基于图论的复杂脑网络分析

近年来基于图论的复杂网络分析极大地推进了人类对于脑网络组织模式的认识。本文首先介绍了基于图论的复杂脑网络分析中常用的几个度量,包括节点属性度量和网络属性度量。然后简要介绍了基于这些度量进行复杂脑网络分析的一些研究结果,其中包括针对正常人脑以及神经精神疾病病人脑。最后讨论了复杂脑网络分析领域待解决的问题。     

癫痫发作脑电信号的相位幅度调制研究

脑电图是癫痫诊治中一种最为重要的工具,而大数据量的脑电记录给人工分析带来困难,计算机分类则可减轻此负担。从相位幅度调制角度研究癫痫脑电低频节律相位与高频节律幅度间的耦合关系,利用归一化后的调制指数(MI)来量化各频段间的耦合强度。基于波恩癫痫发作间期和发作期脑电的200个样本数据集,提出依据高低频节律范围对MI图进行分区,再利用分区后的耦合系数对不同状态下的脑电进行分类。结果显示,发作期Gamma节律与Delta(2～4 Hz)节律的MI值(0.009 9±0.009 6)相比发作间期(0.003 6±0.008 7)显著增加(P<0.01)。Gamma节律与Theta(4～8 Hz)节律的发作期MI值(0.008 7±0.006 2)相比发作间期(0.001 4±0.003 2)也有显著增加(P<0.01);Theta Beta节律间耦合强度在发作期(0.002 2±0.001 3)与发作间期(0.000 5±0.000 7)也存在显著差异。利用支持向量机在五折交叉验证下,波恩癫痫脑电数据MI特征对发作期和间期数据分类准确率达到97%;采用随机森林分类方法,同样得到一致结果。所提出方法的应用可有效提高对临床视频脑电图分析的效率。     

基于1.5维谱的脑电非线性相位耦合分析

应用随机信号的1.5维谱分析脑电信号,旨在克服脑电功率谱分析的缺陷,同时保留高阶谱分析的优良特性。对五种不同思维状态(放松、启发式写信、两位数乘、数字擦除重绘、三维旋转)下的脑电进行1.5维谱分析,并对分析结果作了初步的讨论。分析显示,所有脑电均出现明显的平方相位耦合结构,但在不同思维状态下的脑电平方相位结构存在明显的差异,结果表明相位耦合信息可能为研究脑电提供新的途径。     

基于EEG的酒精依赖对脑功能的影响

目的研究酒精依赖对个体脑电信号的影响,以期了解酒精依赖对个体健康的影响。方法基于亨利(纽约州立大学)实验所得的102例脑电数据,对数据进行预处理,去除伪迹,提取脑电特征波并计算包含功率谱、R值和重心频率在内的脑电参数,进行统计学分析,以讨论分析酒精依赖患者与健康人的脑电差异。结果相对于健康人,酒精依赖患者的脑电中α波相对功率减小,其中以顶区和枕区最为显著。θ波功率减小,在颞叶的变化较为明显。β波相对功率在各个脑区均大幅提高。全脑区R值均减小,重心频率均增大。结论相对于健康人群,酒精依赖患者的脑电信号普遍向高频迁移,表明酒精依赖可以使大脑皮质的兴奋度增强,脑活动更为复杂。     

基于幅度相位估计相干系数与幅度相位估计融合的超声成像方法

最小方差(MV)波束形成算法有效提高了成像分辨率,但牺牲了成像对比度和算法稳健性。本研究提出一种融合幅度相位估计(APES)波束形成和基于幅度相位估计的相干系数的成像方法。该方法首先利用APES算法计算出初步结果,然后利用APES波束形成的输出取代相干系数中相干部分,计算相干加权系数,最后对APES波束形成的结果进行加权得到成像结果。为了验证算法的有效性,对点目标和斑目标进行了成像。结果表明提出的算法在成像对比度和稳健性方面优于APES算法和融合APES与相干系数的算法。     

