八十七年度【功能性核磁共振影像在認知科學研究之應用(I)】

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

八十七年度【功能性核磁共振影像在認知科學研究之應用(I)】

計畫編號:NSC 87-2418-H-002-043

執行期限:1998 年 06 月 01 日至 1999 年 12 月 31 日

主持人:陳志宏 執行機構及單位名稱

一、中文摘要 功能性核磁共振影像(fMRI),不僅由於 解析度比同樣作為腦功能研究的正子放射斷 層掃描(PET)精細,也由於此項技術未來成熟 後,除了在臨床上可協助醫師做更精確的判 斷外,還可作為在生理或心理研究上揭開人 體大腦奧祕的有效工具。因此,國內外相關 的學者紛紛投入此一重要研究主題。過去, 在信號定性分析方法的建立與研究上的成 果,已經為磁振造影術立下了穩固的基礎。 然而當這樣的利器日趨成熟的同時,由 於儀器的昂貴,其使用卻僅限於醫學用途及 工程研究,無法真正提供認知科學及腦部功 能研究者從事基礎研究的探討也由於使用者 寡,其他領域學者,大多無法利用此一利器 從事基礎研究;令人振奮的是,台大電機系 有幸獲得學校及國科會貴儀中心的大力支 持,得以購置一昂貴的 3T fMRI 儀器,藉由 功能性核磁共振影像儀設立之良機,集合其 他具備不同專業知識之研究者,群策群力, 共同為解開大腦心智運作的奧祕及認知科學 研究而努力。 在此我們希望藉由本研究計畫,匯集不同的 知識與不同的研究方法,共同研究功能性影 像的原理、技術、研究方法及其在認知科學 上的應用,建立一套專屬國人的實驗流程、 方法與分析工具及腦部功能性資料庫,藉由 基礎課程的訓練,達到科技整合並激盪出新 研究方向的目的,也為未來從事相關議題研 究的學者,提供一強力的後援,這樣的計畫 不但是國內功能性核磁共振影像研究及認知 科學研究的創舉,也為其他認知科學的研究 領域奠立良好的理論、實驗及分析基礎,更 是將台灣推向世界學術舞台的重要里程。 關鍵詞:功能性核磁共振影像、認知科學 二、Abstr act

In the past two years, we have developed an unsupervised fMRI analysis method and optimal pulse sequences. This will not only give us deeper insight into the underlying physiological mechanisms of fMRI, but also let us make quantitative interpretations of fMRI signals. With the help of these study results, we can further apply fMRI in more fields. By incorporating the experts of electric engineers, statisticians, neuroscientists, linguists,

musicologists, and cognitive psychologists, we hope to obtain more information about the relationship between brain activity and cognitive function. After the project is completed, we hope to set up experimental modularity including experimental paradigms, analysis method as well as a data bank for functional brain image. The foundation stone achieved will become a powerful support for the future research in cognitive psychology, and neuroscience. It will make us important

member in the study of cognitive science of the world.

Keywor ds: fMRI, Cognitive Science 三、緣由與目的

目前「功能性腦造影」主要可分為「功 能性核磁共振影像」( functional Magnetic Resonance Image, fMRI ) 及「功能性正子斷 層影像」( funtional Positron Emission

Tomography, fPET),然功能性正子斷層影像 受到其普遍性及時間(>1min)、空間解析度 (>5mm)及放射線傷害等限制,研究成果一直 無法有效突破;而 1991 年後興起的功能性核 磁共振影像,由於其空間解析度及時間解析 度都較為理想,數年來已成為研究腦部活動 另一項令人寄以厚望的利器。 功能性核磁共振影像信號產生的機

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樞興奮活動時,組織中腦血容積(cerebral blood volume, CBV)與血流(cerebral blood flow, CBF)的增加,帶來新鮮血液造成去氧血 紅素局部濃度減少,使得磁場不均勻度變

