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读文万卷031期:集中注意冥想控制大脑振荡的时间结构;丘脑过多活动与重度抑郁症早期治疗的难治性抑郁症和不良反应的关联

1.Hum Brain Mapp. 集中注意冥想控制大脑振荡的时间结构

我们的注意会自然地在不同的信息来源之间波动,即使我们很希望将它集中在某个单一的对象上。集中注意(FA, focus attention)冥想与控制注意的能力有关,然而这种能力背后的神经机制还不完全清楚。

来自荷兰神经基因组学与认知研究中心(CNCR)的Irrmischer等人提出假设:当神经元系统在有序和无序之间的不稳定点平衡时,注意对短时聚焦和迅速变化的能力与临界动力学有关。为了验证这一假设,研究者们以DFA(去趋势波动分析,detrended fluctuation analysis)作为指标,分析了冥想者训练者和没有经过冥想训练的普通参与者EEG的LRTC(长程时间相关性,long-range temporal correlations)。

结果发现,在冥想训练者中,冥想强烈抑制了与闭眼静息相关的神经元振荡的LRTC,在频带和头皮位置上具有显著的一致性。经过一年的额外训练后,参与者在冥想期间减少LRTC的能力增强,并且与充分利用注意力资源的主观经验有关。持续的练习也会影响正常清醒时的大脑动力学,主要体现在闭眼休息状态下LRTC的增加,这表明大脑动力学的改变不仅存在于冥想状态中。

原文:Controlling the Temporal Structure of Brain Oscillations by Focused Attention Meditation

DOI:10.1002/hbm.23971

2.Transl Psychiatry:丘脑过多活动与重度抑郁症早期治疗的难治性抑郁症和不良反应的关联

背景:重性抑郁障碍(MDD)是一种常见的精神疾病,以持续的情绪抑郁、焦虑、烦躁、精神运动功能、动机、社会行为和睡眠模式的改变为特征。尽管不断出现了各种抗抑郁药物,但是还有10-30%的重性抑郁障碍(MDD)患者对其无效,为典型的抗抑郁治疗无效(antidepressant treatment-resistant depression, TRD).。

方法:本文作者选取16例TRD患者、16例早期非TRD患者和26例健康对照(HC)受试者接受静息状态功能性磁共振成像。通过评估低频波动振幅(fALFF)和汉密尔顿抑郁量表(HRSD)中百分比变化之间的相关性,来确定TRD患者自发性神经活动改变的大脑区域,以及非TRD患者与抗抑郁反应相关的大脑区域。还探究了自发性神经活动在TRD患者、非TRD患者和HC受试者之间的脑区差异。

结果:在非trd患者中,只有右脑丘体的fALFF值与HRSD变化百分比呈负相关,其他区域的平均fALFF和HRSD的百分比变化之间没有显著的部分相关性。不光发现了右侧IFG、IPL和vermis的自发活动可能与TRD的特定神经基质有关,还揭示自发性丘脑多动不仅在TRD患者中起关键作用,在MDD患者抗抑郁治疗耐药的早期也起关键作用。这些结果表明TRD患者的认知和情绪调节神经回路发生了改变。

原文:Association of thalamic hyperactivity with treatment-resistant depression and poor response in early treatment for major depression: a resting-state fMRI study using fractional amplitude of low-frequency fluctuations