基于脑疲劳的Delta-Gamma相位幅值耦合研究

脑疲劳是大脑长期处于精神高度集中后机体无法专心高效率完成任务的一种状态,极度影响着人们的生活和健康。但至今都没有简便有效的检测方法,而近期研究发现,低频与高频之间的相位幅值耦合(PAC)可能与相关脑认知活动的信息交流整合有关,可为脑疲劳检测提供新信息。对疲劳前后低频delta节律和高频 gamma节律采用相位幅值耦合方法进行研究,使用Neuroscan 64导脑电仪采集脑电并用配对t检验对14名被试结果进行统计分析,结果显示,全脑区90%以上的delta相位共同调制多个脑区的gamma幅值,其中对前额叶区、顶枕叶区、顶叶区的耦合作用在脑疲劳后发生显著性下降,而对额叶区的耦合作用则显著上升。研究表明,delta-gamma相位幅值耦合值能很好地预测脑疲劳引起的宏观行为表现变化能力,为脑疲劳的检测提供新指标。     

视觉ERP脑机接口中实验范式的研究进展

脑机接口是一种通过建立人脑与周围环境之间的连接通路来实现人脑对外部设备直接控制的技术。实验范式是获取脑机接口所用特征的技术手段,是脑机接口研究的一个重要方面。视觉事件相关电位（ERP）脑机接口技术利用了基于视觉刺激的实验范式中所诱发的ERP信号的特征,是当前脑机接口研究的一个主要分支。近年来,与视觉ERP脑机接口的实验范式有关的研究成果大量涌现,使脑机接口性能得到显著提高。目前,除在范式参数、刺激呈现样式、刺激类型等传统要素方面开展的深入研究外,对于语言模型以及混合脑机接口的研究也日渐增多。总结和回顾近年来视觉ERP脑机接口中实验范式的研究状况,并进一步探讨其中存在的问题与面临的挑战,以及未来可能的研究方向。     

抑郁症脑电特异性研究进展

抑郁症是以显著而持久的心境低落为主要症状的一组情感性精神障碍疾病, 发病率高并遍布各年龄组。随着世界经济的飞速发展、社会生活竞争的日益加剧, 全球抑郁症的发病率也快速提升, 且患病与自杀事件已呈低龄化趋势, 对抑郁症的预防诊治工作亟待重视与研究。以往抑郁诊治多依赖于主观量表评估和医生经验判定, 一致性差且误诊率、漏诊率高, 缺乏客观有效、方便快捷的定量诊断指标与方法。脑电(EEG)作为一种非侵入式探测大脑皮层神经电活动变化的研究手段, 时间分辨率高, 含有丰富的中枢神经认知生理活动信息, 是获取抑郁症大脑病理变化的客观有效方法, 且近年来抑郁症EEG特异性研究已取得部分成果。全面综述抑郁症EEG特征节律、非线性动力学参数、事件相关电位(ERP)响应, 以及脑神经网络特异性研究现状、存在问题及解决方案等进展情况, 并对未来愿景进行展望, 以期推进抑郁诊治方法研究, 助力开发更为有效的抑郁防治技术。     

基于相关阈值法的脑电40Hz事件相关电位检测系统

详细介绍了我们建立的一套40Hz ERP(40Hz事件相关电位）信号检测系统,该系统使用边缘特性最好的椭圆窄带滤波器提取窄带信号,采用我们提出的相关域值法很好地剔除了肌电干扰,并在微机上实现了实验自动化和结果自动统计。这个系统是有关40Hz ERP的完善的独立实验系统,它为认知科学、实验心理学和神经生理学提供了重要的研究工具。     

支付方式对产品偏好的事件相关电位研究

为了探究消费者使用支付方式如何影响产品购买偏好及其脑神经机制,根据心理账户理论,采用基于事件相关电位(ERP)脑电实验的双因素组内设计分析,即2(产品类型:实用型产品和享乐型产品)×2(支付方式:现金支付和非现金支付)。实验任务需要被试在随机出现的4种不同的购买情景下做出购买选择,并同时记录其选择时的脑神经电生理活动。结果表明,在早期认知阶段,消费者面对不同类型产品刺激时,对享乐型产品较实用型产品自动分配更多注意力且引起较大波幅P2成分((5.809±0.811)μV vs (4.878±0.944)μV,P<0.05);在认知过程阶段,消费者面对不同的支付方式,易产生决策冲突,现金支付较非现金支付会引起较小波幅P3成分((3.267±0.907)μV vs (3.913±0.833)μV,P<0.05);在认知决策阶段,现金支付享乐型产品较实用型产品的支付疼痛与购物内疚产生更大波幅晚期正成分波(LPP)成分((3.825±0.843)μV vs (2.929±0.769)μV,P<0.05),同时非现金支付享乐型产品较实用型产品的支付快感与购物愉悦均诱发强烈情绪唤醒,产生更大波幅晚期正成分波(LPP)成分((3.375±0.887)μV vs (2.03±0.768)μV,P<0.05)。因此,当消费者采用现金支付时,更偏爱实用型产品;当消费者采用非现金支付时,更偏爱享乐型产品。消费过程中的脑神经电生理分析对消费者、商家和支付机构均具有重要意义。     