小,而增加 T2-Weighted 核磁共振信號所致,

因而此一理論便被稱為 BOLD (Blood

Oxygenation Level Dependent contrast);其他 類似血液流入流出之效果,亦共同被拿來解 釋此一現象。 至於 PET 或 SPECT 等核醫影像,利用 放射線同位素與身體內代謝物質相結合的方 式,使我們能觀測到諸如氧氣消耗、血糖代 謝…等直接的生理活動變化,而且藉由統計 放射線同位素累積的數量,可以直接得到生 理活動參數的變化,因此它已成為醫院中研 究大腦功能性活動以及臨床診斷大腦功能障 礙時不可或缺的工具。然而,由於放射線同 位素的取得以及其時間、空間解析度、輻射 傷害的問題等產生之限制,使得核醫影像在 基礎醫學或心理學等的研究上一直無法做很 好的發揮;相較於 PET,fMRI 卻沒有輻射傷 害的困擾,這也是本計畫以 fMRI 為主,PET 為輔的主要原因。

「功能性腦造影」( Functional Brain Imaging) 在國內實屬剛萌芽階段,推廣及認識並不普 及,本研究計畫便是希望集合其他具備不同 專業知識之研究者,先推廣功能性磁振造影 之應用、技術等,再請其他領域學者就其專 長分別交流、整合,群策群力,為大腦心智 運作的奧祕探索及認知科學之研究而努力。 然而這項利器的使用,卻由於設備的昂 貴,往往侷限於醫學用途,無法真正提供認 知科學及腦部功能研究者從事基礎研究的探 討,也由於使用者寡,其他領域學者,大多 無法利用此一利器從事基礎研究;有鑑於 此,台大電機系於八十六年度申請一部專為 研究設計之功能性核磁共振儀,獲得學校及 國科會貴重儀器中心大力支持,此舉為國內 的認知科學、腦部心智研究及腦部功能性探 討注入一劑強而有力之催化劑,也藉由功能 性核磁共振影像儀設立之良機,集合其他具 備不同專業知識之研究者,群策群力,共同 為解開大腦心智運作的奧祕及認知科學研究 而努力。在此我們希望藉由本研究計畫,匯 集不同的知識與不同的研究方法,共同研究 功能性影像的原理、技術、研究方法及其在 認知科學上的應用,並建立一套專用的實驗 模組,並藉此機會共同探討有關人類的知覺 研究、記憶研究、語言認知研究,到人類辦 視物體的特徵擷取(Feature extraction)、圖像 辦識(Pattern Recognition)等等「意識狀態」和 「大腦狀態」間的關係,更希望進一步打開 腦部運動、思考、記憶等心智運作的奧祕。 四、結果與討論 1. 實施方法 本研究計畫為三年長程研究計畫,主要 目的在於推廣腦部功能性影像之原理、技術 及應用,結合其他不同領域學者實驗方法及 原理,共同探討大腦心智變化的奧祕,並藉 以探討腦部功能狀態、心理認知科學及意識 狀態等的關連,藉由眾人在不同領域的特 長,群策群力,透過一系列的講習訓練課程 及討論會,共同激盪新的研究方式與領域, 為國內剛萌芽的腦部功能性影像及認知心理 神經學奠定一深厚的基礎。 本研究計畫第一年將以基礎訓練為主, 著重於不同領域學門間的交流,透過神經科 學、心理學、語言學、音樂學及功能性影像 學等不同領域學者間的彼此交流,以講習 會、論文研討及實際儀器操作訓練等方式, 作基礎原理探討的耕耘紮根工作。 第二年則偏向實驗設計、研究方式及分 析方法的建立,以討論會及發表會的方式, 逐步將研究的方向、方式、分析方法及限制 等一一釐清,並以現有的分析方法為基礎, 開發出新的分析模組。 第三年 則著重 於研究 成果之 分析及 探 討,並發展激盪出新的研究方向,藉討論會 及成果發表會的方式分享不同的研究成果, 並建立其間的關連性,也藉此檢討實驗模組 建立的方式及分析、實驗過程,並開發出新 的實驗模組,供未來研究之用。 現謹就第一年度執行方式作一詳細的描 述: 基礎訓練為主,著重於不同領域學門間的交

