脑电信号的高阶奇异谱分析

奇异谱分析是脑电信号分析的一种新方法,脑电信号的奇异谱可以反映脑电的特征,它有助于研究大脑的动力学行为。奇异谱分析方法是基于二阶统计的方法,反映的是信号时间上和空间上的一种线性相关关系。而脑电信号属于非线性信号,其内在的非线性关系很难通过奇异谱得到真实的反映,从而会丢失某些有用的信息。提出一种新的基于高阶统计的脑电奇异谱分析方法,并将其运用于正常脑电和癫痫患者的脑电分析中。大量的实测信号样本仿真实验结果表明,正常脑电和癫痫脑电的奇异谱有明显的不同。此外,基于高阶统计的奇异谱和基于二阶统计的奇异谱相比更能反映出信号的细节。     

运动观察与运动想象的皮层节律活动与神经生理机制

研究证实,运动观察与运动想象对大脑的激活有利于中风后的运动功能再学习,可用于探索人类行为过程中大脑的神经机制.为对比分析运动观察和运动想象时皮层神经元的活动特征,选取10名健康被试,采集每名被试在运动观察和运动想象时特定手部抓握动作模式下的脑电信号(EEG);引入Gabor滤波器对感觉运动区和视觉区的EEG进行时频能量谱估计,并在此基础上对EEG进行事件相关去同步/同步化(ERD/ERS)分析;最后建立ERDI(ERD index)指标对左手和右手进行模式分类并量化比较运动观察与运动想象.研究结果表明,运动观察与运动想象类似,均激活大脑感觉运动皮层,并且运动想象产生对侧主导的α和βERD;基于ERDI指标的运动想象左右手识别正确率高于运动观察分类正确率;此外,运动观察过程还同时伴随视觉皮层活动,使β节律能量产生显著衰减.本研究为运动观察和运动想象在临床康复训练以及脑机接口领域的应用提供了神经生理基础和实现途径.     

自然图像效率编码

效率编码理论认为经过漫长历史进化,大脑感知系统有效地适应了自然环境.自然图像统计规律计算建模对视觉信息处理机理的理解大有裨益.本文简要回顾近期视觉系统对自然图像效率编码的最新进展.     

OAZ在果蝇大脑发育中的功能研究

OAZ基因编码在进化上保守的C2H2型O/E相关锌指蛋白,参与基因转录的调控。TGF-β信号传导通路中OAZ通过与SMAD4/R-SMAD结合形成转录复合物发挥作用;Olf1/EBF作为转录因子与OAZ相互作用来调控嗅觉上皮细胞和B淋巴细胞的分化。此外,OAZ是JAK/STAT信号通路的下游候选靶基因。但是迄今为止OAZ在果蝇大脑发育的功能还没有研究。果蝇大脑视叶作为一个相对简易操作的模型为我们揭示早期神经干细胞的增殖和转化机制创造了条件,为加快理解哺乳动物早期神经发生过程以及进一步开展神经干细胞治疗提供可能。本研究通过RNA干扰来研究OAZ在果蝇大脑发育中的作用。我们的初步实验结果表明,OAZ对果蝇大脑视叶神经上皮细胞的维持可能不是必需的,OAZ对果蝇大脑视叶神经板和脑髓神经节的发育也可能不是必需的。     

Labview在动物脑电信号采集分析中的应用

分析动物行为活动中的脑电特征是脑机接口(Brain-computer interface,BCI)研究中的一个重要内容.本文利用最新测控软件-虚拟仪器技术(LabVIEW)进行脑电信号采集与处理,实现了信号实时显示、中值滤波、小渡消噪的设计.实验结果显示提取出了与特定行为(抓食)相关的脑电活动特征信号,为研究大脑如何控制行为提供了一个有效的方法.     

