磁共振研究与技术
Functional MRI Data Analysis

课程性质：本科生专业选修课(三年级)
学时学分：32(2)
授课对象：心理学、心理学师范
授课时间：春季
主要内容：理论讲解+上机实践
课程软件：Statistical Parametric Mapping下载地址  SPM培训课件及网络视频
课程教材：Handbook of Functional MRI Data Analysis剑桥大学出版社，2011年第1版，Russell A. Poldrack等著
                  中文翻译本：《功能磁共振成像数据分析手册》马国林等译豆瓣读书
参考书目：《同步脑电-功能磁共振(EEG-fMRI)原理与技术》科学出版社，2014年第1版，雷旭、尧德中著

(1) 磁共振谱仪系统
(2) 常用的成像模态
(3) 最新进展串讲

  脑科学双雄：Karl们
    Karl Deisseroth
    Karl Friston
  错把妻子当帽子：豆瓣读书
  3D大脑遨游
  Brodmann分区简单明了版
  Brodmann功能交互网页

课后思考题：
阅读Handbook第1章，回答以下问题：
1. 观察Figure1.2，总结血氧动力学响应的主要规律。(15%)
2. fMRI数据分析为什么复杂，主要需要处理哪些问题？(15%)
3. fMRI数据分析主要有哪些工具包，试分析至少3个工具包的主要特点？(20%)
4. 通过pubmed中检索文献，分别绘出2011-2020年采用EEG和fMRI技术的论文(参考Figure1.1)，对比说说哪种技术的潜力更大一些？(50%)

课后任务：
    在自己电脑上完成matlab的安装！

扩展阅读：
    1. Smith, K., 2012. Brain imaging: fMRI 2.0. Nature 484 (7392), 24-26.

(1) 矩阵工作坊
  更多Matlab常用命令：MATLAB 函数列表
  更多基于Matlab的脑科学工具包：
    REST - A convenient toolkit to calculate ReHo, ALFF
    EEGLAB - An open source environment for electrophysiological signal processing
    FieldTrip - Analysis of EEG and MEG in MATLAB
(2) 常用命令和语句
(3) 坐标系和空间变换
    Neurosynth - A platform for large-scale, automated synthesis of functional magnetic resonance imaging (fMRI) data

课后思考题：
阅读Handbook一书的第2章，回答以下问题：
1. 影像学和神经科学领域在呈现图像的左右上，有什么传统？(10%)
2. 仿射变换是基本的线性变换，试列举出仿射变换的主要形式和变换矩阵。(10%)
3. 通过网络搜索，讨论Talairach坐标和MNI坐标的区别和联系。(10%)
4. 选择冠状位的25层，分别画出原图和间隔2，4个点得到的降采样图。(20%)
5. matlab计算机模拟：请制作一张100*100的原图像，中间20*20为1，其余均为0。接着用randn函数制作均值为0，方差分别为0.01，0.1，1的噪声图像。试画出原图像和3张被不同噪声污染的图像（原图像+噪声图像）。对于噪声为0.1的污染图像，你有什么好的办法去提高图像质量吗？(50%)

(1) 实验总体构思
(2) 组块设计
(3) 事件设计
(4) 实验设计软件

课后思考题：
阅读Study design in fMRI: basic principles的2.3-2.5节回答以下问题：
1. fMRI实验设计中的对比方法(comparison)有哪些？他们各自有什么优缺点？(10%)
2. fMRI实验设计中的刺激呈现策略有哪些？他们各自有什么优缺点？(10%)
3. 对于每个条件、一个run和一个session的时长，扫描的层数，时间和空间分辨率都有哪些建议？(10%)
4. 哪些技术能同时提高时空分辨率，jitter是如何实现了，都有哪些形式？如果要对海马成像，最好的图像采集激活是？(10%)
5. Karl Friston在实验设计方面有哪些贡献？(10%)
6. 人脑连接组项目（Human Connectome Project）为美国国立卫生院资助项目，该项目的目的是使用不同的脑成像技术绘制出不同活体人脑的功能和结构图谱。阅读该项目的任务态fMRI设计说明书，简述其第二阶段(phase II)的主要任务有哪些？试通过对其中一个任务的深入了解，分析其主要特点（至少需包括设计类型、实验时长、实验材料、单试次构成等）？ (50%)

扩展阅读：
    1.Amaro, E., Jr., Barker, G.J., 2006. Study design in fMRI: basic principles. Brain Cogn 60 (3), 220-232.

