基于小波包熵的运动意识任务分类研究

提出了以小波包熵作为脑电特征向量的左右手运动意识任务分类方法,对被测试者想象左右手运动时的脑电小波包熵动态变化情况及分析窗口长度的选择进行了研究.结果表明,小波包熵能很好地反映左右手运动想象的脑电特征变化,用线性判别式算法对脑电特征进行识别,分类正确率达到92.14%.由于小波包熵的计算比较简单,稳定性好,识别率高,为大脑运动意识任务的分类提供了新思路.     

冲突适应的神经振荡机制

靶刺激和干扰刺激的不一致性会造成人类的行为冲突.特别地,连续的冲突情境能诱发大脑对冲突的适应.然而,目前的研究结果还不能清楚地阐释冲突适应的认知和神经机制.为了考察冲突适应的神经振荡过程,采用冲突观察实验范式,记录了15个健康成人被试在完成字母Flanker任务时的行为和脑电数据.对EEG数据进行时频分析,结果揭示了冲突适应的神经振荡机制.在观察任务中,对于不一致条件,α频带（9~13 Hz,480~980 ms）在左前额叶和中前区展现了显著的事件相关异步性（ERD）;对于一致条件,α频带在这些区域展现了显著的事件相关同步性（ERS）.在反应任务中,θ频带（6~8 Hz,50~1000 ms）的ERS在左前额叶和中前区表现为iI〈cI,反映了冲突适应.这些结果表明,冲突能诱发特定频带范围内大脑能量的调整,从而使大脑对冲突进行有效的控制.     

睡眠剥夺中感觉运动皮层和视觉皮层神经活动及警觉水平的改变（英文）

在睡眠剥夺(sleep deprivation,SD)过程中,人类大脑的神经活动和警觉水平如何受到影响,尤其是感觉运动和视觉系统,目前仍是研究的热点.静息状态功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging,rf MRI)作为一种反映人脑自发活动的非侵入式成像技术,在睡眠剥夺的研究中得到了广泛应用.本研究采用9次重复rf MRI和心理运动警觉任务(psychomotor vigilance task,PVT),以探索23名志愿者在整个36 h的睡眠剥夺过程中神经活动和警觉水平的变化.采用基于PVT的平均反应时间(mean reaction time,MRT)和失效率(lapses ratio,LR)评估警觉水平的变化;采用基于rf MRI的区域同质性(region homogeneity,Re Ho)和低频波动幅度(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)评估大脑神经活动变化.结果表明,感觉运动网络(sensorimotor network,SMN)和视觉区域(visual network,VN)是受到睡眠剥夺影响最严重的区域.我们采用组独立成分分析(group independent component analysis,GICA)将视觉相关区域划分为视觉Ⅰ区、视觉Ⅱ区、视觉关联区,并从解剖自动标记(anatomical automatic labeling,AAL)模板中提取运动感觉相关区域,包括中央前/中央后回、中央旁小叶和辅助运动区.研究发现,睡眠剥夺后16～30 h脑神经活动及警惕性下降.采用2×3重复测量方差分析,探讨睡眠压力、昼夜节律及其交互作用对感觉运动相关和视觉相关脑区神经活动的影响.观察到睡眠压力与交互作用对感觉运动相关区域和视觉相关区域有显著影响.采用皮尔逊相关系数评估警觉水平变化与感觉运动相关和视觉相关脑区神经活动变化的关系.睡眠剥夺期间所有感觉运动相关区域的神经活动变化与警觉变化均存在显著的相关关系.研究结果证实,睡眠剥夺从第一天24:00开始改变SMN和VN的警戒水平和神经活动,睡眠压力和昼夜节律在睡眠剥夺期间调节SMN和VN的神经活动.此外,昼夜节律的效应受到睡眠压力的显著调节.感觉运动相关区域和视觉相关区域的增强导致他们远程连接的减弱,这可能是睡眠剥夺期间响应时间变慢的原因.     

