基于描峰聚类的动态脑功能网络状态划分

目的近年来脑功能网络的动态属性分析已经成为脑功能研究的热点,脑功能网络状态划分则是脑功能网络动态属性分析的重要方面,目前国际上广泛采用的脑功能网络状态划分策略是k均值聚类算法,而k均值聚类算法存在两个缺陷。而描峰聚类(density peak clustering)算法能直观展现合理的类别数,从而有效解决k均值聚类中k值难以确定的问题。本文拟基于动态功能连接(dynamic functional connectivity,DFC)的脑功能网络状态划分,为脑功能网络划分探索新的模型。方法基于61位成年人静息态功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance image,rs-f MRI)数据,采用滑动窗口计算方法构建功能连接矩阵。基于多种距离度量使用多维尺度分析算法对其进行有效降维,通过描峰聚类算法进行脑功能网络状态划分,使用脑功能网络划分常用的状态模式图和聚类决策图进行结果的校验。结果基于余弦距离、相关系数以及Spearman等描述相似性的距离度量进行降维,得到的结果生理意义较为明确,且有效功能网络状态数为3～5。另外,脑区之间松散联系的网络状态比其他网络状态更频繁地发生。结论描峰聚类算法足以对个体脑功能连接随时间的动态波动进行状态划分,这可为脑功能网络划分研究提供新的思路。     

脑静息功能连接自发波动的可变性分析

静息脑功能连接的动态性被认为能够反映大尺度功能脑网络的基本性质,近年来受到越来越多的关注。过去很少有研究分析静息脑连接自发波动的空间分布特点。采用远程功能连接度结合滑动窗口方法,分析一组大样本(n=396)年轻成年人脑静息功能连接低频自发波动的可变性。首先采用36 s滑动窗,计算全脑动态连接时间序列;然后在每个窗口内,以半径为14 mm的球形邻域计算每个体素的远程连接度;最后引入低频振荡幅值(ALFF)指标,评估各体素连接度波动的大小。研究结果表明: 默认网络具有最小的波动性(ALFF=402.3±79.9),暗示该网络在稳定脑自发神经活动中起主要作用。与之对比,感觉运动网络相关连接波动呈现出最大的可变性(ALFF=551.2±74.7),可能与被试在无任务状态下不定期感知外界环境有关。首次揭示静息态认知网络与感觉运动网络在静息功能连接波动性方面存在显著差异(双样本t检验: t=-6.38, P<0.000 1),有助于进一步理解无任务状态下脑功能的动态组织方式, 并为研究神经心理疾病提供新的方法。     

阳极经颅直流电刺激对脑卒中患者脑功能网络的影响

经颅直流电刺激(tDCS)在脑卒中治疗中应用潜力巨大,但其作用效应仍不明确。本研究基于脑电图(EEG)和图论分析探讨阳极tDCS干预对脑卒中患者的作用效应。对15例脑卒中患者施加阳极tDCS真刺激和伪刺激,以随机顺序间隔一周进行两次刺激,每次采集刺激前和刺激后静息态EEG信号。对每次采集的EEG信号,采用皮尔逊相关系数等分析方法研究各个导联间的关联性特征参数。基于分析结果,构建患者刺激前、后的脑功能网络,并分析网络特征参数的变化。结果显示,真刺激后脑功能网络的平均度、平均聚类系数、全局效率以及“小世界”属性值较刺激前均显著增大(P<0.05),特征路径长度显著减小(P<0.05),而伪刺激组相关参数变化未见显著差异(P>0.05)。结果表明,阳极tDCS干预对卒中后恢复性治疗具有积极影响,为其临床应用提供了实验依据。     

正常脑老化中静息态功能磁共振成像功能连接的研究进展

【摘要】静息态功能磁共振成像（fMRI）作为一种不需要任务刺激就能呈现功能脑影像的技术手段,在临床上被广泛应 用。基于静息态fMRI的静息态功能连接（RSFC）,作为一种重要的计算机辅助分析法,能够度量不同脑区的脑功能连接 强度,对脑老化相关的神经科学领域的研究具有重要意义。本文介绍了功能连接的基本概念,总结了近年来脑老化相关 的人脑功能连接的研究成果,最后提出了该研究领域存在的问题及未来的研究方向。     

颞叶癫痫致痫侧静息态脑功能网络拓扑的特异性研究

癫痫是世界常见的典型脑内异常神经放电导致中枢认知功能网络失调的神经疾病.作为当今先进技术的静息态功能磁共振成像(rfMRI),其功能连接(fMRI-FC)可为评估脑功能提供科学的检测指标.在此提出参照健康人的癫痫脑功能网络多节点指标融合的特异性模型,提取致痫侧脑功能网络拓扑属性,试图在高阶计算fMRI-FC,以提高其检...     