(1) 提取事件开始时间
(2) 广义线性模型
(3) condition与regressor的区别
(4) 模型估计
(5) t检验与F检验

课后思考题：
阅读Handbook一书的第5.1节，回答以下问题：
1. fMRI数据分析中采用的广义线性模型，其自变量和因变量分别是什么？(10%)
2. 对每个体素单独建模的分析方法属于单变量还是多变量数据分析？ (10%)
3. 血氧动力学响应函数(HRF)的特点有哪些？ (10%)
4. 神经响应与BOLD信号是典型的线性时不变系统，试描述该系统的特点(10%)
5. 典型血氧动力学响应函数(HRF)是由几个gamma函数构成？分别模拟了BOLD刺激响应信号的哪些特点？ (10%)
6. 根据课堂上给出的数据，试画出第一次看名人的脑激活区，需包括大脑激活图，设计矩阵图和团簇报告表 (50%)

扩展阅读：
    1.Friston, K. J., Holmes, A. P., Worsley, K. J., Poline, J.-P., Frith, C. D., & Frackowiak, R. S. J. (1995). Statistical parametric maps in functional imaging: A general linear approach. Human Brain Mapping, 2(4), 189-210.

(1) 功能连接
(2) 静息态脑网络
(3) 有效连接
(4) 网络分析与图论

网络分析工具包：
    Brain Connectivity Toolbox - This MATLAB toolbox implements graph theory metrics for use in neuroscience
    Causal Connectivity Toolbox - This toolbox implements 'causal connectivity analysis', based on Granger causality

课后思考题：
阅读文献Enhanced brain small-worldness after sleep deprivation: a compensatory effect  回答以下问题：
1. 小世界网络都有哪些特点？(10%)
2. 本文将大脑描述为网络其节点和边分别是什么，共有多少个节点？ (20%)
3. 构造脑区连接，作者采用了功能连接还是有效连接？ (10%)
4. 心理测量都采用了哪些量表？从结果来看睡眠剥夺后被试在这些测量中都有哪些变化？ (20%)
5. 从图8可以看出，睡眠剥夺后共有5个图论指标都是什么自变量的函数？(10%)
6. 试从预处理、功能连接计算、图论分析这三个步骤简要论述小世界网络的分析过程 (30%)

(1) 激活图的显示
(2) 常用图谱介绍
(3) 激活区域报告
(4) 感兴趣区分析
(5) 论文发表的十条原则

课后思考题：
阅读Handbook一书的第10章，回答以下问题
1. 在呈现单被试和一组被试的激活图时，推荐的底板分别是什么？(10%)
2. 对比于三维显示，皮层表面显示有哪些好处？(10%)
3. SPM采用玻璃脑(glass brain)来显示激活，哪些条件不适合采用这种方式？(10%)
4. 采用Talairach图谱简单易上手，但其缺点有哪些？(15%)
5. 通常一篇神经影像论文给出的激活表包含哪些信息？空间标准化过程的哪些信息需要在论文中描述？(20%)
6. ROI是什么？通常人们采用ROI的目的有哪些？列举至少三种确定ROI的方法(35%)

扩展阅读：
    1. Allen EA, Erhardt EB, Calhoun VD (2012) Data visualization in the neurosciences: overcoming the curse of dimensionality. Neuron 74:603-608.

(1) 研究机构
(2) 重要人物
(3) 期刊和组织
(4) 重大项目