血液循环在大脑信息处理过程中的时序控制作用

自2006年以来,作者已陆续在一些杂志,网站和学术会议[1-3]上发表一些文章和证据,主要探究如下几个问题:(1)讨论各种脑电波现象的起源,大脑信息处理过程,血液循环三者之间关系.(2)提出了血液循环在大脑处理信息的过程中起到了基础时钟的作用;提出其可能的一个分子机制,其中H 浓度,O2浓度,微循环系统的工作机制,NMDA受体的H 位点是几个关键因素.(3)大脑如何感知时间的生理机制.提出时间感(或者时间流逝感)其实是一种压感,来源于当血液流经大脑的血管网的时候,造成的压感;而大脑对连续物理过程的感知则是大脑中记录情景(照片)的一个细胞群序列兴奋的信号和压感通过"捆绑效应"整合给人的感觉(即有点像放电影).在本文中,将对这些观点和证据进行回顾:文章第1节在整体上叙述所建立的脑电波模型,和"血液循环在大脑处理信息上具有时序控制作用"的观点.第2～5节将从各方面给出支持第1节中所叙述模型和观点的证据,并对一些问题进行澄清.第6～8节将该模型应用于解释一些脑电波和神经生理现象,解决目前一些问题(例如α波的起源问题,睡眠的脑电现象等).     

连续语音的神经编码——脑电图、脑磁图研究进展

语音是人类交流的主要方式,语音理解也是人脑特有的核心认知功能。人脑中的动态神经活动如何编码连续语音流的声学特征,并解析出多个层级的语言结构是认知神经科学领域的重要问题。近年来,一系列脑电图、脑磁图研究通过包络跟踪响应、层级跟踪响应等新指标来刻画连续语音的神经加工机制。本文对这些研究进行综述,并聚焦于对两个语音加工问题:一是大脑如何编码语音中连续变化的声学特征。这方面的研究表明,大脑中的低频神经活动可以动态跟踪语音包络并且受到高级认知功能调节。二是大脑如何表征语音中不同大小的语言单元,比如音节、词、短语、语句。研究显示,大脑皮层中不同时间尺度的神经活动分别跟踪不同大小的语言单元,构成对多层级语言单元的并行表征。综合上述,近期研究初步揭示了大脑如何表征连续语音的声学特征并构建不同层次的语言单元,为进一步研究大脑如何加工连续语音提供了新的思路。     

癫痫病人脑电信号的奇异谱

癫痫是一种常见的神经系统疾患,其唯一客观证据为脑电图的癫痫样发放。在癫痫发作间期,仅有偶发的很难辨别的癫痫样放电,为了正确诊断癫痫病,往往需要医生长时间监测病人的脑电信号,在对脑电信号进行相空间重构,进而对其进行奇异系统分析,发现癫痫病人无论在癫痫发作前、发作中、发作后,其脑电信号的奇异谱曲线不存在噪声平台,明显区别于正常人。是否可以认为脑电信号的奇异谱正代表着大脑的一种基本状态,癫痫患者在未发作时,大脑的基本状态已经处于异常。无论如休,奇异系统分析方法使得可以利用很短的一段脑电数据诊断癫痫。无疑为癫痫病人的临床诊断提供了一条简单、有效的途径。     

仙琴蛙颜色感知具有左脑优势

蛙类在暗视条件下能辨别不同颜色,但颜色感知时大脑神经活动的动态神经机制尚不清楚。本文通过分析峨眉仙琴蛙(Nidirana daunchina)在蓝、绿、黄三种颜色光刺激下脑电信号δ、θ、α、β4种节律的功率谱,研究脑电节律与颜色感知之间的关系,探索颜色感知的动态神经机制。首先采集不同颜色刺激下端脑、间脑和中脑的脑电信号,提取δ(0.5~5.5 Hz)、θ(5.5~8.5 Hz)、α(8.5~17 Hz)、β(17~45 Hz)四个节律,分析各节律的功率谱;使用三因素(颜色、脑区和性别)重复测量ANOVA和最小显著性差异法(LSD)进行统计分析。结果显示,对δ和θ节律,蓝光诱发的功率谱显著高于绿和黄颜色光;对θ、α、β三个节律,由颜色刺激引起的左间脑功率谱显著高于右间脑(P<0.05)。上述结果表明,蓝色光引发高觉醒水平,且颜色感知具有左脑优势。     

基于fMRI的脑功能整合数据分析方法综述

脑功能成像在人脑信息处理和认知活动的神经关联中发挥了不可轻视的作用.从大脑功能整合出发,可以将脑功能成像数据分析方法分为探测大脑功能整合的功能连接和有效连接两方面,功能连接探究空间远离的两个脑区之间的连接,有效连接研究一个脑区对另一个脑区作用的大小.根据这两个概念,相应地可以将功能磁共振数据分析方法分为两大类.本文着重...     