基于独立成分分析的遗尿症儿童脑功能网络研究

目的:用独立成分分析（ICA）的方法对原发性单症状夜间遗尿症（PMNE）儿童的脑功能网络成分间连接进行研究。方法:采集35例PMNE儿童和25例健康儿童脑功能磁共振图像,通过ICA获得每个被试的脑功能网络成分,然后计算每个被试脑功能网络成分间的功能连接强度,比较PMNE儿童与健康对照组的强度差异。结果:与对照组对比,PMNE患者的右侧执行控制网络与默认模式网络、左侧执行控制网络均存在功能连接异常（FDR, P<0.05）。结论:PMNE儿童存在脑功能网络成分间的连接异常,这可能为理解PMNE儿童的病理机制提供一些新的影像学依据。     

融合脑功能和运动评估的脑卒中康复训练处方推荐模型构建

基于脑卒中患者的运动及脑功能评估指标,构建康复训练处方智能推荐模型。选取120例脑卒中患者,进行Brunnstrom、Holden步行能力分级、Berg平衡量表和改良的Ashworth量表评估;同时采用近红外脑功能成像系统,采集患者静息态的脑血氧数据。提取量表评估结果和脑区激活度、侧偏性、脑区间功能连接等脑功能评估指标特征,利用支持向量机(SVM)、卷积神经网络(CNN)以及结合两者优势改进的CNN-SVM算法,分别建立训练处方推荐模型,对8种训练内容的训练模式进行推荐。结果表明,采用量表评估结果和脑区间功能连接指标作为特征建立的模型识别准确率最高,3种算法的平均识别率均达到93%以上。其中,改进的CNN-SVM算法的识别准确率最高,达到96.43%。利用该方法,能够基于脑卒中患者运动和脑功能评估数据,实现康复训练处方的智能推荐,有利于实现个性化精准康复。     

注意缺陷多动障碍儿童动态功能连接的功能磁共振成像研究

目的:探索注意缺陷多动障碍儿童静态以及动态功能连接的异常。方法:收集智商高于80的6～16岁符合DSM-IV诊断的注意缺陷多动障碍儿童97例(男78例,女19例)和年龄匹配的正常对照儿童74例(男45例,女29例)的静息态功能磁共振成像数据,比较两组全脑静态功能连接和动态功能连接指标。结果:注意缺陷多动障碍组的静态功能连接与正常对照组的差异无统计学意义(P>0.05),注意缺陷多动障碍组腹外侧前额叶与全脑其他脑区功能连接的模式变异性大于正常对照组[(0.65±0.07)%vs.(0.60±0.08)%,P<0.01]。结论:动态分析提示腹外侧前额叶是注意缺陷多动障碍的关键脑区,为理解疾病的脑机制提供可能的新视角。     

动态因果模型在脑网络研究中的应用进展

大脑各功能区之间的有效连接是脑科学研究领域的一个重要内容.研究在不同情形下相关脑区之间有效连接所构成的大脑网络,对于全面理解大脑的功能机制,治疗各种与大脑相关疾病,开发脑功能具有重要意义.动态因果模型是一种分析大脑有效连接的优势方法.结合功能性磁共振成像、脑电、近红外脑功能成像等3种检测技术,综述动态因果模型的相关研究...     

神经元功能网络的度量及性能分析

网络的度量是复杂网络理论在神经元集群信息处理机制解析中的重要研究内容之一。针对神经元功能网络的定量度量问题,系统分析了聚类系数、全局效率、特征路径长度及传递性等度量指标与网络拓扑连接变化的定量描述关系。基于锋电位发放序列构建了神经元功能网络,仿真研究表明,构建的网络可以有效表征神经元之间的连接关系。利用鸽子弓状皮质尾外侧区(NCL)实测数据,研究了神经元功能网络对鸽子运动行为的编码特性。研究表明,NCL区神经元功能网络可以有效编码鸽子的运动行为,而且四种度量指标在鸽子左转、直行和右转等不同行为时具有显著差异。研究结果表明本文的神经元功能网络构建方法可行,对于解析大脑神经信息处理机制具有较高的应用价值。     

基于动态功能连接分析的青少年吸烟者大脑静息态默认模式网络

采集30名青少年吸烟者和相匹配的30名非吸烟者的静息态功能性磁共振成像数据。通过独立成分分析、滑动窗相关法和k-均值聚类分析探讨青少年吸烟者的默认模式网络的动态功能连接变化。同时,使用斯皮尔曼相关分析评估动态功能连接指标（时间分数、平均停留时间和转换次数）与吸烟统计学数据（烟龄、包年和FTND）的关系。结果显示,相比于非吸烟组,青少年吸烟者大脑的默认模式网络的功能连接性降低,进一步的相关性分析表明动态功能连接指标中的平均停留时间与烟龄呈显著性正相关。此项研究从动态功能网络连接的角度分析吸烟对青少年吸烟者默认模式网络的影响,可以为进一步探索青少年吸烟成瘾机制提供新的视角。     

