脑白质网络构建方案对拓扑属性个体差异的影响

为了深入研究构建方案对脑网络拓扑属性个体差异的影响,本文利用80名健康成年被试的弥散张量数据,采用2种节点定义方法、4种确定性纤维追踪算法和4种边的权重定义方法来构建脑白质网络.应用图论和层级聚类的分析方法,系统地评价了32种网络构建方案对个体差异的影响.具体研究的拓扑参数包括网络的全局效率、局部效率以及节点效率.结果发现:(1)基于相同分辨率构建的网络趋向于具有相对一致的节点效率的个体差异;(2)纤维追踪算法对全局效率和局部效率的个体差异影响较小,但在相同的节点分辨率下,基于相同的纤维追踪算法所构建的网络其节点效率的个体差异趋向于一致;(3)采用相同边的权重所构建的网络在全局效率和局部效率方面展现出了相对一致的个体差异.综上可见,网络构建方案在反映个体间差异层面的异同依赖于网络属性.以上这些研究结果为跨研究之间的比较分析提供了有价值的方法学参考依据.     

人脑连接组研究:脑结构网络和脑功能网络

人脑是自然界中最复杂的系统之一,在这个系统中,多个神经元、神经元集群或者多个脑区相互连接成庞杂的结构网络,并通过相互作用完成脑的各种功能.近年来,结合基于图论的复杂网络理论,研究者们发现利用结构和扩散磁共振成像数据构建的脑结构网络以及利用脑电图/脑磁图数据和功能磁共振成像数据构建的脑功能网络具有很多重要的拓扑性质,如"小世界"属性、模块化的组织结构以及主要分布在联合皮层上的核心脑区(如楔前叶、额上回、额中回).另一方面,研究者发现许多神经精神疾病(如阿尔兹海默病和精神分裂症等)与脑结构和脑功能网络的异常的拓扑变化有关,这些研究不仅为理解神经精神疾病的病理机制提供了新视角,也可能为疾病的早期诊断和治疗评价提供脑网络影像学标记.本文以人脑结构和功能连接网络的研究为重点,介绍了人脑连接组和复杂网络理论的基本概念,并且回顾了近年来人脑结构和功能连接组的研究成果,并指出了该领域中存在的问题及未来的研究方向.     

不同时间尺度的静息态功能脑网络对抑郁症识别的影响

研究显示,功能连接为特征被用于抑郁症机器识别的研究受到人们关注,但不同时间尺度的静息态功能脑网络能捕获抑郁症神经病理信息的水平尚不明确,对抑郁症识别效果的影响也未知.本研究采用非线性回归方法,建立了不同时间尺度的脑网络对抑郁症识别效果影响的模型,并阐明了典型时间尺度的脑网络所捕获的抑郁症病理信息.研究分析了64例临床抑郁症和53例健康对照被试的数据.首先,建立功能脑网络,获得抑郁组显著的功能连接;其次,将显著连接输入支持向量机训练、测试,获得敏感、特异以及精确度;再次,建模识别效果随时间变化的规律,获得识别效果的模型.初具识别能力的网络时间尺度约为46个重复时间(repetition time,TR),主要捕获后扣带回与眶额叶皮层间,右眶部额中回与左角回间,左回直肌与左海马间强化的功能连接.获得最好识别效果的网络时间尺度约为114个TR,且多捕获了右角回与双侧顶下缘角回、额中回间,左杏仁核与左缘上回、右中央沟盖间弱化的功能连接.随时间的增加,脑网络可能捕获某些与抑郁症不直接相关的连接,使识别效果降低.因此,抑郁症识别效果随静息态功能脑网络时间尺度的增加呈现倒U形趋势.这将为进一步研究抑郁症的神经病理机制和提高其智能识别效果提供参考.     

体外培养神经元网络功能结构的长时间发育变化

神经功能结构的建立和维持是学习与记忆等高级功能的基础. 因神经网络的结构错综复杂, 节点行为多变且受多种因素的影响, 目前其拓扑结构的形成和维持机制尚不清楚. 基于多电极阵列系统, 本研究连续记录了体外长时间培养的海马神经元网络的自发放电活动; 利用不同电极放电序列之间的互相关系数映射功能连接强度, 构建网络拓扑结构图, 分析其发育特性. 对培养1~18周的3个样本的分析结果显示, 网络拓扑结构的形成和维持具有自组织和自解离特性: 网络连接建立期(1~3周), 邻近节点之间建立连接, 形成局域微网络; 随着网络的发育, 逐步形成多节点的复杂功能结构; 发育成熟期(12周后), 功能连接开始消退, 部分节点脱离网络, 网络聚集程度增加. 不同发育时期网络各节点连接强度的分布均符合幂率分布, 表明无外界输入的培养神经元网络是具有无尺度特征的复杂网络. 本研究有助于复杂神经网络结构的形成及维持机制分析, 为研究神经发育和神经系统信息处理机制提供新的视野.     

