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面向认知功能的脑效应网络方法及应用研究

董群喜  
【摘要】:认知是通过形成概念、知觉、判断或想象等心理活动来获取或应用知识的过程,它是人类最基本的心理过程,也是人类感知内在和外在世界的途径,因此掌握认知的机制对人类文明的发展有重要意义。众所周知,大脑是认知功能的载体,它是一个复杂且快速运转的神经网络,其组织和运行遵循两个基本原则:功能分离和功能整合。功能分离是指整个脑神经网络可以划分为若干个具有基本功能的脑区,而功能整合是指脑区之间相互协调、相互影响,共同完成具体的认知功能。脑效应网络是基于脑区之间的因果关系建立的模型,它反映了认知过程中脑区之间的信息传递关系,因此面向认知功能的脑效应网络成为认知计算研究的新热点。目前脑效应网络方法主要用于个体层次的脑认知机制的研究,而面向认知功能的脑机制研究的终极目标是从个性化的脑认知活动中揭示人类大脑的共性认知机制,要实现这一目标,有两个关键问题亟待解决:(1)如何从个性化的脑活动信息中识别出共性脑区;(2)如何从个体性的脑效应连接分析总结出共性脑效应连接。本文围绕这两个关键问题展开,提出了改进的脑效应网络方法,它包含了共性脑区分析方法和共性脑效应连接分析方法,并在视觉认知和海洛因成瘾的共性脑机制上开展了应用研究,揭示了视觉冲突性认知和一致性认知的脑效应网络的差异性,揭示了海洛因成瘾引发的异常脑效应网络。本文主要贡献及创新有以下四点:1.提出了一种共性脑区分析方法——空间-时间聚类统计检验(Spatiotemporal clustering statistical test,STCST)分析方法。目前面向认知功能的脑区分析方法需要人为设置脑活动的相关阈值,准确性和智能化不足,多用于个体性的脑区分析。本研究提出的STCST方法集成了t检验、聚类算法和标准脑区划分理论,它首先标准化了个体性的脑空间和时间信息,其次采用t检验分析出认知过程相关的共性脑空间和时间信息,最后采用聚类算法分析出认知过程相关的共性脑区。基于听觉认知的实验数据分析结果表明,相较于现有方法,本文提出的STCST方法分析出的脑区更接近听觉认知理论。2.提出了一种基于二项测试(Binominal Test,BT)的共性脑效应连接分析方法。现有的面向认知功能的脑效应连接分析方法主要针对个体的脑效应连接进行分析,然后通过观察个体性效应连接,总结出共性的脑效应连接。不足之处在于:当个体样本增加时,这一分析过程耗时且结论缺乏统计依据。本文提出的基于BT的共性脑效应连接分析方法通过统计脑区之间效应连接在所有个体中的显著性来定义共性效应连接,这一过程完全由BT统计算法完成,减少了共性脑效应网络结果的主观性。基于听觉认知的实验数据分析结果表明,改进的共性脑效应连接分析方法揭示了听觉认知过程中具有显著性(p0.01)的共性脑效应连接。3.首次基于MEG脑源信号构建了不同频段视觉冲突性认知和一致性认知的共性脑效应网络。通过对比分析两种认知任务的共性脑效应网络,本研究发现视觉冲突性认知涉及的脑区更多、网络复杂度更高,进而从脑认知机制的角度反映了为何视觉冲突性认知任务的反应时间更长,出错率更高。4.首次基于EEG脑源信号构建了不同频段的海洛因成瘾人群和正常人群的共性脑效应网络。通过对比分析两类人群的共性脑效应网络,本研究发现成瘾人群脑效应连接强度普遍弱于正常人群,明确有力地解释了成瘾人群精神萎靡的内因。本文围绕面向认知功能的脑效应网络方法研究中的两个关键问题展开研究,提出了改进的脑效应网络方法,该方法主要包括改进的STCST共性脑区分析方法和基于BT改进的共性脑效应连接分析方法。进一步,在应用研究方面,本文基于改进的脑效应网络方法,分别构建了面向视觉认知和海洛因成瘾的共性脑效应网络,从共性脑效应网络的角度解释了相应的认知机制。本文研究工作对面向认知功能脑机制的研究发展有重要参考价值。


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