进行磁共振扫描。采用本专利技术进行活体动物高场磁共振功能成像过程如图1所示，实验动物经过预处理之后置于磁共振仪，在进行红外激光刺激的同时进行功能磁共振扫描，获得图像数据之后进行数据分析处理获得特定刺激皮层部位的脑神经激活网络图谱。本专利技术的实施例1：通过200μm光纤产生红外激光将红外神经刺激(INS)(非破坏性辐射能量：0.1-1.0J/cm2)传送到猫视觉皮层并在7T磁共振仪中获得分辨率为1.0或1.5毫米的图像。结果如图3所示，图3中从上到下的各个子图中的0.1-1.0表示红外神经刺激强度。图3中可见，刺激位点(图3中的星号)对应于脑区域17/18边界附近的视觉皮层位置延伸到脑区域17和18(图3箭头所示)。不同的INS刺激强度激活了与刺激部位有解剖联系的脑区的激活区域随着刺激强度增强而增强的。同时对红外神经刺激(INS)诱导刺激部位的血流动力学血氧饱和水平(BOLD)信号进行检测，如图4所示。图4中，A子图为不同强度红外神经刺激的时间轴的BOLD信号反应(对应图3)，B本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红外神经刺激诱导全脑功能磁共振高分辨率成像方法，其特征在于包括以下步骤：实验对象置于磁共振仪，进行红外激光刺激并同时利用磁共振仪进行功能磁共振扫描实现成像：设定红外激光刺激的参数，光纤固定连接脑皮层，红外激光刺激通过光纤传导到脑皮层进行刺激，在红外神经刺激的同时进行磁共振扫描，获得图像数据；对图像数据进行数据分析处理获得固定刺激皮层部位的脑神经激活网络图谱；红外神经刺激采用红外激光发射到实验对象进行刺激，刺激条件为：激光波长1875nm，激光辐射能量0.1‑1.0J/cm2，每个刺激由单脉冲时长为0.25毫秒、频率为200赫兹、总持续时长为0.5s‑1s的脉冲序列组成；在磁共振的18秒开阶段中进行一次刺激，在磁共振的18秒关阶段休息，以此重复磁共振的开关阶段36秒共10‑20次。

【技术特征摘要】
1.一种红外神经刺激诱导全脑功能磁共振高分辨率成像方法，其特征在于包括以下步骤：实验对象置于磁共振仪，进行红外激光刺激并同时利用磁共振仪进行功能磁共振扫描实现成像：设定红外激光刺激的参数，光纤固定连接脑皮层，红外激光刺激通过光纤传导到脑皮层进行刺激，在红外神经刺激的同时进行磁共振扫描，获得图像数据；对图像数据进行数据分析处理获得固定刺激皮层部位的脑神经激活网络图谱；红外神经刺激采用红外激光发射到实验对象进行刺激，刺激条件为：激光波长1875nm，激光辐射能量0.1-1.0J/cm2，每个刺激由单脉冲时长为0.25毫秒、频率为200赫兹、总持续时长为0.5s-1s的脉冲序列组成；在磁共振的18秒开阶段中进行一次刺激，在磁共振的18秒关阶段休息，以此重复磁共振的开关阶段36秒共10-20次。2.根据权利要求1所述的一种红外神经刺激诱导全脑功能磁共振高分辨率成像方法，其特征在于：所述的光纤通过颅骨钻孔加固定石英毛细管作为光纤导管固定，使光...

【专利技术属性】
技术研发人员：王菁，陈岗，徐国华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33