doi:10.1038/tp.2016.18

3.Schizophrenia Bulletin:未用药精神分裂症患者的纹状体多巴胺合成能力与奖赏预测错误

纹状体多巴胺合成能力的增加在精神分裂症患者中的报道中多次出现。然而,其与行为和症状之间的具体机制尚不清楚。有研究认为,高水平的纹状体多巴胺可能会钝化多巴胺能奖赏预测错误信号。Teresa Katthagen等人调查了纹状体多巴胺合成能力、奖赏预测错误及其与未服药精神分裂症患者(n = 19)和健康对照组(n = 23)的关系。被试参与了FDOPA-PET实验,并接受了功能性磁共振成像(fMRI)扫描。两组比较了多巴胺合成能力(Kicer)、fMRI神经预测错误信号以及两者的相关性。在纹状体Kicer方面,患者与对照组没有差异。考虑到酗酒的情况,没有酗酒的患者在联合纹状体中显示出较高的Kicer,而那些酗酒的患者与对照组没有区别。与对照组相比,患者在逆转学习中表现更差,在腹侧纹状体中显示出更少的预测错误信号。在对照组中,边缘纹状体中的Kicer与奖赏预测错误信号有较高的相关性,而在患者中没有显著的关联。联合纹状体中的Kicer与较高的阳性症状相关,而迟钝的奖赏预测错误信号与阴性症状相关。

该研究结果表明纹状体亚区和症状域之间存在分离,联合纹状体中多巴胺合成能力的提升会产生阳性症状,而腹侧纹状体中与阴性症状相关的预测错误信号则变得迟钝。

原文:Machine learning classification of ADHD and HC by multimodal serotonergic data

DOI:https://doi.org/10.1038/s41398-020-0781-2

4.Brain:青春期大脑在精神分裂症延缓和发育延迟中的特点

在临床上,早发性精神分裂症似乎比成人发病更严重。之前已有研究发现在青少年患者中发现的与解剖学相关的灰质和白质异常比在成人精神分裂症文献中报道的更大更广泛。特别地在主要感觉运动和前运动系统中有新的结构异常。由此出现不同的假设:要么这种与感觉运动相关的惊人模式是人工合成的,因为方法的敏感性更高,要么在早发人群中明显的结构异常与早发疾病相关。为了解决这些问题,Gwenae¨lle Douaud等人结合了对青少年发病患者(n = 25)和成人发病患者(n = 35)大脑结构的横断面研究,并分别将青少年发病患者(n = 12,横断面组的代表性子集)和健康对照组进行纵向研究。并在brain上发表了他们的研究。

通过观察青少年和成人患者灰质体积和白质微结构异常的差异,首先确认了青少年患者的特异性(尤其是在运动相关区域)和更严重的结构异常。然而,更仔细的检查显示,出现这种更大的异常似乎是因为青少年患者没有遵循与健康对照组相同的发育时间进程。对具有代表性的青少年患者子集和匹配的健康人群的纵向分析证实了灰质和白质的延迟和改变的成熟。在纵向观察期间,针对青少年精神分裂症的感觉-运动皮质和皮质脊髓束的结构异常不那么明显,甚至消失了,青少年患者的灰质异常正朝着成人发病模式发展。结合青少年和成人的横断面数据集和青少年的纵向数据集,发现了一个独特的、异常的灰质成熟轨迹,与发病年龄和病程无关,与健康受试者相比,灰质成熟的峰值更低、更晚。综上所述,这些结果表明,在精神分裂症患者中神经发育时间发生改变的青少年和成人精神分裂症的常见病因机制在青春期尤为突出。

原文:Schizophrenia delays and alters maturation of the brain in adolescence

DOI:10.1093/brain/awp126

5.Neuron: 不同时间尺度的神经信号对语音的预测作用

人体感觉器官对于信息的采样并不完全遵循采样定律。在语音信号处理过程中,大脑根相关的背景信息去对语音的采样和处理过程进行优化。本研究旨在探索语音的预测过程是否与是否动态地占用单独的神经节律。

本研究中,我们首先基于背景信息对语音的预测关系搭建了一个神经网络,通过这个网络,我们对语音相比于背景信息中的不确定性和惊讶程度进行了量化,并以此去探索与这两个因素相关的神经活动。研究结果显示,语音相关的神经活动具有明显的层次特征,其主要包含两个尺度:快速响应(theta: 4–10 Hz)和较慢响应(delta: 0.5–4 Hz)。快速响应负责听觉区域的早期信号处理;较慢响应则负责听觉区域向下信息流的处理。在语音预测活动中,这些频段的神经活动被选择性地激活:语音信息中与背景相关的不确定性信息的与早期的theta响应有关;与背景相关的惊讶性信息则与晚期的delta响应有关。由研究结果可知,theta频段相关的感觉器官的采样过程是通过最大化预期的信息熵实现的;而delta频段则与信息的无冗余编码有关。