人脑形态网络及其在脑发育研究中的应用

人脑是一个极其复杂的系统,数以万亿的神经元通过突触构成了庞大的连接网络,如何系统而全面地刻画大脑内部的组织模式一直是神经科学家致力解决的热点问题.随着非侵入神经成像技术的兴起,基于磁共振成像的脑网络研究为揭示人脑的复杂结构提供了新的契机.其中,脑形态网络因其图像易获得、质量稳定和分析方法简单等优势引发了研究者的广泛关注.传统的脑形态网络是利用一组受试者的某种形态学指标构建的被试间协方差网络,只能反映大脑形态的群组特征.个体水平脑形态网络则针对个体大脑刻画脑区间的形态相似性,保留了个体的形态信息.多指标甚至多模态数据的应用,进一步整合多种互补的结构信息,能够综合表征皮层形态的拓扑连接模式.近年来,脑形态网络在探究人类大脑发育进程方面体现了重要价值.研究发现,胎儿时期形态网络从高度模块化的原始状态开始逐渐整合,至出生时已形成小世界拓扑,出生后至童年早期网络变得分离,童年晚期至青春期又逐渐整合,初级网络率先达到成熟而高级网络长期持续发育.这些结论为理解大脑认知功能的形成和发育障碍的起源提供了重要的理论支撑.本文介绍了两种脑形态网络的构建方法和图论模型的基本概念,回顾了脑形态网络在胎儿、婴儿、...     

猫视皮层神经元时间特性与空间特性的关系

视皮层神经元能精确地分析外部图象的时间和空间模式.它的时间调谐特性和空间调谐特性是相对稳定的.这一特点使我们有可能分别地研究视皮层神经元的时间特性和空间特性,并分析两者之间可能存在的关系.1 方法本文的方法细节与文献[2]相同.仅列举要点如下:1.1 动物准备、刺激和记录动物麻醉和麻痹后,将头部固定在立体定位仪上,在对应于17和18区的部位做颅骨钻孔手术.刺激图形采用正弦调制的移动光栅,刺激屏幕中心对准感受野中心,屏幕的视角范围为20×20°.用玻璃绝缘的钨丝微电极记录单个神经细胞放电;放电信号由计算机采集,作成刺激后时间直方图(post-stimulus-time-histogram,PSTH).对各种刺激条件下的PSTH进行Fourier(FFT)分析,计算反应的基频和直流分量的幅度,并根据基频与直流分量之比计算相对调制度(RM),RM大于1的划分为简单细胞;RM小于1的划分为复杂细胞.测定皮层细胞在不同空间频率和不同时间频率下的放电频率,分别作成空间频率调谐曲线和时间频率调谐曲线,并根据曲线的峰值确定每一个被记录细胞的最佳空间频率和最佳时间频率.1.2 整合时间的计算     

声誉损失风险下自我相关性对道德决策的影响:一项ERP研究

脑成像研究发现,风险情境下的道德决策可能与经济决策存在着相似的神经机制.然而,目前还不清楚人们在社会风险情境下完成道德决策时是如何权衡自我与他人的得失,尤其是其背后的神经机制.当前研究采用两难情境启动范式,通过ERP(event-related potential)技术考察了声誉损失风险下自我相关性对道德决策的行为和神经反应的影响.被试被要求在高或低的声誉损失风险情境下,选择是否牺牲自我利益去帮助困境中的主人公(朋友、熟人或陌生人),且决策时的帮助选择、决策时间、主观不愉悦感受和脑电数据会被记录,并对EEG(electroencephalograph)数据进行时域和频域分析.行为结果发现,低声誉损失风险下被试对朋友的帮助选择要显著高于对熟人的,且对熟人的也显著高于对陌生人的,表现出一种明显的"利己倾向";与朋友和陌生人相比,被试对熟人的帮助决策消耗了更长的时间,体验到了更强烈的不愉快感受,表现出一种有趣的"熟人效应".时域和频域分析结果同样表明低声誉损失风险下被试对熟人的决策诱发了更大波幅的与情绪反应有关的P260和N2成分,以及与认知推理有关的LPP(300～450 ms)成分,并相应引发了更大的δ频段(1～4 Hz, 200～300 ms)和α频段(8～13 Hz, 300～600 ms)能量活动.然而,这些指标上的差异在高声誉损失风险下均显著减弱或消失了.结果表明,指导人际间道德决策的道德原则可以被描述为一种"利己的利他倾向",人际关系中的不确定性会给决策带来情绪和认知的负荷,而声誉关注在抑制自私倾向和消除不确定性上起到了关键作用.     