经颅电刺激联合口肌生物反馈训练对中风后吞咽困难患者吞咽功能、吞咽损伤程度、神经营养指标水平的影响

目的:探究经颅电刺激(Transcranial direct current stimulation,tDCS)联合口肌生物反馈训练在中风后吞咽障碍患者治疗中的应用价值.方法:选取2019年5月～2021年2月我院神经科收治的86例中风后吞咽障碍患者作为研究对象,根据就诊序号采用随机数字表法分为对照组和观察组,各43例.对照组采用基础西药治疗联合口肌生物反馈训练,观察组于此基础上采用tDCS治疗.两组均治疗3 m后评估临床效果、对比治疗前及治疗3 m后神经营养指标水平、吞咽功能、吞咽障碍严重程度、神经损伤程度及生活质量.结果:治疗3 m后,观察组总有效率高于对照组,神经营养指标水平、改良曼恩吞咽功能量表(Modified Mann Assessment of Swallowing Ability,MMASA)评分、吞咽障碍的结局与严重度量表(Dysphagia outcome and severity scale,DOSS)评分、吞咽功能生活质量量表(Swallowing quality of life questionnaire,SWAL-QOL)评分均高于对照组,美国国立卫生研究院卒中量表(National institute of health stroke scale,NIHSS)评分低于对照组(P<0.05).结论:对中风后吞咽障碍患者实施tDCS联合口肌生物反馈训练治疗效果确切,能调节神经营养因子水平,减轻神经功能损伤程度,有助于改善吞咽功能,且能提高患者生活质量.     

中风后大脑网络的改变

脑中风是一种常见的多发病,对于中风后的机理,到目前为止还没有完全的定论。本研究的目的是根据复杂网络的拓扑性质来研究中风患者全局脑功能网络和正常人全局脑功能网络的区别。实验中采用3 T磁共振设备采集了7个患者和6个健康人在对指运动下的功能磁共振的数据。利用DPARSF软件对数据进行处理,提取AAL模板对应90个脑区的时间序列。把每个脑区对应为一个节点,然后计算每两个时间序列之间的皮尔逊相关系数,以此构建邻接矩阵并建立网络。计算每个被试网络的全局效率、聚类系数、节点度以及节点介数,然后把患者组和健康组的参数结果平均。实验结果表明中风患者大脑的全局效率(患者组:0.496 7;健康组:0.586 9)、聚类系数(患者组:0.418 9;健康组:0.476 8)以及节点度都低于健康组;患者组节点介数存在为0的节点,而健康组没有介数为0的节点。这可能意味着中风之后患者的脑网络趋于泛化,效率降低,并存在网络断点。     

静息态脑功能网络的小世界属性研究

人脑是一个复杂的网络,不同的功能区域相互作用、相互协调。本文综述了静息态脑功能网络的小世界属性研究方法,首先介绍了基于图论的复杂网络模型的基本概念和特征度量,然后介绍了基于功能磁共振成像数据构建脑功能网络的方法,最后分析了构建的脑功能网络的小世界属性。     

基于信息流增益算法的脑运动功能康复效果评价研究

近年来有学者提出构建主动意愿驱动的脑-机交互式康复训练方法,这将有助于提高中风后康复训练的效果。研究发现,随着训练的累积,患者的在线准确率逐步提高,然而这并不能直接反映患者自身运动功能的恢复情况。借助于在线记录的脑电图(EEG)数据,通过离线分析,寻找中风患者经康复训练后大脑运动功能康复效果的客观评价参数。为此,使用经典想象运动(MI)作为训练范式。在线分类方法采用广泛认可和使用的共空间模式(CSP)结合线性分类器(LDA)的方法,离线分析方法则采用脑功能连接网络信息流增益地形图来评估大脑运动认知功能的改善。3名正常受试参与实验用于验证在线算法,与中风患者的结果进行对照分析。一名中风后上肢功能障碍患者进行了12 d,连续测试,临床量表显示其训练前后的评分分别为9分和21分。与之相应的分析结果不仅表现在准确率的提高上,信息流增益地形图显示随着训练天数的增加,脑信息交互枢纽位置发生明显迁移,逐渐趋近于正常人的模式,具体表现在从训练前的强偏侧性变为了顶叶集中的模式。该结果提示,基于网络计算得到的信息流增益参数或可作为康复效果客观评价的一种新手段。     

经颅直流电刺激干预工作记忆的脑功能网络研究

工作记忆是高级认知功能的重要基础,为探索经颅直流电刺激(tDCS)对工作记忆的影响及具体机制,招募18位被试参加实验,采集被试在伪/阳极/阴极tDCS刺激后三图、四图以及五图记忆负载任务中的行为数据(准确率、反应时长)与脑电信号.首先根据行为数据对工作记忆能力进行评估,再利用不同通道之间脑电信号的相关性,构建各状态下的...     

