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《国防科学技术大学》 2006年
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脑功能磁共振数据时空分析方法研究

颜莉蓉  
【摘要】: 应用脑成像技术分析脑的结构与功能特性是认知科学中的重要研究内容。论文以解析脑功能的时空组织机制为目的,以单手对指运动实验功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)数据集为主要研究对象,以数据分析方法为研究重点,研究了从神经元活动到激活的功能区域,最后到全脑范围的大规模功能网络的时空特点。 血液动力学响应及在此基础上的血氧水平依赖性(blood oxygenation level-dependence, BOLD)是功能磁共振成像的生理基础。论文从组块设计的fMRI数据入手,提出了一种新的贯序的数据驱动方法,依次分析任务段的图像信息,并且通过非线性最小二乘方法拟合激活区的血液动力学响应函数,拓展了组块设计fMRI数据在血液动力学响应研究中的应用;通过分析运动实验fMRI数据集,验证了对侧感觉运动区、同侧小脑和辅助运动区等激活区的空间扩散及其血液动力学响应的时间差异。研究表明血液动力学响应有明显的时空扩散特性。 从脑功能组织的功能分离原则出发,提出了以统计参数映射(Statistical Parametric Mapping, SPM)和独立成分分析(independent component analysis, ICA)为基础的SPM-ICA联合激活区检测方法。联合方法利用时间独立成分分析(temporal ICA, tICA)分解fMRI数据,独立成分的个数由贝叶斯信息法则(Bayesian information criterion, BIC)确定,用得到的独立成分确定SPM中一般线性模型(general linear model, GLM)的设计矩阵,估计参数并通过统计推断找到具有特异性的激活区域。SPM-ICA联合方法比传统SPM方法所需先验知识要少,同时也克服了ICA缺乏统计推断和激活区局部特异性分析能力的缺点。应用BIC确定独立成分个数,与后验的试错法相比,是先验的无需监督的方法。蒙特卡罗仿真实验和受试者操作特征(receiver operating characteristic, ROC)曲线的分析结果表明SPM-ICA联合方法有更高的检验功效和更好的综合性能。应用SPM-ICA联合方法分析运动实验fMRI数据,不仅检测出了传统意义上的持续任务相关激活区,还发现了暂态任务相关激活区,主要包括后顶叶和额叶等区域。论文拓展了暂态任务相关成分的定义,加深了对运动功能及相关脑区的认识。 从脑功能组织的功能整合原则出发,以一般线性模型功能连接分析方法为基础,提出了有上下文的功能连接分析方法(contextual functional connectivity analysis, CFCA)和贝叶斯功能连接分析方法(Bayesian functional connectivity analysis, BFCA )。CFCA结合一般线性模型和条件内区域间协方差分析方法(within-condition interregional covariance analysis, WICA),在模型中区分不同试验和不同任务下脑的状态,可以检验不同状态下区域间的功能连接强度及其变化。用这种方法分析运动实验fMRI数据中四种状态(左手运动与基线控制、右手运动与基线控制)下各感兴趣区域对的功能连接强度和有上下文的功能连接关系,分离出了顶叶联合感觉皮层与同侧BA(Brodmann Area)6区之间以及小脑和对侧BA6区之间的功能连接模式。BFCA利用贝叶斯理论估计两个区域之间功能连接的强度并评估其显著性,既能够明确的评估两个区域之间存在有功能连接关系的确定性,同时用被试内的方差反映各被试特异性,能够有效削弱离群点对功能连接强度估计的影响,具有更高的鲁棒性。 论文研究了精神分裂症病人脑结构特性,探讨了大脑运动功能的非对称性。应用体素形态学方法(voxel-based morphometry,VBM)分析精神分裂症病人的脑结构图像,发现精神分裂症组相对正常组被试在右侧前扣带回、右上颞叶和额叶有明显的灰质浓度降低。借鉴体素形态学方法,论文提出了一种新的基于体素的功能非对称性多阶段分析方法,给出了直接和间接的“任务间功能非对称性”的概念,能够自动的检测和评估各种层次的功能非对称性。应用这种方法分析运动实验fMRI数据,发现在基底神经节的苍白球和屏状核中存在有显著的任务间功能非对称性,证明了基底神经节在运动功能执行与调节中所发挥的重要作用。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:R318

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【引证文献】
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1 翁晓光;静息态脑功能磁共振数据分析方法及在弱视神经机制中的应用研究[D];南京航空航天大学;2010年