次级运动区参与外源性触发的利手和非利手单指运动

次级运动区是否参与简单随意运动是一个颇有争议的问题, 而利手和非利手运动脑结构基础的差异至今未阐明. 用功能磁共振成像(fMRI)方法, 观察了6名健康右利手受试者在进行视觉信号提示的利手和非利手食指单次按键运动时, 初级运动皮层(M1)以及辅助运动区(SMA)和前运动皮层(PMC)等次级运动区的局部血氧代谢. 结果显示, 在上述外源性触发的简单随意运动中M1, SMA和PMC均有明显激活, 但利手运动主要激活对侧脑区, 而非利手运动则进一步激活了同侧SMA和PMC. 这些结果不但为次级运动区参与外源性触发的简单随意运动的假说提供了可靠的实验证据, 而且进一步说明, 利手运动主要依赖于对侧次级运动区, 而非利手运动则需要双侧次级运动区的参与.     

知觉组织在人类视觉皮层的神经机制

利用事件相关电位(ERP)研究知觉组织在人类视觉皮层的神经基础. 使用的刺激图形是由局部元素均匀分布组成的正方形阵列(一致性刺激)和局部元素依据空间相邻性或颜色相似性形成行或列组织的正方形阵列(知觉组织刺激). 刺激图形随机呈现在视野中的一个象限, 被试做行或列组织的判断, 同时记录其ERPs. 实验发现, 一致性刺激与知觉组织刺激都能够诱发1个ERP早成分C1, 其幅度在刺激呈现后70 ms左右达到峰值, 并且其极性随刺激所处的上下视野变化. 基于真实脑边界元模型的偶极子分析结果表明, C1的源可定位于距状裂皮层, 其幅度受到相邻性知觉组织的调制. 这种知觉组织效应对于上视野刺激较强, 下视野刺激较弱. 这些结果为人类初级视皮层参与知觉组织的早期过程提供了ERP证据.     

激光干涉引力波空间阵列核心问题的综合讨论

<正>空间激光干涉引力波探测计划,例如欧洲航天局主导和美国参加的LISA(Laser Interferometer Space Antenna)计划~([1])、中国的"太极"计划~([2])和"天琴"计划~([3])等,瞄准中低频段(0.1mHz～1Hz)的引力波波源.这个频段的引力波事件     

阿尔茨海默症患者额顶叶控制系统脑网络异常

阿尔茨海默症(AD)是一种严重的神经退行性疾病,临床上以工作记忆障碍、失用、失语、执行功能障碍等认知功能的损害为表现特征.功能核磁共振(f MRI)技术作为一种新兴技术,被广泛应用于大脑以及各种神经退行性疾病的研究中.利用f MRI技术,人们发现大脑中存在着一些长程大尺度的功能脑网络,比如运动感觉网络、默认模式网络、背侧注意网络、执行网络、突显网络等.其中,执行网络与突显网络作为额顶叶控制系统的两个子网络参与包括执行功能、工作记忆、显著过程处理等与AD密切相关的认知生理活动.本研究招募了35名正常老年人作为正常对照(NC)、20名遗忘型轻度认知障碍患者(a MCI)、25名阿尔茨海默症患者作为被试,研究额顶叶系统在阿尔茨海默症中的异常改变.我们发现在额顶叶控制系统内的功能连接(FC)与其他网络的功能连接均出现了不同程度损害,结果表明执行网络在轻度认知障碍时期已经表现出功能损害而在进入AD时期后进一步加重,这与疾病的行为学表现一致;而突显网络在a MCI组中会出现功能连接的增强现象,这可能显示了一种与其他脑网络不同的受损模式.     

汉语语义网络的统计特性

采用不同原则构建的词汇和句法语言网络均具有小世界和无尺度的特征. 在更深层次的语义或认知网络中, 这些特征还存在吗？为了回答这个问题, 本文构造了一个汉语语义角色(论元结构)网络并研究了它的统计特征. 结果表明, 尽管语义网络也是小世界和无尺度网络, 但它与句法网络在层级结构和节点度相关性方面存在明显不同.     