原文:Two Distinct Neural Timescales for Predictive Speech Processing

DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.10.019

6.Computer Methods and Programs in Biomedicine:不同VBM分析对小鼠病变脑区定位的敏感性

背景:VBM分析广泛应用于人体研究,在动物模型的神经成像研究中具有巨大的潜力。将VBM应用于小动物研究的一个重大挑战是我们不清楚不同的预处理设置对结果有何影响,因为在尺寸、分辨率和成像参数上的巨大差异意味着,人类成像预处理流程不能完全复制到小动物研究。在这项工作中,研究者首次评估并验证了不同VBM分析方法在小鼠大脑研究中的性能。VBM分析方法的差异主要体现在空间标准化这步,应用两种方法:DARTEL VBM和Optimized VBM 。

方法:采集10只成年小鼠的T2像,采用DARTEL VBM和Optimized VBM两种方法对其进行分析以及后续统计,检测小鼠大脑特定区域的灰质体积损失和脑萎缩程度。分析软件为SPM8和SPM Mouse tools。两种分析方法的流程差异见图。

结果发现:Optimized VBM可以检测到一些细微的萎缩,而DARTEL VBM不能检测到。两种方法对不太细微的萎缩的检测是相似的,但DARTEL VBM在估计其大小和解剖位置方面表现更好。两种VBM方法在发现体积损失非常小的萎缩时都有困难,一般来说,它们低估了两组之间的差异程度。这些结果在不同的大脑区域也有所不同,大脑皮层的表现优于其他区域,如小脑。

原文:VBM sensitivity to localization and extent of mouse brain lesions: a simulation approach

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cmpb.2020.105636

7.Brain:难治性局灶性癫痫的发作间立体定向脑电图功能连接

难治性局灶性癫痫是在发作期和发作期均与功能连接改变有关的网络疾病。目前大部分关于间质/静息态的研究都集中在基于fMRI的功能连接上。尽管电生理学具有很高的时间能力,但很少有研究使用电生理学。其中,立体定向脑电图(stereotactic-EEG)非常适合研究功能连接性,因为它允许直接颅内电生理记录和相对大尺度的采样。以往的立体定向脑电图的大多数研究都针对颞叶癫痫,这并不代表药物难治性癫痫的全部。本研究旨在填补这一空白,研究皮质癫痫组织背后的壁间功能连接性改变及其与术后干预后的关系。 为此,作者研究了通过立体定向脑电图探索的59例皮质发育畸形患者的大样本研究,并进行了广泛的空间采样(记录了76个不同的大脑区域,每位患者的中位数为13.2)。文中使用非线性相关性来计算功能连通性。文中专注于由立体定向脑电图活动定义的三个区域:癫痫发生区,传播区和非介入区。首先,作者比较了区域内和区域间的功能连接。 其次分析了这些区域之间功能连接的方向性。然后测量了功能连接性度量与临床变量之间的关联,尤其是术后干预后。研究证实,功能连通性根据所研究的区域而有所不同。

研究发现:

(i)区域内功能连通性逐渐降低,致癫痫区和传播区的值较高,非受累区的值较低;

(ii)癫痫发生区结构之间的优先偶联;

(iii)癫痫发生区和增殖区之间的优先耦合;

