短时心率变异信号非线性程度的研究

用非线性自回归(nonlinear autoregressive, NAR)模型对一组健康人的短时心跳间期信号进行建模, 用模型最佳阶数来评价心率变异信号(heart rate variability, HRV)的非线性程度. 认为该方法可以有效地从短时心跳信号中提取出非线性信息, 从而反映心率变异性的强弱, 给临床应用提供了方便. 并与传统评价短时心率变异性强弱的时域方法进行了比较, 认为NAR模型的方法更能反映信号的整体复杂性并且不受信号非平稳性以及噪声的影响.     

心脏电活动过程的非线性分析

非线性科学是国内外科学研究中的热点, 其研究涉及确定性和随机性、有序和无序、简单性和复杂性等范畴和概念上的认识与深化, 对于整个自然科学, 包括生命科学的发展都有着重大的影响. 生命体是自然界中最复杂的非线性系统之一. 非线性系统的一种极为重要的运动形态就是混沌, 它研究的是自然界非线性过程内在随机性所具有的特殊规律性. 而与混沌密切相关的分形是指一类极其零碎而复杂、但有其自相似性或自仿射性的体系, 混沌中的混沌吸引子就存在着无穷嵌套的自相似几何结构. 近20多年来, 国内外研究人员对生命循环系统的核心部分——心脏电活动的非线性特性做了深入的研究. 除了用关联维数、李雅普诺夫指数和柯氏熵等对心电信号(HRV, ECG)进行分析, 以及用多重分形谱面积特性参数对ECG信号进行分析并取得重要的进展外, 最近在短时HRV和高频心电信号数据的非线性参数的探索上也得到了满意的结果, 在临床观察疗效和早期诊断等方面具有广泛而重要的应用价值. 本文评述了心电信号非线性特性分析的现状和进展, 指出了以某些适用于短数据的非线性敏感特征量及其估计算法, 用于生理系统的动态过程和临床有效性研究是今后值得关注的研究方向.     

复杂生理信号的多重分形质量指数谱分析

生理信号属于非稳态的时变信号. 因此, 非线性分析方法能更好地揭示其特性与机理. 已有研究表明, 由复杂自调节系统产生的生理信号具有分形结构. 提出一种新的多重分形复杂度检测方法——质量指数谱分析, 着重刻画谱曲线的整体弯曲程度, 揭示分形结构复杂性. 方法描述了该谱曲线上所有相邻点对应分形维数差异的非线性叠加, 解决原有参数无法充分反映信号分形结构全部子集信息的不足. 用确定性分形系统Cantor集进行检验, 完全可以区分不同复杂程度的混沌序列, 并不受信号非平稳性及噪声干扰影响. 通过对人体心率变异性(HRV)信号和睡眠脑电(sleep EEG)信号统计分析, 可有效判别处于不同生理和病理状态的人群, 在运算速度和准确性上均比传统参数有一定提高. 该研究能够为临床应用提供有价值的信息.     

短时心率变异性信号的基本尺度熵分析

心率变异性信号的复杂性能够反映出心脏的生理功能和健康状态, 从短时的心率变异性信号中探测到复杂性特征具有重要的现实意义. 提出一种基本尺度熵方法来探讨时间序列的复杂性. 该方法对于低维的混沌序列logistic映射, 其基本尺度熵的计算结果与Lyapunov指数的计算结果非常相似, 并且叠加上随机Gauss噪声依然显示方法的有效性. 通过用低维的3个非线性确定性混沌系统检验, 表明该方法有效. 我们把它应用到短时心率变异性信号, 该方法能够很有效的区分出不同的生理、病理信号, 由于方法简单、运算快速、有一定的抗干扰能力使其能够为实际的应用提供方便.     