基于网络拓扑统计的恒生证券指数处理

为分析香港证券市场恒生指数(HSI)的动力学特性, 依据粗粒化处理的同质划分方法, 将HSI的时间序列转化为由4个特征字符{R, r, d, D}构成的HSI符号序列. 由符号序列中的16种2-字串的元结构(即16种HSI变化模式)为网络的节点构建了一个加权证券指数网络, 这一网络将证券市场指数波动和变化模式的相互关系和相互作用等信息编码在网络的拓扑结构之中. 通过对网络的拓扑参数中介中心性的测量, 发现在两个量级的时间间隔标度范围内, 至少有3个高中介中心性的网络节点, 即网络中18.7%的节点承担了网络的71.9%的中介中心性功能, 它们所代表的HSI变化模式具有很好的统计稳定性, 识别这些具有拓扑统计重要性的节点模式对于理解证券市场的波动规律以及信息传输特性有积极意义. 对比计算了随机网络节点的中介中心性, 其中每一个节点的中介中心性能力几乎是均等的, 没有一个节点显得特别地突出, 这些表明香港证券市场在统计意义下是稳定的而不是随机的.     

基于对称导联EEG特征分析的脑损伤部位判别

提出了一种基于对称导联的脑电(EEG)分析方法,以探讨脑电特征和脑损伤部位之间的对应关系,实现损伤部位的判别.研究样本由脑损伤导致的严重意识障碍患者25例(其中左侧损伤11人,右侧损伤14人)和对照组正常人8例组成.首先,提取安静状态下的脑电信号低频段(δ+θ)和高频段(α+β)的功率谱比值和近似熵2种特征参数,并分别计算对称导联的EEG特征参数的比值;然后,分析不同对称脑区的特征参数比值,基于此特征参数比值对损伤部位进行判别;最后将判别结果同CT图像诊断结果进行匹配对比.结果表明,严重意识障碍患者的脑损伤和未损伤部位对称电联之间脑电特征参数比值具有显著性的差异(P<0.05),基于对称导联EEG特征分析的脑损伤部位判别结果和基于病例CT图像的诊断结果相吻合.因此,基于对称导联的EEG分析法能够简便可靠地实现脑损伤部位的判别,在脑功能研究和临床辅助诊断中有一定的应用推广价值.     

焦虑的脑科学研究与临床应用进展

焦虑障碍是我国患病率最高的精神障碍,也是全球第六大致残原因.如何建立精准有效的个体化预防-诊断-治疗体系,成为当前亟须攻克的难题.焦虑障碍主要包括广泛性焦虑障碍(GAD)、惊恐障碍(PD)和社交焦虑障碍(SAD)的亚型;其发病机制和分型机制尚不清楚.本文系统综述了近年来临床焦虑障碍和亚临床焦虑的研究进展,特别是本团队的研究进展,重点从神经认知机制的理论模型和临床应用方面寻求新的见解和研究线索.基于经典认知模型、杏仁核和脑岛中心神经模型,以及静态脑网络模型,我们提出了动态焦虑脑网络模型:强调突显网络、执行控制网络、默认网络和感知网络之间的动态相互作用,这是情绪和认知控制交互作用的基础;网络间的神经振荡负责资源转换和信号同步;去甲肾上腺素系统,特别是蓝斑(LC)-去甲肾上腺素(NE)系统,通过神经递质调节上述过程.本文还总结了焦虑的诊断和预测指标,包括遗传特征、认知特征和神经生物标志物,特别强调了特异频段的神经振荡模式,以及动态脑网络连接,以预测个体化焦虑症状和其他精神疾病.通过在体脑成像、神经环路示踪技术、单细胞组学等技术,全面精准解析焦虑障碍的多维度发病机制,揭示国家一类创新药物GW1...     

衰老对猕猴视觉反应潜伏期及反应变异性的影响

在个体老化过程中, 视觉系统会表现出功能性衰退[1]. 与这一衰退相关的神经机制正逐渐被揭示出来. 研究结果表明, 与年轻猴相比, 老年猴视网膜神经节细胞和丘脑外侧膝状体(LGN)并没有显著的结构或功能性改变[1,2]. 但在视觉皮层, 我们发现了细胞功能受到衰老过程影响的证据, 比如老年猴[2,3]和老年猫[4]的初级视皮层(V1)细胞, 都出现了方位、方向选择性的显著降低, 老年猴纹状外皮层(V2)也显示出相似的功能性衰退1). 最近, 我们还报道了老年猴V1和V2区细胞对视觉刺激的反应潜伏期显著延长[5]...................     