(iv)非参与区功能连接性较高(非参与区内,非参与区和传播区功能连接性之间)的患者的手术后干预较差。作者的研究表明,即使在发作期状态下,癫痫皮层(癫痫发生区和增殖区)内的功能连接也可以通过逐步组织得到增强。此外,较大的功能连通性改变预示更多的弥漫性疾病,与术后干预后效果较差有关。 这与计算研究相一致,后者表明连通性对于建模癫痫发作的时空动态至关重要。

8.Scientific Reports:多种品系小鼠vbm分析

基于人体的研究受到道德伦理的一些限制,这使得一些研究难以开展,但是对于实验动物来说,伦理约束则较为宽泛,从而使得研究人员将一些难以实现的人体实验转移到实验动物上实施。在神经科学研究中,大脑结构的研究十分重要。同时结构决定功能,行为则是功能的外在体现。小鼠作为一种常见的实验模式动物广泛应用于各种科学实验之中,其中大量的杂交小鼠大脑结构之间存在许多差异。本文基于4种最为常见的小鼠品系构建了大脑的组织概率模板,用于分析不同品系之间的大脑结构之间的差异。从而在结构水平上了解不同品系小鼠在行为特征上的差异。

数百种近交系小鼠被建立用于包括遗传学、神经科学、免疫学和癌症在内等广泛的基础研究领域。近交系小鼠表现出相同的族内遗传学和不同的族间表型。认知和行为的差异必须由大脑结构和功能的差异来控制。然而,不同品系间潜在的形态特征仍不清楚。在这里,将体内显微磁共振成像优化为使用80微米分辨率的各向同性高分辨率成像的小鼠大脑。接下来,根据四种主要的近交系小鼠(C57Bl/6、BALB/cBy、C3H/He和DBA/2)的数据创建组织概率模板,建立应变混合脑模板。并利用该模板建立基于体素的小鼠脑形态测量学(VBM)。VBM评估显示,四种不同品系小鼠的灰质体积具有应变特异性的大脑形态,其中C3H/He应变在初级视觉皮层体积较小,DBA/2应变在初级听觉皮层和海马区feld CA1体积较小。这些结果将有助于理解近交系小鼠的形态表型的基础,并可能表明大脑形态和应变特异性认知和行为之间的关系。

原文:In vivo microscopic voxel-based morphometry with a brain template to characterize strainspecifc structures in the mouse brain

Doi:https://doi.org/10.1038/s41598-017-00148-1

9.IEETA:振幅调制指数作为脑计算机接口中的特征

脑机接口技术通过测量神经电信号,并将其转换为计算机或者如轮椅、神经义肢等外部设备的控制指令,以帮助有运动神经障碍的残疾人与他/她所处的环境进行交互。从易用性、安全性、时间分辨率和成本等方面考虑,基于脑电图的脑机接口系统是最好的选择。系统可以检测和分类与不同活动或任务相关的脑电信号中所包含的特定特征。

众所周知的选择性注意诱发的特征是事件相关电位p300和稳态视觉诱发电位,最为熟悉的用于区分运动任务的特征提取方法有PCA、ICA、自回归频谱估计、相位同步和小波变换等。

本文提出了一种在运动想象范式下基于振幅调制能量指数的脑电信号提取与分类的方法,通过对特定频段的脑电信号施加特定频段的调制信号,得到一一对应的振幅调制能量指数,并将其作为特征,分别利用支持向量机、K近邻、线性判别分析、二次判别分析和马氏距离方法进行分类。分类的数据集为两组运动想象范式下的被试脑电信息,采用五重交叉验证确保结果的准确性。

以分类准确率的中位数作为参考,SVM和KNN算法的分类效果较好,其中KNN对所有特征的分类都达到了90%以上的分类精准度中位数;alpha_alpha特征的分类准确率最高,即使LDA、QDA和MD方法也能够得到较高的准确率。

原文:Amplitude Modulation Index as Feature in a Brain Computer Interface.

DOI:https://doi.org/10.18280/ts.360301

本文分享自微信公众号 - 思影科技(siyingkeji),作者:杨晓飞

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原始发表时间:2020-08-16

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