基于贝叶斯估计的神经信息流

判断神经网络之间的相互影响是一个重要的神经科学问题. 目前已提出了多种成熟的方法计算神经网络之间的耦合强度, 但是对于神经网络之间耦合方向(信息流)的研究还属于起步阶段. 一般的香农熵计算方法仅仅利用了样本重复概率的统计信息, 而贝叶斯估计则充分利用了整体先验知识和样本重复概率. 基于最小平方误差的贝叶斯估计提出了一种新的基于信息论的相位耦合方向指数计算方法. 经过集总参数神经网络模型所产生的仿真信号检验表明, 提出的方法能够准确地判断两个系统间的耦合方向, 并且减少了对数据长度的依赖性, 使分析短时高噪的复杂生物信号成为可能. 应用该新方法分析了癫痫病人临床信号, 结果表明该方法能判断出癫痫发作时各区域之间的影响方向, 并揭示了癫痫传播机制.     

心肌跨膜离子流计算机分析系统

双微电极电压钳制术是研究心肌跨膜离子流的一个新技术,它可从离子流水平对心肌的生理、病理以及有关药物进行分析研究,这对于心血管系统疾病的防治具有十分重要的意义。本文研制的计算机分析系统能对电压钳实验进行信号检测、联机采样和数据分析,研究心肌细胞中慢内向离子流i_(si)的活动规律和离子通道的动力学过程。方法:1.实验装置分析系统主要由PC微机、DSS6521数字存贮示波器、双微电极电压装置和接口电路组成。计算机通过接口电路控制示波路,同时采集从电压钳装置输出的跨     

模式熵与高频心电图信号不规则性的动态分析

通过对近似熵的分析、修正, 提出了新的算法——模式熵的概念, 使得不规则性分析能适用于短时大幅缓慢变化信号的时间序列中. 然后将模式熵用于心肌梗死动物模型(Myocardial infraction, MI) 中高频心电信号(High Frequency Electrocardiogram, HFECG)不规则性动态分析. 结果表明, 急性心肌缺血时HFECG的模式熵有着显著的动态变化. 因此, 模式熵在心脏疾病的早期诊断中显示出潜在的应用价值.     

面向脑电数据的知识建模和情感识别

心理科学研究依赖于对生理、心理数据的分析,情感是心理研究的重要内容.近年来随着认知神经科学研究技术的成熟,研究者利用脑电(electroencephalogram,EEG)等可以反映脑功能活动的生理信号,直接研究情感问题,如情感识别、情绪脑等.但是,生理信号将会产生TB级甚至PB级的数据量,认知研究和临床神经科学在过去几十年中已产生大量生理数据,对这些大数据的表示和情感知识挖掘需要更高级的工具.构建能够表示数据含义和情感相关知识的模型,能够给心理研究者提供一个知识共享平台,以便使用这些大数据进行情感方面的科学研究.本文构建一个可以表示EEG数据语义和被试者上下文信息的本体模型,并基于该模型使用推理引擎进行基于EEG生理信号数据的自动情感识别.实验结果表明,模型在e NTERFACE 2006数据集上能够以99.11%的平均准确率识别被试者的情感状态,并从实验结果分析发现基于EEG数据情感识别最关键的特征是Beta波与Theta波的绝对功率比.     

核态池沸腾传热现象中的重力标度规律

沸腾过程极强的热传递能力使其在地面常重力环境和空间微重力环境都有着广泛应用.重力是影响沸腾传热性能的重要因素,关于重力影响规律的研究对相关空间应用具有重要意义.本文回顾了有关核态池沸腾传热重力标度规律的研究现状和进展,特别对基于地基短时失重飞机准稳态沸腾实验结果提出的Raj-Kim-McQuillen重力标度律模型(RKM模型)进行了详细评述,讨论了其中关于核态池沸腾曲线起、止端点(沸腾起始点和临界热流点)及其渐近性能的基本假设和隐含假设.通过与经验知识(包括实验观测数据和数值模拟结果)比较,明确了RKM模型的贡献与不足,建议了进一步的低重力实验和深入系统的数值模拟等,以推进该领域研究深入开展.     