光学神经成像研究进展

大脑功能的成像检测在认知神经科学领域具有极其重要的意义。现代光子学技术的发展为认知脑成像提供了新的研究手段,在神经系统信息处理机制研究中发挥重要作用。文章介绍了在神经元、神经元网络、特定脑皮层功能构筑以及系统与行为等不同层次开展神经系统信息处理机制研究的各种光学成像技术,包括多光子激发荧光显微成像、内源信号光学成像、激光散斑成像和近红外光学成像等,并评述了这些有特色的光学成像技术在多层次获取和分析神经信息中的研究进展。     

语音处理的神经电生理学基础研究进展

解码大脑在语音处理过程中涉及的信息加工层级结构、皮质响应机制及功能连接模式,是神经语言学领域的研究重点.以语音信息加工时序为依据,可将该认知过程划分为:初级声学信号时频编码(spectrotemporal analysis of primary acoustic signals)、音素处理(phonemic processing)以及词汇-语义加工(lexical-semantic processing) 3个处理阶段.目前,研究者已对各阶段的神经机制进行了广泛且深入的研究,但不同模型理论/假说难以整合互补,有必要进行梳理与总结.本文将以大脑处理语音信息的3个阶段为主线,以电生理学方法为侧重范式,对各阶段下的皮质映射、神经振荡模式以及事件相关响应机制等神经基础研究现状进行总结评述,以期为进一步了解语音信号如何在人脑中进行处理和表达等相关研究提供一定的参考.     

一种改进的近似熵——样品熵及其在颞叶癫痫患者脑电信号分析中的应用

采用了近似熵(approximately entropy,ApEn)和它的改进算法,即样品熵(sample entropy,SampEn)分析了8位颞叶癫痫患者和10位健康人员的短程脑电信号。在计算过程中使用了两种滑动窗口和5个不同的过滤标准r。结果显示颞叶癫痫患者组脑电信号的熵值显著低于健康组,而且患者癫痫病灶所在的脑半球的复杂度远远小于非癫痫病灶的脑半球。小的滑动窗口能更多地反映与癫痫发作相关的细节。对于1秒的滑动窗口,过滤标准r不能小于时间序列标准差的0．15％;而对于4秒的滑动窗口,则过滤标准r不能小于时间序列标准差的10％。研究结果表明,在短程脑电信号的非线性分析中,样品熵是一种比近似熵更为可靠的非线性分析方法。颞叶癫痫患者脑电信号的熵值低于健康人员,这可能表明脑电活动的非线性程度的降低是由于神经信号在大脑内的传递受到了阻碍或者损坏,使得神经信号成了相对孤立的信息源。     

肠道感知与生物适应性

肠道(gut)是机体与外界交流的重要器官，吸收营养并排出废物，在维持机体稳态和生理功能方面起着至关重要的作用。肠道中存在丰富的细胞类型和神经信号分子，研究表明，肠道细胞上的特定受体能够被食物激活，从而感知味道和营养成分，并将信息直接或间接向大脑传递。肠道感知(intestinal perception)是自然界多种生物中普遍存在的感觉系统，具有物种保守性。因此，肠道感知相关的研究，对理解物种的进化和生物在自然界中的适应性机制具有重要意义。本文对肠道不同物质感知的分子及环路机制的研究现状进行了简要综述，为进一步研究肠-脑轴神经环路在生物个体进化中的作用及生物的物种-环境共生进化的理论提供依据。     

视知觉学习的神经机制

感知分辨能力经过训练而提高的现象称为知觉学习。由于缺乏有力的生理学证据,已往主要基于行为和脑成像的研究存在分歧,焦点在于知觉学习发生的脑区和编码形式。近年来,结合心理物理和清醒猴电生理的系列研究表明,视觉检测训练可以优化大脑初级视皮层神经元的编码,该过程依赖于自上而下的信号调控。这些发现提示,知觉学习改变了前馈输入和反馈信号之间的相互作用。这种多脑区间的协同编码机制为理解学习与脑的可塑性提供了新的视角。     

