经颅磁刺激的多尺度建模仿真研究

经颅磁刺激是一种无创无痛的电磁刺激手段，被广泛应用于神经调控，在临床上对多种精神疾病和神经类疾病有明显的治疗效果。本文从电磁场建模仿真，细胞跨膜电位建模仿真，以及神经元响应建模仿真3个方面对经颅磁刺激多尺度建模仿真研究进行了详细的综述，并提出现阶段存在的问题以及对未来的展望。经颅磁刺激的多尺度建模仿真对磁刺激仪的设计开发具有指导意义，对磁刺激的导航系统提供重要的理论基础，有助于我们更好的理解电磁刺激的神经调控机制。     

基于CNN算法的稳态体感诱发电位的特征识别

脑-机接口研究可为瘫痪病人的康复带来一种新的治疗方法。已有研究表明对手指或者正中神经施加一定频率的体感刺激,会引发相同频率且具有空间特异性的稳态体感诱发电位。为优化基于稳态体感诱发电位的脑-机接口的性能,通过快速傅里叶变换寻找12个健康被试的个人左手特定共振频率,采用事件相关谱扰动进行时频分析,检测其稳态体感诱发电位信号。基于共振频率对实验诱发的脑电信号进行1 Hz带通滤波,获得特定频带的数据,采用卷积神经网络(CNN)学习算法对其进行分类,并与采用共空间模式和支持向量机的特征提取及特征分类的方法(CSP+SVM)进行比较。所有被试的结果显示:基于共振频率滤波方法,采用CNN学习算法获得的离线分类准确率均高于85%,并且CNN学习算法的分类准确率显著性优于CSP+SVM的分类准确率(91.8%±5.9% vs 77.4%±8.5%,P<0.05)。因此,在基于稳态体感诱发电位的脑机接口的特征识别中,CNN学习算法相比传统使用的机器学习分类算法(如共空间模式+支持向量机)能够显著提升分类准确率,提高脑机接口的整体性能。     

永磁体磁共振电特性成像方法研究

磁共振电特性成像,是利用磁共振原始数据对被测生物组织的电特性进行重建的一种成像方法。利用有限元仿真软件,建立0.4 T主磁场下的射频线圈模型,测量仿真中射频场的分布情况。通过射频场空载和负载下射频场的均匀性,证明电特性的不同影响射频场的分布。用0.4 T永磁体磁共振设备对仿体和人体头部进行实验,并根据仿真数据和实验数据对电特性进行重建。结果表明,低场磁共振电特性在有无负载下,感兴趣区域的磁通密度均匀性相差将近4倍,磁通密度模值明显增加,这为磁共振电特性低场下发展提供一定的参考。     

基于突触可塑性的小世界神经网络的动态特性研究

人工神经网络具有大规模的信息处理和存储能力、良好的自适应性以及很强的学习功能、联想功能和容错功能。动态特性的研究一直是人工神经网络理论研究的重点,主要原因在于人工神经网络的应用都与网络的动态特性有关。目前,神经网络的研究主要是基于层级网络,其拓扑不能模拟真实生物神经网络。小世界网络作为大量真实复杂系统的高度抽象,具有生物神经网络特性。本研究首先构建了小世界网络并基于复杂网路理论选择出适合于小世界网络的最佳参数,进而基于突触可塑性调节机制和小世界网络拓扑构建了小世界神经网络,并从放电特性、突触权重动态特性和复杂网络特性三个方面分析了小世界神经网络的动态特性。实验结果表明:随着时间的增加,小世界神经网络的兴奋性与抑制性神经元放电模式没有改变且神经元的放电时间趋于同步;小世界神经网络中各神经元间的突触权重急剧减小最终趋于稳定;网络的连接减弱且信息传递效率降低,但小世界属性较为稳定。小世界神经网络的动态特性随时间而变化且相互影响:网络的放电同步特性可影响突触权重趋于最小值分布,进而突触权重的动态变化也可影响复杂网络特性。     

重复经颅磁刺激治疗认知功能障碍的临床应用进展

神经退行性疾病和中枢神经受损常常导致认知功能障碍。认知功能障碍的传统疗法以药物治疗为主,该疗法具有一定疗效,但副作用大,效果不够理想。重复经颅磁刺激是一种无创的磁刺激技术,通过改变神经元的兴奋性,调节大脑皮质各区域的功能,较安全。临床上常应用重复经颅磁刺激技术改善神经退行性疾病、中枢神经系统损伤等导致的认知功能障碍,该技术作用机理尚不明确,作用效果存在争议。本综述旨在阐述重复经颅磁刺激对由不同类型疾病引起的认知功能障碍的临床作用,包括神经退行性疾病、中枢神经系统损伤等,以期为重复经颅磁刺激的临床应用提供借鉴。     

基于theta-gamma相位幅值耦合的脑疲劳信息传递整合机制研究

脑疲劳是长期脑力活动产生主观疲劳的状态,是影响脑力工作者健康的核心问题,但其对大脑信息传递整合过程的影响至今尚不清楚。因此本文采用相位–幅值耦合(PAC)方法对脑疲劳前后theta节律和gamma节律的脑电进行研究,以更好地解释脑疲劳对大脑信息传递机制的影响。实验采用4小时专业科技英语阅读诱发脑疲劳,利用脑电仪记录了14名男性在校本科生志愿者在脑疲劳前后的脑电信号。使用相位–幅值耦合方法进行分析,并对结果进行了t检验。结果显示,全脑区域90%以上电极的theta相位共同调制右侧中央区和右侧顶叶区电极的gamma幅值,并且这种耦合作用在脑疲劳后显著下降(P0.05)。本研究表明theta-gamma之间的相位–幅值耦合变化能更好地解释脑疲劳对大脑信息传递整合机制的影响,有望成为一种新的脑疲劳检测指标,同时也为神经调控缓解脑疲劳的效果提供了评价手段。     