Small Pitch Separation and the Selective-Attention Effect on the ERP

In conditions demanding selective attention, the stimuli to be attended elicit an event-related brain potential (ERP) component called the processing negativity (PN). However, some previous results might be interpreted as suggesting that even the stimuli to be ignored elicit some PN, at least if they physically resemble those to be attended. This “generalization’ of PN was studied by presenting three equiprobable tones differing in pitch in random order, one of the tones at a time being the target to be counted. The small pitch separation between the three tones was of different magnitude in different blocks. A PN was observed in the ERPs to the counted stimuli but was even elicited, though with a smaller amplitude, by the nontargets, at least by those which physically resembled the targets. The latter, “generalized’ PN was larger in amplitude with a smaller pitch separation between the nontarget and target stimulus. These results support the interpretation that PN reflects a cerebral matching process between the sensory input and a voluntarily maintained neuronal representation of the stimulus to be attended, the “attentional trace.’ Moreover, these results indicate rather high discrimination accuracy of this stimulus-selection mechanism underlying PN.     

基于脑网络的脑疲劳对不同工作记忆负荷的影响

工作记忆是认知行为的基础,脑疲劳会导致记忆力衰退、反应迟钝等认知表现下降的现象.利用N-back实验范式设计脑疲劳实验,采集15名被试正常态和疲劳态下4种工作记忆负荷的脑电数据,使用互信息算法构建功能性脑网络,计算并分析节点度、节点中间中心度、节点聚类系数、节点特征路径长度4个网络特征参数,对行为学数据(反应时间、正确...     

青少年肌阵挛癫痫患者的大尺度脑网络研究

采用静息态功能性磁共振成像(rs-fMRI)数据探究青少年肌阵挛癫痫(JME)患者大尺度脑网络的变化。采集17例JME患者和15名正常志愿者的脑部静息态功能磁共振成像数据,两组均使用偏相关系数构建静息态脑网络。分别计算JME患者组与正常对照组的阈值,构建二值化脑网络。计算两组被试各个脑区的介数值,采用双样本t检验对比两组脑网络介数值的差异(Bonferroni 校正,P<0.01),找出介数值发生显著变化脑区。结果表明,偏相关系数构造的脑网络具有小世界属性。JME患者组脑网络中脑区的介数值相比正常对照组有显著性差异。与正常对照组相比,JME患者组介数值显著降低的脑区有2个,介数值显著升高的脑区有17个。其中属于默认模式网络(DMN)的脑区有8个,属于突显网络(SN)的脑区有5个。JME患者组介数值显著降低的脑区有右侧中央旁小叶和右侧后扣带回,介数值显著增高脑区主要是右侧背外侧额上回、左侧枕中回、右侧楔前叶和右侧舌回等。JME患者介数值发生显著改变的脑区主要属于默认模式网络和突显网络。可以推断出默认模式网络和突显网络内部脑区间连接发生改变,信息传递产生变化。由此可能会导致JME患者大脑功能发生改变,造成患者的认知能力与执行能力等功能受损。     

视觉对人体姿势控制影响的脑功能网络连接机制

目的 研究视觉对人体姿势控制影响及其脑功能网络连接机制。方法 以15名健康青年为研究对象,要求受试者分别进行30 s睁眼、闭眼的双腿站立平衡,采集平衡过程中身体压力中心(center of pressure, COP)和脑电。对COP进行样本熵(SampleEn)计算;对脑电θ、α和β频段,计算相位滞后指数(phase lag index, PLI)构建大脑功能网络,并基于图论计算集聚系数(C)、特征路径长度(L)及小世界网络属性(σ)。结果 人体在双腿站立平衡过程中,闭眼COP_Y样本熵显著高于睁眼(P<0.05)。闭眼α频段PLI平均值显著高于睁眼(P<0.05);闭眼α频段C、σ显著高于睁眼,L显著低于睁眼(P<0.05)。闭眼时α频段额区-中央区-顶区之间的网络连接以及中央区和顶区内连接强度显著高于睁眼(P<0.05)。闭眼时α频段PLI平均值以及C值与COP_Y样本熵中度呈中度负相关(P<0.05)。睁眼时左前额区、左顶区、左枕区α频段PLI平均值与COP_Y样本熵呈中度负相关;闭眼时左...     