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流及分析工具的建立。 1.)講習會:每二星期一次,先就 fMRI 原 理、技術、應用及實驗方法等作詳細 的介紹,以使不同領域的學者,得以 清楚思索 fMRI 在其研究領域的應 用。再就各不同領域認知科學學門相 關議題共同討論,介紹不同學門所需 及期望突破的瓶頸。(附錄一) 2.)討論會:每個月一次,就現有論文討論 其實驗設計、分析方式及所遭遇的限 制等等,藉由討論會的方式將未來實 驗所可能遭遇的問題一一克服。(附 錄一) 3.)訓練課程:fMRI 原理、操作、磁振線 圈製作等,以假體實驗了解研究所需 及必須注意之處,配合 fPET 的實驗結 果比較,以現有的分析工具分析處 理,訓練不同研究領域學者實際參與 儀器操作與資料分析。目前已完成三 組 fMRI 使用之頭部表面線圈,供使用 者進行 fMRI Study(1,2) 4.)分析工具製作:由於 fMRI 所得資料為 腦部血流變化所致,不同的實驗設 計、刺激模組加上正常生理、心理運 作所致的訊號變化,使得研究資料的 分析顯得格外重要,目前所擁有的分 析工具,僅是為單一刺激所設計,未 來面對其他研究領域資料及不同實驗 模組設計,必須再增強分析工具的製 作及實驗模組間的配合。目前已完成 以神經網路為主之自動分析工具,發 表於 IEEE 論文(3)並安裝於其他 fMRI Site 供研究者使用, 5.)設計基礎實驗:設計基礎實驗模組,於 實際實驗中學習整個實驗流程與應 用,並形成「基本研究模式」如應用 「削減孤立法」或「交集認定法」等 研究方式。 2. 具體完成之工作項目 1.1 收集最新有關功能性核磁共振影像的 相關資料,探討其機制、成因、實驗 過程、內容分析方法及應用等相關資 料,編排成合適教材作為講習會課程 之用。 1.2 收集認知科學有關講義,配合 fMRI 的使用,達到交流的目的。 1.3 設立與維護 3T fMRI 系統。 1.4 fMRI 實驗操作課程訓練,並製作教學 錄影帶 1.5 fMRI 線圈製作訓練。 1.6 相關領域論文討論 1.7 建立電腦分析環境,整合已完成的分析 方法。 1.8 教導分析工具使用。 1.9 設立視覺刺激系統。 1.10 舉辦國際研討會(附錄二) 在國科會人文處之推動下,本實驗室 亦於 12 月 1-2 日於本校思亮館舉行研 討會,邀請國外著名之教授 5 名針對 認知科學之應用及相關議題進行演 講、會議及實驗室之參觀【附錄:研 討會大綱】,對國內認知科學有相當 大之助益。 1.11 基礎實驗設計。 1.12 數據分析,比較各種分析方法結果。 1.13 整合不同領域學門,並作合作模式探 討。 1.14 撰寫報告 3. 貢獻 功能性核磁共振影像,到現在仍是一 個剛起步、方興未艾的領域,尤其在認 知科學上的應用,在世界其他國家更是 處於剛萌芽的階段,透過此計畫適將不 同專長學者集合於一堂,共同討論並設 計一系列實驗的模組並藉此機會激盪出 新的研究議題,誠屬難得的機會,也為 認知科學基礎研究紮下一深厚的基礎。 第一年的計畫中我們以基礎訓練為 主,著重於不同領域學門間的交流,以 講習會、論文研討及實際儀器操作訓練 等方式,作基礎原理探討的耕耘紮根工 作,也為國內基礎整合研究及認知科學

