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经颅电刺激对运动脑电信号特征影响的研究

孟献龙  
【摘要】:经颅直流电刺激是一种在头皮特定部位施加微弱、恒定电流的非侵入式神经调控技术。通过直接对相关功能脑区的刺激,改变皮层兴奋性和神经元细胞活性,引发神经调节机制的可塑性改变。因近年来不断被证实可以提高大脑工作记忆及学习能力,改善癫痫、抑郁、脑卒中、失语症等临床疾病,受到学术界和医学临床研究的高度关注。脑功能区域中的辅助运动区由于参与语言及运动的启动、计划和执行,且与主运动区皮层的紧密相关性,已经成为经颅直流电刺激等外部干预方式增强运动能力的最新研究对象。运动想象是指在大脑中想象某一动作完成的过程,但无实际动作。对于某一动作进行反复想象可以激活这个动作在大脑中的特定区域,增强工作记忆,因此运动想象已经成为促进运动功能障碍康复的一种新兴疗法。本文在现有经颅直流电刺激研究的基础上,增加刺激辅助运动区,提出四种刺激范式,并结合运动想象设计五种运动想象任务。构建刺激前和四种经颅直流电刺激范式状态下五种运动想象任务的脑功能网络,从多个方面分析研究经颅直流电刺激对运动脑功能网络及其特征的影响。本文的主要内容和创新点如下:(1)在深入分析经颅直流电刺激生理机制及其后效应的基础上,提出刺激辅助运动区的研究方案,设计了单独刺激主运动区或辅助运动区、同时刺激主运动区和辅助运动区的四种经颅直流电刺激对比实验范式,进行静息、左手运动想象、右手运动想象、左脚运动想象以及右脚运动想象等五种运动想象任务,开展经颅直流电刺激对运动脑电信号的影响研究。(2)提出从同步性、功能连接、网络拓扑结构和网络全局属性四个方面分析经颅直流电刺激对运动脑功能网络及其特征的影响。通过多通道EEG信号间的关联特性分析构建不同状态下关联特性矩阵,优化关联矩阵阈值,将关联特性矩阵转化为二值矩阵,生成刺激前和四种经颅直流电刺激范式下的五种运动想象任务脑功能网络。以功能脑区为节点采集EEG信号,通道间的关联特性对应脑功能网络节点间的关联特性,即脑区间的同步特性,根据关联特性矩阵对脑功能网络中各个脑区间的同步性进行分析。根据二值矩阵绘制脑功能网络对应的网络拓扑结构图,对刺激前和四种经颅直流电刺激范式下的五种运动想象任务进行脑功能网络拓扑结构图连接边数和网络密集程度特征比较,分析经颅直流电刺激对脑功能网络的影响。(3)通过运动想象识别实验,对比了经颅直流电刺激前后的运动想象识别结果,得出经颅直流电刺激可以明显提高运动想象识别率的结论。选择脑功能网络节点的度、聚类系数、特征路径长度以及全局效率等四种特征进行组合得到多维特征,对刺激前和刺激后的左手运动想象、右手运动想象和右脚运动想象三种运动想象任务开展特征的分类识别,运用极限学习机分类方法,得出经颅直流电刺激对脑功能网络特征的影响结果。


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