海洛因成瘾者前额叶内侧皮质的静息状态功能连接

目的:探讨海洛因成瘾者脑默认网络静息状态功能连接的异常。方法:对正在接受美沙酮维持治疗的15例海洛因依赖者和15例健康对照进行静息状态脑功能磁共振扫描,以独立成分分析法获取每一个体的默认网络,并比较两组默认网络的功能连接差异。结果:与健康对照相比,海洛因成瘾者双侧前额叶内侧皮质、左侧颞中回和颞下回、小脑的功能连接升高。结论:前额叶内侧皮质可能是物质成瘾的关键脑区,可为成瘾的生物学诊断和靶向治疗提供线索。     

帕金森病人脑电溯源与脑功能网络特性研究

帕金森病是老年人群中常发的神经退行性疾病,目前仍然缺乏公认的特异生化诊断指标。为了探索帕金森患者和健康受试的脑电差异,对26 名帕金森患者和26 名健康受试者进行闭眼静息态EEG的采集,利用MMSE和MoCA量表对受试者的认知功能进行主观评定,利用UPDRS和H&Y分级对受试者的运动功能进行评估。首先采用标准化低分辨率脑电磁层析成像对两组受试者脑电信号进行了溯源分析,而后采用滞后相位同步方法对脑功能网络进行差异性分析,进而对比分析两组受试者脑功能网络的拓扑特性。溯源分析结果表明,与健康对照组相比,PD组存在差异的脑区是枕叶和顶叶,α2频段楔前叶(BA7)电流密度显著降低;β1频段额叶与枕叶之间脑功能连接降低,患者脑功能网络的平均聚类系数C、全局效率E_g和节点度D比健康对照组显著降低(P<0.01)(患者: C=0.54±0.14,Eg=0.71±0.09,D=26.88±9.88;健康对照组: C=0.75±0.13,Eg=0.83±0.09,D=42.21±11.19),患者组平均特征路径长度L比健康对照组显著升高(患者: L=1.61±0.2;健康对照组: L=1.34±0.19,P< 0.01)。本研究α2频段楔前叶电流密度显著降低以及β1频段脑功能连接效率降低对帕金森病的诊断具有指导意义。     

基于衰减皮尔森相关的癫痫脑网络动态分析方法

目的致痫灶定位是难治性癫痫治疗中的重要环节,本文通过应用癫痫脑网络的动态分析方法,辅助临床进行致痫灶定位及病理研究。方法使用5例难治性癫痫患者发作起始附近(发作前2s到发作后4s)的立体定向脑电(stereo electroencephalograph,SEEG)数据,基于衰减皮尔森相关系数与替代数据检验方法,对脑区间的功能连接进行评估。通过加窗截断实现动态脑网路构建,对癫痫脑网络进行动态分析。结果在发作起始阶段,致痫灶脑区间的正相关连接较强,致痫灶与非致痫灶间正相关连接较少,致痫灶之间与非致痫灶之间网络连接模式具有差异性。结论致痫灶与非致痫灶之间的衰减皮尔森相关网络连接模式具有差异。此方法对临床致痫灶定位有一定辅助作用,也适用于基于其他功能连接参数进行脑网络分析。     

功能磁共振脑连接度中心性对精神分裂症症状的预测评估

精神分裂症是一种严重影响患者身心健康的精神类疾病,绝大部分患者需要终身服药以控制症状,因此药物疗效的评估预测对于患者治疗方法的选择十分重要。采用功能磁共振的脑连接度中心度(DC)指标,分析临床常用抗精神病药物利培酮和氯氮平对大脑功能的影响,并尝试建立预测评估两种药物疗效的方法。基于44例精神分裂症患者(20例利培酮治疗组、24例氯氮平治疗组)和30例健康志愿者的脑静息态功能磁共振成像数据,首先采用方差分析得到患者组与正常组间的差异脑区,然后根据这些脑区的DC值,用多变量支持向量回归算法构建回归模型,探讨用DC值评测患者症状的可行性。结果发现,两个患者组的丘脑、脑岛及初级感知运动相关皮层的功能连接特征存在显著的异常(P< 0.05),且可以有效地预测氯氮平组患者的阴性症状(r=0.448, P<0.05),但未能较好地预测利培酮患者的症状。在统计对比分析的基础上,利用回归模型,标识出抗精神疾病药物作用的部分重要脑区,因而有助于将来患者治疗的药物选择。