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研究奠定深厚之基礎。 目前進行第二年的計畫中我們偏向 實驗設計、研 究方式 及分析 方法的 建 立,以討論會及發表會的方式,逐步將 研究的方向、方式、分析方法及限制等 一一釐清,並 以現有 的分析 方法為 基 礎,開發出新的分析模組:這些工作, 為其他 領域學 者開拓 一條新 的研究 道 路,也為合作研究設立良好典範更為認 知科學設計出一套專屬的實驗方式,實 振奮基礎研究學者從事基礎研究工作之 熱誠;並發展激盪出新的研究方向,藉 討論會及成果發表會的方式分享不同的 研究成果,並建立其間的關連性,也藉 此檢討實驗模組建立的方式及分析、實 驗過程,並開發出新的實驗模組,供未 來研究之用。透過一系列的教育、講習、 討論、實驗法、分析訓練及儀器操作, 將成果展現出來,也為激盪出新的研究 方向,更設立一系列的實驗模組,以供 未來學者參考,並經由資料庫的建立, 建立一屬於國人專有的意識狀態及腦部 功能性影像,為其他學者研究奠定一強 大的後援。 4. 人員獲得之訓練 由前面所說的研究方法及工作項目可 以看出,在整個計畫過程中,參與人員從最 基礎的原理、技術、應用、交流、整合等過 程,學習了其他學門的專長,以補其本身的 不足,也同時擴展了研究的視野,並學習了 新的分析方式,除了熟悉各種統計方法來進 行影像與信號分析外,在實驗方面,從功能 性核磁共振的理論、PET 信號、生理訊號的 獲得、認知科學實驗結果的比較等各個環節 中參數的意義,到進一步對大腦血流量與神 經電氣活動相關性的了解,以致於腦部心智 活動的機制等等都可獲得充分的認識。不僅 為未來國內醫學影像與大腦功能研究的領域 提供了基礎實驗人才的訓練,更對資源的整 合起了示範性的作用。 經由特殊實驗模組的設計,從原理、技 術、方法、限制及分析工具等,建立了一套 專屬於國人實驗設計的模組,為將來實驗設 計提供了一良好的典範,並透過資料庫的建 立,完成了一專屬國人的資料蒐集,為其他 領域學者提供了一強大的後盾,也為參與實 驗學者提供了一良好完整的實驗設計、分析 及資料整理的訓練。 在認知科學應用上,由於有了對大腦功 能更完整的研究,將直接促進並解答相關領 域常久以來作之假設、模型與理論,不僅對 學者在心理、生理基礎研究上,甚至其他醫 學領域的研究上,都將有十分巨大之助益。 五、參考文獻

1. Fa-Hsuan Lin, Shyh-Kang Jeng, Wei-Peng Kuan and Jyh-Horng Chen,

“Quantitative Analysis of Magnetic Resonance radio-frequency Coils based on Method of Moment”, IEEE Trans. Magn., Vol.35, No.3, pp.2118-2127, May, 1999

2. Fa-Hsuan Lin, Wei-Peng Kuan, Shyh-Kang Jeng and Jyh-Horng Chen,

"Quantitative Spectral / Spatial Analysis of Phased Array Coils in Magnetic Resonance Imaging Based on Method of Moment", IEEE Trans. Med. Imaging, Volume: 18, No. 12 , December 1999 , Page(s): 1129 –1137

3. Kai-Hisiang Chuang, Ming-Jang Chiu, Chung-Chih Lin and Jyh-Horng Chen, “Model-free Functional MRI Analysis Using Kohonen Clustering Neural Networks and Fuzzy-C menas”,IEEE Trans. Med. Imaging, Vol. 18, No. 12 , Dec. 1999, pp. 1117 -1128

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88 年度核磁共振影像在認知科學研究之應用(I)