研究报告: 大鼠感觉运动系统静息态脑网络研究

为了理解啮齿类动物的脑功能连接,本文利用9.4T fMRI获得轻度麻醉状态下大鼠静息状态及刺激激活的数据,通过互相关分析构建节点之间的相关系数矩阵并计算相应的网络参数．结果发现：给予前爪电刺激时,刺激对侧初级感觉皮层(S1)、丘脑(Tha)有较强的正激活,双侧尾状壳核(CPu)有较强的负激活．静息状态时大鼠感觉/运动皮层内部、丘脑内部的连接性较强,而感觉/运动皮层与丘脑之间的连接较弱,双侧感觉运动系统之间存在较强的同步低频振荡,感觉运动系统在静息态时的脑网络具有小世界属性．结果提示,啮齿类动物在大脑信息处理中的功能分离和整合可能与人类存在某些相似性,支持哺乳动物中枢神经系统的基本功能存在遗传保守性的观点．     

睡眠剥夺中感觉运动皮层和视觉皮层神经活动及警觉水平的改变

在睡眠剥夺(sleep deprivation, SD)过程中,人类大脑的神经活动和警觉水平如何受到影响,尤其是感觉运动和视觉系统,目前仍是研究的热点。静息状态功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging,rfMRI)作为一种反映人脑自发活动的非侵入式成像技术,在睡眠剥夺的研究中得到了广泛应用。本研究采用9次重复rfMRI和心理运动警觉任务(psychomotor vigilance task,PVT),以探索23名志愿者在整个36小时的睡眠剥夺过程中神经活动和警觉水平的变化。我们采用基于PVT的平均反应时间(mean reaction time, MRT)和失效率(lapses ratio, LR)评估警觉水平的变化。我们采用基于rfMRI的区域同质性(region homogeneity,ReHo)和低频波动幅度(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)评估大脑神经活动变化。结果表明,感觉运动网络(sensorimotor network, SMN)和视觉区域(visual network, VN)是受到睡眠剥夺影响最严重的区域。我们采用组独立成分分析(Group Independent component analysis, GICA)将视觉相关区域划分为视觉I区、视觉II区、视觉关联区,并从解剖自动标记(Anatomical automatic labeling,AAL)模板中提取运动感觉相关区域,包括中央前/中央后回、中央旁小叶和辅助运动区。我们发现,睡眠剥夺后16 - 30小时脑神经活动及警惕性下降。我们采用2×3重复测量方差分析,探讨睡眠压力、昼夜节律及其交互作用对感觉运动相关和视觉相关脑区神经活动的影响。我们观察到睡眠压力与交互作用对感觉运动相关区域和视觉相关区域有显著影响。我们采用皮尔逊相关系数评估警觉水平变化与感觉运动相关和视觉相关脑区神经活动变化的关系。睡眠剥夺期间所有感觉运动相关区域的神经活动变化与警觉变化均存在显著的相关关系。我们的研究结果证实,睡眠剥夺从第一天24：00开始改变SMN和VN的警戒水平和神经活动,睡眠压力和昼夜节律在睡眠剥夺期间调节SMN和VN的神经活动。此外,昼夜节律的效应受到睡眠压力的显著调节。感觉运动相关区域和视觉相关区域的增强导致他们远程连接的减弱,这可能是睡眠剥夺期间响应时间变慢的原因。     

运动想象的脑机制及其在运动功能康复中应用的研究进展

运动想象对大脑相关功能有明显的改善作用,目前正在大量应用于运动训练和康复治疗领域.近年来随着诸如功能磁共振等成像工具的出现,神经成像的复杂程度得到了不断提高,从而推动了人们对运动想象的脑机制尤其是涉及多脑区之间的协同作用机制的认识逐步深入.针对运动想象的多脑区之间相互协作机制及运动想象在运动功能康复中的应用作了详细介绍.     