基于NADH荧光的组织病理生理状态多参数在体监测与评价

组织病理生理状态的实时多参数评价, 无论在动物实验研究还是临床应用中均具有重要价值, 一直是生命科学与医学研究者们广泛关注的热点. 众所周知, 临床手术过程或重症监护病房中, 患者病理生理状态的实时监测是十分必需的. 心、脑等重要组织脏器是否处于缺血缺氧等危急状态直接关系到病人的存活与否; 早期发现术中和术后次要脏器的微循环障碍有助于提高器官移植等手术的成功率和降低术后并发症的发生率. 临床常规使用的监测指标, 如血压、心电、脉搏等, 在生命指征的实时评价中发挥了重要作用. 然而, 目前的常规指标尚不足以从分子水平反映局部组织病理生理状态的早期改变. NADH是细胞线粒体中氧化还原呼吸链上的内源性关键分子, 具有自发荧光性质, 可作为一项灵敏的内源性含氧状态指标来反映机体的代谢状态和细胞活力. 本文介绍了基于NADH自发荧光信号的细胞氧化还原状态在体监测方法, 从分子水平预警机体的活力情况, 结合微循环血流、血氧饱和度等多种生理参数的同步并行监测, 不仅可在活体动物体内进行疾病的病理生理学机制研究和新药的药效评价, 还有望应用于临床外科手术和重症监护病房, 为机体活力和生命指征的实时监护提供分子水平的动态信息. 目前, NADH荧光一维信号的获取技术发展最为成熟, 可实现从离体、活细胞、活体动物乃至临床水平的实时动态监测, 已处于临床推广应用阶段. 二维动态成像也已经发展到活体动物实验阶段. 三维成像由于受制于NADH荧光的穿透能力, 只能在冷冻组织切片上实现. 如何突破因高散射所致的荧光穿透能力受限的瓶颈, 最大限度地减少环境因素对荧光信号的干扰, 在分子水平实现组织病理生理状态的实时多参数评价, 是生物医学光子学领域面临的巨大挑战.     

单面弹性固体层负载的板中SH波的时频分析

利用时频分析方法分析一侧附有弹性固体负载层的各向同性板中水平剪切波(SH波)的传播特性. 为验证该方法的有效性, 采用基于短时傅立叶变换的时频重排方法对有限元仿真出来的SH波信号进行了分析. 提取出来的频散数据与频散方程分析的结果相符. 结果表明, 负载层厚度的增加会引起SH0模式群速度和高阶模式截止频率的降低, 从而可应用于负载层特性的传感. 文中也讨论了该方法的局限性.     

基于心理生理学视角的共情研究:方法与特点

共情使个体能够理解并分享他人的感受,对人际交往有重要意义.近年来,基于量表、行为范式、生理信号等多个层面的共情研究方法有了长足进展,为研究不同维度的共情(如情绪共情、认知共情)的机制提供了多方面的信息.然而,由于"共情"缺乏统一定义,研究者根据各自理解开发了多样化的研究方法,这阻碍了对现有共情研究结果的比较和整合.本文基于情绪共情和认知共情两个维度对量表、行为范式、生理信号3个层面的常用共情研究方法进行了分类总结.首先,本文围绕共情概念、测量维度等方面简要介绍若干影响力较大的共情量表,如情绪倾向量表、霍根共情量表、人际反应指针量表等.其次,本文总结并比较针对不同共情维度的常用实验材料及行为范式的特点.再次,本文系统介绍如何在共情研究中利用面部肌电、脑电、脑磁和磁共振成像等方法提取共情相关的生理信号并分析其特点.最后,本文综合对比不同层面共情研究方法的特点,并建议研究人员根据研究需要谨慎选择研究方法.此外,针对当前共情研究存在的可比性问题和生态效度问题,建议对不同研究结果进行比较和整合时特别注意共情概念是否一致;未来研究需开发更具生态效度的行为范式,重点探究共情的动态加工过程.     