基于ERP情绪状态对工作记忆刷新功能影响研究

近年来,情绪对工作记忆的建设作用正逐步受到关注,尤其是情绪对工作记忆中央执行系统刷新功能的影响至关重要。组织16名青年受试者参与动态工作记忆任务实验,探讨积极、中性和消极三类不同情绪状态对工作记忆刷新功能的影响。实验首先采用国际情绪图片系统(IAPS)使受试者分别进入三类情绪状态,随后执行4个数字的动态工作记忆任务。结果发现,积极情绪状态下工作记忆刷新时间显著增长(积极情绪状态:(1.016±0.338) s;中性情绪状态:(0.814±0.347) s, P<0.05);刷新ERP在额中央部N2幅值显著小于中性情绪;工作记忆刷新的后期(400～1 000 ms),在频带13～30 Hz处的能量降低显著低于中性情绪。消极情绪状态下工作记忆刷新时间与中性情绪无显著差异;工作记忆刷新的早期(0～400ms),在频带0～8Hz处的能量升高显著低于中性情绪。以上结果说明积极情绪对工作记忆刷新存在干扰作用,但未发现消极情绪对工作记忆刷新的显著影响。有关情绪状态影响工作记忆刷新机制的初步研究将为提高工作记忆刷新绩效提供实验依据。     

脑肿瘤患者手术前后脑结构网络拓扑属性研究

主要研究脑肿瘤的存在及手术对患者全脑及半脑结构网络拓扑属性的影响。结合弥散张量成像技术(DTI)和图论方法,对10例健康志愿者以及10例脑肿瘤患者进行术前术后全脑及半脑结构网络构建,获得两组受试者脑结构网络拓扑属性参数,以及反映脑认知功能的各项网络指标,并对其进行统计对比分析。结果显示,部分局部参数(包括K_i、L_i、E_nodal、C_i和E_ilocal)在手术前后具有明显差异,且术前组均优于术后组;全脑及半脑各全局网络参数显示,各项参数术前组均优于术后组;同时半脑结构网络分析显示,位于不同脑半球的脑肿瘤对患者脑结构网络所造成的损伤均无统计学差异(P>0.05)。肿瘤的存在以及手术均使得脑肿瘤患者脑结构网络发生改变,大脑的半脑优势化趋势明显降低;手术后结构网络拓扑特性的改变以及小世界属性的增强,验证大脑本身存在的代偿机制以及功能重组现象。     

Brain flexibility associated with need for cognition contributes to creative achievement

Advances in graph‐theoretic models of networks have made it possible to investigate the topological properties of the human brain across time and space. Brain flexibility is defined as the frequency with which brain regions switch between different functional modules over time and has been shown to correlate with higher‐order cognitive functions. Need for cognition (NFC) refers to a personality trait to engage in and enjoy effortful cognitive endeavors and usually has a positive effect on diverse cognitive activities (e.g., creativity), which may also be closely related to brain flexibility. Here, we tested whether the flexibility of a large‐scale brain network associated with NFC facilitated creative achievement. Robust correlation analyses showed that NFC correlates with the flexibility of the insula, the medial prefrontal cortex, and the putamen at the node level. Several large‐scale brain networks whose flexibility also correlated with NFC, including the default mode network, salience network, subcortical network, ventral attention network, and control network, imply that higher NFC individuals may exhibit better cognitive abilities, such as executive control, salient detection, spontaneous thought, and motivation function. Interestingly, only global flexibility acted as a mediator in the relationship between NFC and creative achievement, suggesting that the mediating mechanism may involve an interaction between distinct regions or large‐scale networks across the entire brain instead of the functional characteristic of local regions. Together, we demonstrate that the higher NFC is, the more flexible the brain, which may provide a potential insight into the acquisition of creative achievement.     

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。