基于独立成分分析和相关分析的fMRI功能连接方法.pdf

北京师范大学学报(自然科学版) 2008一O2 54 Journal of Beijing Normal University(Natural Science) 44(1) 基于独立成分分析和相关分析的fMRI功能连接方法* 汤 妮 王志群 邬 霞。 李坤成 姚 力 。 (1)北京师范大学信息科学与技术学院，100875，北京；2)首都医科大学宣武医院医学影像学部放射科，100053，北京； 3)北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室，100875，北京) 摘要 利用功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)技术，深入研究和探讨独立成分分析 (independent component analysis，ICA)和相关分析在功能连接方面的应用，并应用于静息状态功能连接，考察在阿尔茨 海默病(Aizheimer’S disease，AD)的病理条件下人脑默认网络(default mode network)的异常，从而加深对AD病理机制 的理解和认识． 关键词 独立成分分析；相关分析；功能磁共振成像；静息状态；功能连接；阿尔茨海默病 人脑需要通过多个脑区的协同工作，对信息进行 其是在没有对比条件的静息状态的功能连接上．ICA 加工、融合来完成其高级功能．脑功能连接口 的概念最 将信号分解成多个相互独立的成分，并认为信号在同 早出现在电生理研究中，它是描述脑区之间协同工作 一 个成分上投影较大的脑区之间存在功能连接，它可 模式的有效手段之一．功能连接度量空间上分离的脑 以分离出各个功能网络所对应的独立成分以及各种与 区时间上的相关性，即脑区间是否存在连接关系以及 心理活动、噪声相关的独立成分，进而得到功能连接网 连接关系的强弱． 络．ICA仅能得到网络的空间分布，却不能度量脑区之 目前，直接度量脑区之间功能连接的方法有时域 间的连接强度，而相关分析得到的各脑区时间序列之 下的相关 (correlation)分析 。]、偏 相关 (partial 间的相关系数正好弥补了这一缺点． correlation)分析、频域下的相干(coherence)分析、偏 1．2 相关分析 相关分析是用相关系数来度量两个 相干(partial coherence)分析等．此外，诸如主成分分 变量之间的线性依赖关系，并判断其密切程度的统计 析、独立成分分析 和等级聚类等多元分析方法也可 方法．换句话讲，相关分析的任务就是对相关关系给以 以用来间接度量功能连接．因为在功能相关的脑区中， 定量的描述．在fMRI功能连接的背景下，相关分析的 BOLD信号的变化是同步的，而且显示出高度的时间 第一步通常是选取感兴趣区域(region of interest， 一 致性，所以，相关系数度量的各脑区时间序列之间的 R0I)，计算ROI的平均时间序列；然后计算该平均时 时间相关性可以用来确定不同脑区在功能上的相互关 间序列与全脑所有体素的时间序列之间的相关系数， 系．相关分析凭借其简单可靠的优势而广泛应用于功 或者两个ROIs的平均时间序列之间的相关系数，该 能连接中，是功能连接分析最常用的方法之一． 相关系数即为两个脑区间功能连接的强度． 在相关分析中，R0I的选取起着至关重要的作 1 理论及方法 用，ROI的位置、大小和形状不同，结果迥异．静息状 1．1 独立成分分析 ICA是一种无需作任何模型假 态下，ROI的选取通常是基于先验的解剖知识或认知 设、完全数据驱动的分析方法，