暗示性运动加工的认知神经机制

暗示性运动是指个体观看静止图片时从中知觉到的运动.研究者采用高低认知水平两类暗示性运动刺激材料,借助"冻结帧"、直接观看、运动后效和f MRI适应等任务范式,探讨了注意和意识在暗示性运动加工中的作用及其记忆特点;并借助脑成像等技术,考察了颞中区、颞上皮层区、颞上沟、镜像神经元系统等脑区在暗示性运动加工中的作用.但由于暗示性运动加工涉及"视觉腹侧通路与背侧通路功能的分离与整合"问题,目前对相关研究结果和解释还存在争议,暗示性运动加工的认知神经机制仍有待于进一步研究.     

纹状体神经通路与运动调控

纹状体(striatum)是机体运动中枢的关键组成部分,对机体随意运动、非意识性运动、肌张力、身体姿态、精细运动等调节均发挥重要作用。纹状体功能异常导致运动失调:一类为运动减少,肌张力亢进,如帕金森病;另一类为运动过多,肌张力不足,如舞蹈病。一般认为,纹状体接收大脑运动皮层传来的运动相关信号,经其加工处理后,经丘脑返传回运动皮层,最终由运动皮层发出运动执行信号,经锥体系完成运动。可见,纹状体的运动调控功能有赖于复杂的神经通路系统。本文综述近几年来有关纹状体神经通路与运动调控的研究进展,以期更深入理解纹状体运动调控神经机制及其与临床疾病的关系。     

猕猴在执行图形引导的有序运动过程中额叶皮层抑制性氨基酸变化的初步观察

本实验采用脑内微透析及同效液相色谱荧光分析技术,观察了猕猴在执行视觉图形引导的有序运动任务过程中额叶皮层（前额叶４６区,运动前区的Ｆ７和Ｆ２区以及初级运动皮层的Ｆ１区）透析液中γ－氨其丁酸（ＧＡＢＡ）和甘氨酸浓度的变化。观察到动物在执行ＦＲＳ任务时前额皮层透析液中ＧＡＢＡ浓度较操作前基础浓度明显升高,样品配对ｔ－检验具有显著统计意义;Ｇｌｙ浓度也有升高,但无统计意义。     

人脑对不同频率穴位电刺激反应的功能性磁共振成像

利用功能性磁共振方法研究人脑对不同频率穴位体表电刺激（transcutaneous electric nerve stimulation,TENS)的反应。实验对11名志愿得进行了22次脑部功能性磁共振成像。成像过程中,每名志愿者分别接受了2和100HzTENS刺激,刺激部位为左腿足三里和三阴交穴,结果为不同频率TENS都激活了初级和次级躯体感觉区,频率特异性的激活信号出现在与运动相关的区域、丘脑、边缘系统和联络皮层。结果显示,在相同穴位给予不同频率的TENS要以在大脑引起不同的反应,提示2和100HzTENS可能激活了不同的神经通路,这些神经通路分别在中枢神经系统起着不同的作用。     

老化和精神疾病引起的皮层抑制功能变化

脑神经网络信息加工的实现方式主要依赖于兴奋性和抑制性突触连接.脑内抑制性神经元数量较少,但在信息加工和神经可塑性等方面作用极其重要,而且抑制系统失常与多种脑功能障碍有关联.脑内抑制性神经环路可粗略分为皮层内和皮层间(包括前馈和反馈)两种,分别介导同一脑区内和不同脑区间的抑制作用.本文先围绕中心-外周抑制和运动方向互斥介绍了皮层间、皮层内抑制的行为表现和作用机制,然后以老化和精神疾病为例综述了脑功能障碍与视觉系统皮层抑制功能变化间的联系,希望能对相关研究工作有所助益.     