講演 / 座談*系列

1/30 功能性核磁共振影像之原理與應用 高雄榮總/吳銘庭醫師 3/6 MRI物理原理: 台大電機系/陳志宏教授 3/20 MRI成像原理: 台大電機系/鍾孝文教授 4/3 MRI儀器系統介紹: 台大電機系/陳志宏教授 4/17 NMR Experiments 陽明放射所/官偉鵬教授 5/1 MR Imaging Principles 陽明放射所/高怡宣教授 5/15 MRI 快速成像原理 中興電機系/廖俊睿教授 7/3 MRI 成像原理 台大電機系/陳志宏教授 7/9 漫談主動噪音控制在 f MRI 上之應用 工研院電通所/陳坤松博士 7/17 MRI 系統介紹 台大電機系/陳志宏教授 7/23 f MRI 及其使用方法 台大電機系/莊凱翔 8/21 MRI 之應用(1) 台大電機系/陳志宏教授 9/3 MRI 在心臟上之應用 台大醫學院放射線部教授/曾文毅博士 9/11 磁振造影影像下的中樞神經系統:從大腦的生老病死談起 三總放射科 陳震宇主任 10/2 An Integrated Physiological Data Acquisition and Control System for

fMRI Study in Rats 中研院 生醫所 徐百川 副研究員

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-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 1 21 41 61 81 101 scan number signal change (%)

時間:12 月 1 日 / 12 月 2 日

地點:國立台灣大學 思亮館 國際會議廳

n 會議主旨:本會議旨在介紹功能性影像(fMRI)之原理、應用及實際操作時需克服之問題,藉由討 論及實際操作之過程,讓國內之心理學者及相關醫師進行大腦功能之研究。演講主題包括:fMRI 之 Review、視覺及語言認知、針灸之大腦研究等相關議題。 n 主講教授:

Dr . Gar y H. Glover , Stanford University

Dr . Zang-Hee Cho , University of California, Irvine

Dr . Kenneth Kwong , Harvard University

Dr . J anine D Mendola , Harvard University

Dr . Michael Chee , Singapore General Hospital

n 內容及講題: 12 月 1、2 日:主題演講及 Panel Discussion n 本次會議已獲中華放射線學會放射線專科醫師教育積分,二天共計累積點數 10 分 n 報名方式及費用: 報名費:一千元整,大學教授伍佰元整、學生貳佰伍拾 元整。 報名方式:請將報名費以匯票方式寄至 國立台灣大學 電機系 304 室 黃小姐 (匯票抬頭:國立台灣大學) n 主辦單位:台灣大學核磁共振影像光譜實驗室 協辦單位:國科會、國立台灣大學 洽詢專線:(02)2363-5251 轉 304 黃小姐

國際功能性

核磁共振影像研討會

(附錄二)

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International fMRI Conference Program

WEDNESDAY DECEMBER 1, 1999

12/1

8:10 ~ 8:40

Registr ation

8:40 ~ 9:00

Welcome Remar ks

Chair : 梁庚辰博士 , 陳志宏博士

9:00 ~ 10:20

Basic Functional MRI(I)

Gary Glover

Break

10:40 ~ 12:00

Michael Chee

Designing and Implementing

fMRI Experiments

Lunch

Chair : 黃國茂醫師 , 胡志偉博士

1:00 ~ 2:20

Kenneth Kwong

Recent Developments in fMRI

and ph MRI

2:20 ~ 3:40

Michael Chee

What Functional Neuroimaging Has Taught Us About the

Bilingual Brain

Break

4:00 ~ 4:50

Panel: How to Design And Implement A Successful

Functional MRI Study

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International fMRI Conference Program

WEDNESDAY DECEMBER 2, 1999

12/2

8:10 ~ 8:50

Robert Liao

The MRI Stimulation System and Multi-Model

Neuroimaging

Chair : 黃榮村博士 , 葉子成醫師

9:00 ~ 10:20

Gary Glover

Basic Functional MRI(II)

Technical Aspects of fMRI

Break

10:40 ~ 12:00

Janine Mendola

Mapping Human Visual Cortex with fMRI :

Beyond Retinotopy

Lunch

Chair : 林昭庚醫師

, 朱唯勤博士

1:00 ~ 2:20

Z. H. Cho

Correlation Between Cortical Activation and Acupuncture

Stimulation by fMRI – Its Implications and Prospects

2:20 ~ 3:00

Ming-Ting Wu, Hui-Cheng Cheng

Tzu-Chen Yeh

Acupuncture Studies Using fMRI

Break

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數據

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參考文獻