心脏收缩时间间期,心输出量及其相关性

心脏收缩时间间期(STl)、心输出量是评定心脏射血功能的重要指标.其非损伤性测定在临床心功能研究和心脏疾病的诊断中具有重要价值.本文用RM-6000型多道生理记录仪(日本电光)非损伤地同步快速描绘了本学院33名正常大学生呼气末的心电图、心音图、颈动脉脉搏图和心阻抗血流微分图约8~10个心动周期,纸速为50mm/s,分别测定了他们的(1)电—机械收缩期:即Q-S_2(从心电图QRS复合波起点到心音图第二心音主动脉瓣高频高幅成分的起始时     

疼痛相关高频振荡信号:进展与展望

慢性疼痛不仅丧失了急性疼痛所具有的警示作用,还严重危害患者的身心健康,大幅增加家庭和社会的医疗成本.慢性疼痛的有效治疗依赖于对疼痛的准确评估.然而,临床诊断中仍缺乏疼痛的客观评估方法,大大增加了疼痛管理和镇痛效果评估的难度.最近一系列电生理研究发现,疼痛诱发的γ频带高频振荡信号和疼痛有密切关联,能在一定程度上表征疼痛强度,具体表现为:(1)在短时疼痛情境下,初级躯体感觉皮层γ振荡可特异性地编码疼痛的主观强度和疼痛敏感性的个体差异,并能反映心理因素对疼痛的调节作用.(2)在长时疼痛情境下,前额叶γ振荡与主观疼痛评分显著相关.(3)在慢性疼痛情境下,前额区域γ振荡能反映不同类型慢性疼痛患者的自发疼痛强度.然而,目前研究仍存在γ振荡信噪比低、与其他神经振荡关系不明、产生机制复杂以及与疼痛的因果证据不足等问题.未来研究有必要采用更加敏感和标准化的分析方法,整合跨物种研究、神经调节等技术,以系统、全面地阐明γ振荡在疼痛信息处理中的作用机制,进而促进疼痛评估标准的客观化,帮助改善疼痛管理现状.     

利用雷暴闪电事件监测电离层D层日间波动

电离层D层探测一直是空间科学领域的难题.目前利用闪电为辐射源来探测D层是近年来国外学者研究的热点.从2011年开始,课题组自行组建了江淮流域6站同步闪电观测站网.基于该站网,本文实现了一种使用负地闪回击甚低频(VLF)辐射信号来探测电离层D层特性波动的方法.给出的一次雷暴过程中计算D层反射高度变化的个例分析结果验证了方法的有效性,同时结果显示:(1)日间电离层D层对负地闪回击VLF信号的等效反射高度基本介于60~75 km,总体上表现出与太阳天顶角一致的变化趋势;(2)D层等效反射高度的短时波动与太阳X射线爆发之间存在显著的负相关关系;(3)比对当地水平面上X射线辐射通量密度的变化曲线与D层反射高度曲线,显示后者相对前者存在3~4min的时间延迟.结果初步展现了具有事件定位和连续波形记录能力的闪电观测站网在电离层D层探测方面的巨大潜力.     

维生素C在脑病理损伤模型中变化规律的研究进展

维生素C是生命体内不可或缺的水溶性维生素,因其具有防治坏血病的作用,故又被称为抗坏血酸(ascorbic acid, AA).在脑神经系统中, AA是重要的小分子化学物质之一,其作为抗氧化剂和神经调质,在脑神经生理与病理过程中发挥着重要的作用.尽管人们在很早即开展了AA脑神经生理和病理作用的探索,但是其神经化学机制,尤其是在脑损伤过程的变化规律,仍需进一步研究.在生理溶液中, AA易被化学氧化,故不稳定.这一特点也决定了传统分析化学方法难以实现脑内AA的准确测定.这一检测方法的困难极大限制了AA神经化学机制的研究.因此,建立和发展具有时空分辨、高灵敏、高选择的分析化学原理和方法,实现活体层次AA的传感分析,无疑会大大推动AA神经化学机制的研究.针对AA活体分析中存在的挑战,利用电化学原理,本课题组已经发展了基于微透析技术的活体在线电化学方法和活体原位电化学传感方法等,实现了一些生理病理过程中AA变化规律的研究.本文将主要围绕本课题组近些年来在这一方面的研究展开综述.     