有无反馈对欺骗过程的神经机制的调控作用

欺骗行为会导致欺骗结果的产生,欺骗结果又会直接影响欺骗行为的发生及其内在机制.虽然有研究表明,欺骗结果会对相应的欺骗过程产生调控作用,但对这一调控作用的机制并不清楚.本研究采用功能核磁共振技术,对两组被试分别使用有、无反馈(欺骗结果)的GKT范式并记录两组被试在进行诚实反应和欺骗反应时的大脑激活模式.结果发现,有反馈组与无反馈组相比,有反馈组的诚实反应和欺骗反应都导致了左侧顶叶皮层、左背部前扣带皮层、左侧脑岛、双侧视皮层和右侧小脑的更大激活;对两组而言,欺骗反应和诚实反应都导致了右腹外侧前额区域、双侧缘上回、左侧脑岛、右后内侧额叶、右侧颞中回和右侧纹状体的更大激活;此外,与无反馈组相比,有反馈组的欺骗反应与诚实反应在双侧纹状体和左侧脑岛上的激活差异更加明显.这些结果表明,有无欺骗结果对欺骗过程的神经机制具有调控作用,当需要面临欺骗结果时,欺骗过程将更大程度地涉及到奖赏预期和风险厌恶过程的参与.     

运动奖赏效应及其神经生物学机制的研究进展

身体活动不足已经成为当今社会的公共卫生问题。深入理解运动的奖赏效应及其可能的神经生物学机制,将为改善身体活动不足提供科学有效的干预靶点。本文指出运动是一种典型的自然奖赏行为。大脑奖赏相关的腹侧背盖区-伏隔核的多巴胺能神经环路、前额叶皮质-伏隔核的谷氨酸能神经投射、红核-腹侧背盖区的谷氨酸能神经投射是调控运动奖赏效应的关键神经环路机制。此外,多巴胺、内源性大麻素系统和内源性阿片肽等多种神经分子参与了运动奖赏效应的调控。然而,大脑奖赏系统的过度激活将会导致运动成瘾。     

基于脑电四阶累积量的运动意识分类研究

提出了基于四阶累积量为脑电特征的意识任务分类思想.对被测试者想象左右手运动时的脑电归一化四阶累积量（峭度）及其动态变化情况进行了研究.结果表明,归一化四阶累积量能较好地反映左右手运动想象的脑电特征变化.在此基础上,进行了基于脑电四阶累积量的左右手运动意识识别和分类研究,实验结果表明,正确识别率能达到87.5%.由于四阶累积量的计算比较简单,而且可在线计算,因此可以认为,基于脑电四阶累积量为特征的运动意识分类及其在脑机接口技术中的应用,具有较高的实际应用价值.     

爬行动物皮层的细胞构筑与纤维联系

大脑进化到爬行动物阶段,端脑开始占据大脑的绝大部分,成为处理信息的高级中枢.皮层是爬行动物端脑的一个主要组成部分,与哺乳动物的大脑皮层相似,它位于端脑的表面,覆盖整个脑室下结构,参与各种信息的处理,嗅觉、视觉、听觉、学习和记忆都跟它相关.本文就爬行动物皮层的分区、细胞构筑、纤维联系等最近的研究进展进行介绍.     

第一和第二语言Stroop任务中EEG同步化分析

采用基于多元自回归的瞬时EEG相干方法研究了十位汉英双语者执行Stroop任务时脑神经电活动及其功能皮层区的协同作用。结果显示：在β1(13-18Hz)频段,无论是汉语(第一语言,L1)还是英语(第二语言,L2)呈现的刺激,不一致条件的EEG相干值明显大于一致条件的EEG相干值,表明β1频段对刺激类型敏感;与L2相比,L1的Stroop任务中,额一顶区的相干值显著增强。EEG相干值反映了不同脑皮层间的相互作用强度。因此研究结果表明：判断和处理冲突信息(如Stroop的不一致条件)时脑功能皮层区之间的协同作用增强;相对于第二语言,第一语言处理过程中额一顶区之间的通信协作增加。     