关于耦合神经元活动时的能量原理

最近美国耶鲁大学的神经科学家们用实验数据表明,哺乳动物大脑皮层中神经信号的传递是一个代价昂贵的能量支出过程,而神经信号的编码是与能量代谢紧密地耦合在一起的,但是到目前为止还无法定量给出神经元活动时的能量函数。在这篇文章中,能量原理被用于神经活动和神经信息处理机制的研究,在电生理实验数据的基础上,建立神经元活动的用能量函数表示的运动方程。结果表明用能量函数表达耦合神经元的阈下电活动和动作电位,数值计算结果与用Hodgkin-Huxley方程所描述的动作电位一致。从而有可能依据能量原理从脑信息处理的角度揭示和理解大脑神经网络系统的信息表现规律。     

一种新型的脑电位分布处理仪

我们研制的BKC-1型脑电处理仪,也称为脑电地形图仪。它是一种新颖的脑电信息处理仪器,采用高档微机(有高精度A/D转换接口)、精密的AR参数模型和快速傅立叶变换(FFT)相结合的脑电波处理软件。可直接与现有的国内外各种类型的脑电仪连接,能对多种脑电信号进行数据采集和处理。脑电位分布处理仪原理框图如图1所示。它用电子计算机对脑电图(EEG)信号进行处理,将脑电图的曲线波形转化成二维的彩色图象。同普通脑电图信号相比,它     

时间结构信息在人类知觉中的作用及其脑机制

外界信息包含了丰富的时间结构,提取这些时间结构信息对于人类适应动态变化的环境具有重要的意义。然而,纵观认知科学领域,目前尚缺乏对这一问题的系统探讨。本文总结了时间结构信息的类型及特性,综述了视觉和听觉过程中,不同类型的时间结构信息广泛参与并调节认知活动的行为证据,及产生这些现象的神经基础。据此,本文提出对时间结构信息的提取和利用是人类认知的基本特点。来自不同通道、源于不同规律的时间结构信息不但可以通过调制神经振荡及诱发预期编码等机制在大脑中得到表达,还可以在此基础上有效调节知觉、注意甚至无意识信息加工等过程。同时,不同的时间结构信息也可能通过各自特异性的加工机制对认知产生影响。上述观点为理解大脑如何利用多样性的时间结构信息优化动态信息处理提供了理论基础,也激发研究者对这些现象背后的脑机制展开更加深入的探索。     

血管舒张因子NO在神经-血管偶联过程中扩散动力学的仿真建模

神经-血管偶联机制至今还没有完全被阐明.对脑微循环的研究表明,位于皮层内的微动脉的舒张代表着神经-血管偶联过程中的最初血流响应机制.一氧化氮(NO)被认为是介导微动脉舒张的最重要因子之一,为了探讨NO在微动脉舒张过程中作为关键因子的作用,本文开展了基于大脑功能柱水平,由功能刺激产生的NO在神经-血管偶联过程中扩散动力学的时空模式的仿真建模研究.在大脑功能柱形态分析的基础上,建立NO扩散数学模型.应用该模型,清晰地阐述了由功能刺激产生的NO在时间维度和空间维度的扩散过程.计算机仿真结果表明,由功能刺激产生的NO,其扩散主要被限制在功能柱内.因此,NO作用的影响区域也就被限制在功能柱内.在时间维度上,NO信号大约维持1s左右.本研究从四维时空角度探讨由功能刺激产生的血管舒张因子的响应模式,为最终阐明神经-血管偶联机制提供了一种新的途径.     

运动改善阿尔茨海默病的酮体相关机制研究进展

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种多发于老年人群的神经退行性疾病,目前尚无有效治疗AD的药物,而酮体和运动能够为大脑提供保护作用,有效延缓AD的病理进程。β-羟基丁酸(β-hydroxybutyrate,BHB)作为哺乳动物体内含量最高的酮体,不仅可以作为一种替代能源物质,也能作为信号分子发挥作用。运动后大脑中BHB的增加还可以促进脑源性神经营养因子(BDNF)的表达,在改善AD患者认知和记忆力方面有着重要的意义。运动改善AD的酮体相关机制还不清楚,该文总结了BHB和运动对AD影响的最新研究进展,旨在从运动–酮体的角度为预防、缓解和治疗AD提供一种新的思考。