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基于脑电信号的认知动力学系统研究——线性/非线性方法及动态时—频—空分析

缪晓波  
【摘要】:本文首先提出认知动力学系统(cognitive dynamics system,CDS)新概念,认为对大脑认知功能的研究应基于一种动态的、系统的观点。因为人脑在处理认知任务的时候总是遵循“接受信息(看、听、感觉等)—提取信息(记忆等)—处理信息(运算、决策等)—输出信息(说、写、情绪等)”这一工作环路,而且这一环路不是静止的,而是动态的,演变的,非线性的,混沌的;不同时点、不同脑区、不同频段工作环路的同步、整合等机制构成了整个大脑认知系统。与之相适应的研究手段有功率谱分析,非线性动力学分析,动态时—频—空分析,以及同步分析等方法。鉴于认知动力学系统的复杂性,应从时域、频域和空域进行多角度、多层次、多方法综合分析,方有可能一窥人脑认知活动的神秘和美妙。 针对认知动力学系统,本文设计了两组认知功能实验,一是正常生理情况下的认知功能实验;二是病理情况下的认知功能实验。其中正常生理状态下共记录了8种认知状态下的脑电数据,即安静闭眼、安静睁眼、闭眼心算、数字广度顺背、数字广度逆背、词汇联想、图形推理、定向力测试等。其中安静闭眼作为对比参照状态;安静睁眼作为简单认知任务;闭眼心算、数字广度顺背、数字广度逆背、定向力测试和词汇联想作为中等复杂程度的认知任务;图形推理作为复杂认知任务。在病理实验中,考虑到采集病人脑电数据的临床条件和病人配合程度,只记录了病人安静闭眼、安静睁眼两种状态下的脑电数据,以便实验方法和分析结果能更好地应用于临床。 在功率谱分析中,首先应用FIR带通滤波器进行滤波预处理,应用信号弱平稳准则进行平稳性检测预处理,然后重点讨论了用AR模型的Burg法进行功率谱估计,计算并分析了各种认知状态下的功率谱量化指标。 在非线性动力学分析中,系统地研究了非线性动力学研究的一般方法和步骤。首先设计了一种基于独立分量分析的时空滤波器进行信号滤波预处理,应用信号弱平稳准则进行平稳性检测预处理,应用互信息法和Cao方法进行相空间重构的参数选择预处理。在预处理的基础上,详细讨论了Lyapunov指数、分形维数、近似熵等动力学方法,并分析了各动力学参数在各种认知状态下的特征变化。 在动态时—频—空分析中,首先提出“动态时—频—空分析”新方法并指出其意义,然后详细讨论了基于Gabor变换和小波变换的两种动态时—频—空分析方法及相关参数指标的分析结果,最后提出一种非线性非平稳性前提下的小波混沌分析新方法及其参数指标的时—频—空变异性。 在同步分析中,系统地研究了线性同步方法、基于非线性动力学的同步方法、相同步方法等,重点讨论了各认知状态在线性同步(相关函数)下的特性和规律, 重庆大学博士学位论文 在非线性同步(非线性互依赖性)下的特性和规律,以及在相同步(基于希尔伯 特变换的相同步法)下的特性和规律. 本文的一个理论创新在于首次提出认知动力学系统这一新概念,使得对认知 功能的研究建立在一个理论框架下,其核心内容包括三方面:(l)认知过程通过 EEG脑电活动在时间,频率,空间上的动态演化体现出来;(2)认知过程通过EEG 脑电活动的非线性振动与各种刺激诱发的暂态体现出来;(3)认知过程通过EEG 脑电活动在各脑区的相互祸合与同步谐振体现出来。 另一个创新之处是在非线性动力学研究中,首次设计了一种基于独立分量分 析的时空滤波器进行信号预处理,保证了在宽频带和高维系统前提下的降噪,从 理论上保证了后继非线性动力学参数刻划的可靠性和有效性。 另一个创新之处在于首次提出动态时一频一空分析新方法,从时一频,时一 空,频一空多个角度多个层面的动态演化中寻找规律,探讨正常生理状态和病理 状态下大脑认知功能的变化特性.目前这一研究成果已应用到成都迪康数字医疗 仪器公司的数字化脑电图及数字化脑地形图的产品中。 另一个创新之处是首次发现丫相同步在认知作业下具有与事件相关电位P300 相似的性质,即随着认知任务的复杂程度增加,其在头皮中顶区的反应也随着增 强,表明丫相同步也可能是一种事件相关反应。相比P30。,其优势是信号采集时的 易操作性和可靠性。 本文系统研究了正常生理情况下和病理情况下的多种认知作业任务,对每种 作业任务给出了众多的量化分析指标,这些量化分析无疑会对相关研究和临床应 用具有极大的参考价值。


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