运动想象脑-机接口中的ICA滤波器设计

围绕独立分量分析(independent component analysis,ICA)在运动想象脑-机接口(brain computer interface,BCI)中的应用,作者重点研究了ICA空域滤波器的设计新方法。基于在不同时间采集的两位受试者的6组运动想象EEG数据集,分析和验证了ICA在BCI系统实现中的特点和优势,并与共同空间模式(common spatial pattern:CSP)空域滤波方法进行了比较。针对运动相关独立分量(motor-related independent components,MRICs)的自动检测,提出了ICA滤波器的有效设计概念,给出了基于不同时段连续EEG样本的ICA滤波器的设计和优化新思路,并建立了相应的ICA-BCI离线测试系统。在此基础上,研究了ICA滤波器的性能与其设计样本之间的关系,比较了ICA-BCI和CSP-BCI对三类运动想象的识别和分类效果。实验结果表明,针对具有相同长度和采集质量的不同时段EEG样本,均可设计出性能基本一致的ICA滤波器。在对不同EEG数据集的组内和组间交叉测试实验中,作者建立的ICA-BCI系统表现出了比CSP-BCI系统更好的稳定性。综上,ICA在BCI系统实现中具有独特的优势和应用潜力。文中所得结论对实用ICA-BCI系统的建立具有一定的参考价值。     

基于多特征融合的多分类运动想象脑电信号识别研究

针对目前多分类运动想象脑电识别存在特征提取单一、分类准确率低等问题,提出一种多特征融合的四分类运动想象脑电识别方法来提高识别率。对预处理后的脑电信号分别使用希尔伯特-黄变换、一对多共空间模式、近似熵、模糊熵、样本熵提取结合时频—空域—非线性动力学的初始特征向量,用主成分分析降维,最后使用粒子群优化支持向量机分类。该算法通过对国际标准数据集BCI2005 Data set IIIa中的k3b受试者数据经MATLAB仿真处理后获得93.30%的识别率,均高于单一特征和其它组合特征下的识别率。分别对四名实验者实验采集运动想象脑电数据,使用本研究提出的方法处理获得了72.96%的平均识别率。结果表明多特征融合的特征提取方法能更好的表征运动想象脑电信号,使用粒子群支持向量机可取得较高的识别准确率,为人脑的认知活动提供了一种新的识别方法。     

鸽子在动物机器人领域的研究进展

鸽子具有集群和归巢习性,善于远途负重与持续飞行,导航和空间认知能力卓越,近年来被广泛应用于动物机器人研究。鸽子机器人通过对鸽子脑内特定的神经靶点施加神经信息干预以实现运动行为控制。本文根据鸽脑内的分层多级神经调控靶点分布,分别对基于感觉系统、动机和情绪系统或皮层以及中脑运动区的鸽子机器人研究进展进行分类综述,以期为进一步利用鸽子机器人开展空间感知、侦察勘测和反恐搜救等应用研究提供参考和指导。     

基于表面的形态学分析在音乐家大脑结构磁共振成像中的应用

研究训练导致的脑可塑性变化对于理解人类大脑的功能是极其重要的,而音乐家的大脑是研究此类问题的一个理想模型。文章通过对性别年龄相匹配的16位音乐家和16位非音乐家大脑的结构磁共振成像进行基于皮层表面的脑形态学分析,统计对比了大脑皮层的一阶及二阶形态特征。结果显示:音乐家在枕上回、颞上沟、顶下小叶及中央旁小叶区域具有更大的皮层表面积;在胼胝体附近皮层展示出更高的平均皮层厚度;在枕叶、颞叶、额叶及顶叶中与视觉、躯体运动、情绪、运动控制、听觉及躯体感觉等功能相关的若干脑区,展示出更高的皮层形态复杂度。长期的音乐训练可能会使得音乐家大脑在基本的感知和运动系统,以及情绪相关脑区,具有更显著的皮层形态特征改善。这些结果为我们更好地理解音乐训练相关的大脑结构可塑性增添了新的证据。