基于平面晶体管型器件的突触可塑性模拟

在数据信息膨胀的大背景下,传统的冯诺依曼体系结构的计算机早已无法满足灵活处理和存储大量信息的需求.与之相比,大脑高度并行的非线性信息处理能力展现出了明显的优势.突触是大脑神经元之间信息交换的连接渠道,突触可塑性是生物学习和记忆的分子基础,为了模拟大脑,必须研究出具有生物突触功能的物理器件,从而实现能够在功能上模拟类脑行为的神经形态电路.研究表明,对于场效应晶体管,把具有可调忆阻特性的场效应晶体管的传导沟道和栅极作为信号传输和调节模块,可以分别对应于生物突触中的离子传导和神经递质释放的过程;对于电子型晶体管,可以利用电操作模式中的OFF(ON)状态的弛豫倾向来模拟生物兴奋(抑制)过程,因而在晶体管中可以实现对突触功能的模拟.本文总结了近年来研究人员用平面晶体管结构的突触器件模拟的突触可塑性功能,包括:短时程突触可塑性(包含双脉冲易化和双脉冲抑制,动态过滤(高通滤波/低通滤波),处理时空关联的脉冲,适应等)、长时程突触可塑性、短时程向长时程的转变、放电时间依赖可塑性、分流抑制等,详细说明了这些功能的特点及模拟方法并对其未来发展进行了展望.     

SPR细胞传感器对PMA诱导的C6活细胞内分子事件的动态无创性监测

从分子和细胞水平探讨机体对外界刺激的反应机理, 对从微观水平研究活细胞内分子活动的过程、规律及特点以及开展细胞分子生物学研究具有重要意义. 本研究针对动态监测和研究活细胞内分子事件的需求, 以表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)技术为核心, 设计研制了能够用于细胞培养和动态细胞学效应监测的SPR细胞传感器装置. 利用该装置, 实时研究了佛波酯作用于C6细胞所诱发的特征性SPR信号. 该信号同PMA作用于无细胞的空白传感器明显不同, 呈现规律性变化, 具有PMA剂量依赖性和饱和性特点, 且能够被PKC抑制剂减弱甚至完全抑制. 这说明该信号源于PKC活化等细胞内反应所导致的生物分子在细胞膜部位的重新分布. SPR细胞传感器技术为动态、无创性研究活细胞内分子事件发生的时空特点及规律提供了新的量化分析方法与思路. 该技术还可用于空间细胞学效应研究、配体垂钓、药物筛选及生物战剂监测等基础研究和应用研究.     

微丝重组对DG-PKC信号通路的作用

磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP_2)降解形成细胞内第二信使——三磷酸肌醇(IP_3)和双酰甘油(DG),IP_3激发胞内钙库释放Ca~2 [1],DG激活蛋白激酶C(PKC)~[2],引起一系列靶蛋白磷酸化级联反应,作为细胞内对外界信号的应答反应,调节细胞各种生理活动.我们发现G_0期C_3H_(10)T1/2/小鼠成纤维细胞经细胞松弛素B(CB)处理,促微丝(MF)解聚,可显著刺激PKC活性,显示了MF组装的改变,可能对某些信号通路具有影响.为了弄清其关系,本文就MF重组对磷脂代谢,特别是对DG-PKC信号通路的作用进行了初步研究.     

觉传导机理及仿生嗅觉传感器的研究进展

嗅觉对所有动物而言都是一种极其重要的生理感觉. 近年来, 人们对嗅觉传导机理的研究取得了很大进展, 尤其是嗅觉受体基因超家族的突破性发现推动了国际上嗅觉研究的快速发展. 随着嗅觉传导机理研究的不断深入, 加上仿生嗅觉传感器具有潜在的商业价值和工业应用前景, 对仿生嗅觉传感器的研究也取得了很大进展. 同时, 该研究对于嗅觉传导机理的研究也具有重要的促进作用. 本文综合评述了近年来国际上嗅觉传导机理和仿生嗅觉传感器研究的最新进展. 从嗅觉信号传导的神经通路、嗅神经元对气味分子信号的转导机制、嗅球对嗅觉信号的编码和处理、嗅皮层对嗅觉信号的感知以及仿生嗅觉传感器进行了综述. 最后也介绍了我们在仿生嗅觉传感器方面的研究进展.