微波左手材料的反射率和相位随频率的变化特性

利用矩形波导法首次由实验研究了微波垂直入射到由铜六边形开口谐振环(split ring resonators, SRRs)和铜杆组成的左手材料(left-handed metamaterials, LHMs)样品表面时, 其反射率和反射相位随频率的变化特性. 实验结果表明: 单层SRRs的LHMs样品在左手频段内出现了一个深度为&#8722;3.3 dB的反射峰, 即其反射率为47%. 在左手频段内, 反射波相位随微波频率的变化关系与透射波相位变化不同, 而且反射波相位曲线在反射峰频率处出现一个拐点. 对于三层SRRs的LHMs样品, 其反射峰的深度随样品排数的增加而增加, 即不反射能力增强, 且反射峰与左手透射峰有一个相对频移, 认为不同层间SRRs的相互作用是导致其频移的原因.     

自然覆盖物对塔里木沙漠公路防护林土壤蒸发的影响

为了揭示塔里木沙漠公路防护林内覆盖物对土壤水分蒸发的影响,在塔克拉玛干沙漠腹地进行人工模拟蒸发实验,为其防护林水资源高效利用和灌溉制度优化提供科学依据.研究结果表明:(1)积沙层、盐结皮层、枯落物和积沙-枯落物混合层等覆盖物阻隔土壤蒸发,对土壤水分蒸发作用影响明显;日蒸发量、累积蒸发量和蒸发速率都较无覆盖物沙地大幅降低,而且覆盖物越厚,降低幅度越大;覆盖条件下蒸发受其他因素影响较小,日蒸发量变幅降低,累积蒸发呈线性分布,累计蒸发曲线近似直线,而裸沙地累积蒸发则呈正对数分布,累计蒸发曲线近似折线,蒸发受其他因素影响较大,日蒸发量变幅大,蒸发过程具有阶段性;(2)覆盖物的蒸发抑制效率明显,而且随覆盖物厚度增加而成对数函数增加,当覆盖物厚度增加到一定程度时,蒸发抑制效率增幅逐渐降低;各覆盖物在2cm厚度的蒸发抑制效率差别不大,最大蒸发抑制效率(根据灌溉第1天日蒸发量计算)则为:积沙-枯落物混合层(79.92%)>枯落物(78.96%)>盐结皮层(75.58%)>积沙层(74.11%),现实蒸发抑制效率(根据灌溉周期末(14天)的土壤累积蒸发量计算)则为:盐结皮层(67.78%)>积沙-枯落物混合层层(66.72%)...     

致密砂岩层系多尺度波耗散规律及双重分形结构模型

了解地层岩石的多尺度非均质性特征对不同频率弹性波响应的影响,对基于地震资料解释与反演地下介质属性至关重要.本文联合采用超声波实验(550 kHz)、声波测井(约10 kHz)和地震勘探(约30 Hz)手段,对鄂尔多斯盆地延长组致密岩石开展观测,估算了不同频率下致密砂岩中的纵波传播速度和衰减.超声波观测结果显示,随着围压增大,孔隙度对衰减的影响有变小的趋势,而黏土含量的影响随围压增大而增大.不同频率范围内,波速和衰减随孔隙度或黏土含量的变化趋势基本一致.测量结果中值及分布特征显示,从超声波到地震频段,纵波速度趋于下降,而衰减却有增大趋势.从超声波到声波频段,速度减小更为显著,中值减小了362 m/s;而测井速度与地震观测结果较为接近.衰减在声波和地震频率之间的差异更为明显.为解释多尺度观测数据,提出了描述孔隙介质中裂隙和黏土尺寸具有自相似分布特征的双重分形结构模型.模型预测与实验结果对比揭示了相关储层黏土包体和裂隙的分形特征.本研究可为进一步解释复杂岩石宽频带波频散和非弹性现象提供理论模型.     

去除视皮层的猫外膝体神经元方位、方向选择性的初步有序排列

自 Levick 等首次发现并定量研究猫视网膜神经节细胞的方位倾向性以来,视觉系统皮层下细胞的方位选择性正引起人们越来越大的兴趣.Shou 等人对猫外膝体细胞的方位选择性进行了详细的定量研究,他们发现相邻外膝体细胞具有相近的最优方位,故具有初步的有序排列.这种有序的排列对不同细胞类型(ON,OFF,X,Y)、感受野在视网膜上不同位置的细胞均存在,可能为视皮层细胞的方位功能柱提供一种预安排.近来的工作发现猫外膝