2 相洁;启发式问题解决认知神经机制及fMRI数据分析方法研究[D];太原理工大学;2010年
3 李贞晶;基于脑功能区fMRI分析的针刺效应研究[D];黑龙江中医药大学;2012年
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2 王小军;基于结构方程的脑卒中运动功能神经机制建模研究[D];华中科技大学;2011年
3 刘美洁;脑磁共振成像数据的多类模式分析[D];国防科学技术大学;2011年
4 李繁;脑功能网络的成组独立成分分析[D];国防科学技术大学;2009年
【共引文献】
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1 王海洋;王江;李红利;魏熙乐;邓斌;;针刺过程中大脑功能性网络特性的演化[J];吉林大学学报(理学版);2012年01期
2 郝冬梅,阮晓钢;大脑皮层网络连接的计算机仿真[J];计算机仿真;2005年01期
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6 高强;关敏;奚颖;魏清川;何成奇;;个体化桥式运动强化训练对脑卒中偏瘫患者的影响[J];中国康复医学杂志;2008年09期
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3 刘晓玲;新联结主义:二语习得的认知视角[D];青岛科技大学;2009年
4 袁媛;音乐速度感知的脑电研究[D];电子科技大学;2009年
5 何琪;基于线性变换的功能磁共振数据分析方法应用研究[D];山东大学;2010年
6 李繁;脑功能网络的成组独立成分分析[D];国防科学技术大学;2009年
【同被引文献】
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3 刘蕊洁;张金波;刘锐;;模糊c均值聚类算法[J];重庆工学院学报(自然科学版);2008年02期
4 张小将,刘昌;汉诺塔问题解决的认知过程及特点分析[J];心理与行为研究;2005年01期
5 汪小帆;刘亚冰;;复杂网络中的社团结构算法综述[J];电子科技大学学报;2009年05期
6 高晴;陈华富;;基于动态因果模型的运动执行和运动想象脑网络研究[J];电子科技大学学报;2010年03期
7 刘晓华;;中学生运用手持技术解决化学定量问题的实验研究(下)[J];化学教育;2006年06期
8 耿左军 ,张云亭;语言的功能性磁共振成像研究进展[J];国外医学(临床放射学分册);2005年05期
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6 曾翎;功能磁共振成像数据处理方法与应用研究[D];电子科技大学;2008年
7 柯铭;基于功能磁共振成像的脑功能网络模式研究与应用[D];兰州理工大学;2009年
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2 袁宏;fMRI数据分析方法研究[D];电子科技大学;2005年
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4 周炳;早发性精神分裂症在静息状态下的功能磁共振研究[D];中南大学;2007年
5 杨勤;运动想象的脑功能分析[D];电子科技大学;2009年
6 李繁;脑功能网络的成组独立成分分析[D];国防科学技术大学;2009年
【二级引证文献】
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2 郭小明;崔建明;;改进的遗传算法对fMRI数据分析的优化研究[J];科技致富向导;2012年09期
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3 刘美洁;脑磁共振成像数据的多类模式分析[D];国防科学技术大学;2011年
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2 记者 周廷军;加快城区建设 做好功能整合[N];海峡时报;2003年
3 田学科;科学家为抗生素设计出新“武器”[N];科技日报;2006年
4 本报记者 杨木喜;功能整合引导办公软件发展新方向[N];通信信息报;2004年
5 记者 徐景明通讯员 王学来 鲁国宏;交通部发文确认厦门港一体化管理[N];厦门日报;2007年
6 本报记者 兰军;消费品研发向多功能整合倾斜[N];消费日报;2008年
7 中国消费者报 胡军;多功能整合为大势所趋[N];中国消费者报;2005年
8 本报记者  曹增光;厂商齐呼吁:让MP4改名换姓[N];中国经济时报;2006年
9 ;MP4市场:乱了一池春水[N];民营经济报;2006年
10 薛晓星;功能整合势在必行[N];国际商报;2005年
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4 曾翎;功能磁共振成像数据处理方法与应用研究[D];电子科技大学;2008年
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