工频电磁场长期作用影响工作记忆中局部场电位因果网络连接特征

电磁场(EMF)作用对神经系统功能的影响,现已成为电磁生物效应领域广泛关注的问题。本文旨在从神经信息网络连接角度探究工频EMF长期作用对大脑认知功能的影响及其机制。本文将斯普拉格·道利(SD)大鼠随机分为3组,其中模型Ⅰ组将SD大鼠置于2 mT工频EMF中作用24 d;模型Ⅱ组将SD大鼠置于2 mT工频EMF中作用48 d;对照组SD大鼠未经工频EMF作用。随后,采集不同组别SD大鼠执行工作记忆(WM)任务过程中前额皮层(PFC)16通道的局部场电位信号(LFPs),并基于定向传递函数(DTF)构建LFPs因果连接网络,最终通过对比各组SD大鼠在WM过程中LFPs信号因果网络特征参数及行为学表现的异同,探讨工频EMF长期作用对WM的影响。本文研究结果显示,模型Ⅱ组大鼠执行WM任务达到正确率80%以上所需时间及次数明显多于对照组。WM任务中,模型Ⅰ、Ⅱ组因果网络连接强度及全局效率值均明显低于对照组;且模型Ⅱ组中因果网络连接密度值明显低于模型Ⅰ组及对照组。结果表明,经2 mT工频EMF的长期作用,PFC的LFPs信号间因果网络连接强度及全局效率降低,并影响SD大鼠的行为学表现。本文的研究结果从神经网络信息传递的角度揭示了工频EMF作用影响大脑认知功能的可能机制,可为进一步研究其作用机制提供重要的支持。     

基于TrAdaBoost的跨脑辨识P300电位研究

P300电位的个体差异导致基于该电位的脑-机交互系统需要每位被试的大量训练数据来构建模式识别模型,引起被试的训练疲劳,并可能由此导致系统性能降低。TrAdaBoost是一种把源领域的知识迁移到目标领域,进而使目标领域能获得更好的学习效果的迁移学习方法。本研究针对P300电位的跨脑辨识问题,提出基于TrAdaBoost的线性判别分类算法和支持向量机,将同被试的少量数据训练的分类器与不同被试的大量数据训练的分类器按权重组成融合分类器。与只采用少量同被试数据或者混合不同被试数据来直接进行训练的传统学习方式相比,本文算法在少量样本情况下将准确率分别提高了19.56%和22.25%,信息传输率分别提高了14.69 bits/min和15.76 bits/min,有望提高脑-机交互系统对被试个体差异的泛化能力。     

阵列式气囊床垫防压疮辅助翻身建模与舒适性分析

通过辅助长期卧床人员定时翻身,调整压力分布避免单一部位长时间受压是预防压疮的最有效措施。但被动辅助翻身与人体主动翻身相比,身体各部位受力存在明显差异,可能影响翻身舒适性,甚至对外伤及危重患者造成二次伤害。因此,探究被动翻身舒适性影响因素,确定最优翻身策略具有较大的实用价值。首先,本文研究被动翻身人体各关节承载特征,提出了一种楔形气囊构型,并将床垫楔形气囊对偶布局等效为弹簧-阻尼模型,并基于实验方法进行模型关键参数辨识。然后,通过调整施力位置、顺序,设计了不同辅助翻身策略,建立了基于刚性人体结构与柔性等效弹簧的人-垫力耦合仿真模型,获得了人体主要承压部位受力情况。最后,对15名受试者开展辅助翻身试验,通过分析仿真结果、实验数据及问卷评分,验证了辅助翻身与压力调整效果,阐明了被动翻身过程人体舒适性的力学影响因素,为后续床垫构型设计与辅助翻身策略优化提供了理论基础。     

高频重复经颅磁刺激对大鼠工作记忆局部场电位和锋电位时频特征的影响

目的 探究高频重复经颅磁刺激(rTMS)对大鼠学习记忆功能和神经电活动的影响。方法 将8只Wistar大鼠随机分为对照组(n = 4)和刺激组(n = 4)。刺激组接受5 Hz rTMS,刺激强度为100%运动阈值,持续14 d,对照组未接受rTMS。在大鼠工作记忆实验过程中同步采集前额叶皮质(PFC)16通道的局部场电位信号(LFPs)和锋电位信号(spike)。对LFPs信号进行时频功率谱分析,对spike信号分析其发放速率,并利用Multitaper频谱相干方法分析LFPs-spike信号的同步化程度。结果 工作记忆实验中,刺激组达到正确率标准所需时间少于对照组(t = 2.51, P = 0.046);刺激组LFPs的θ频段和γ频段能量均显著高于对照组(t> 12.49,P < 0.001),两组spike平均发放率无显著性差异( t = 1.73, P= 0.067),θ频段和γ频段LFPs-spike的同步化程度更高(t > 8.82, P < 0.001)。 结论 高频rTMS能够提升工作记忆实验中PFC脑区的LFPs信号能量,增强LFPs信号和spike信号的协同编码过程,并提高大鼠的工作记忆实验。