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脑电研究:婴儿睡眠状态间的大尺度脑模态重组为早产提供预测信息

睡眠结构承载着整个生命周期中大脑健康的重要信息。明确表达警戒状态的能力是新生儿神经健康状况的一个重要生理标志,但其机制仍不清楚。来自澳大利亚和芬兰的学者在NATURE COMMUNICATIONS发文,其证明了新生儿从安静到主动睡眠的转变特征是大规模的皮层活动和功能脑网络的重组。这种重组在早产儿中减弱,并能预测两岁时的视觉表现。研究者发现,这些经验效应与大规模脑状态的计算模型之间存在着惊人的匹配。该模型揭示了数据分析中无法检测到的基本生物物理机制。主动睡眠指在一个统一的神经活动模式下减少能量和在两个更复杂的前后脑区模式中增加能量。早产儿在这种带有新异预测信息的睡眠相关模态能量重组中表现出缺陷。

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慢性睡眠剥夺对大脑功能网络的影响

对于我们人来说,人生中大约三分之一的时间都在睡觉。睡眠严重不足会导致各种健康状况,如心血管疾病、肥胖、糖尿病、免疫系统功能障碍以及许多认知和情感障碍。尽管睡眠不足会损害人体的所有器官,但它对中枢神经系统的影响似乎最为严重。目前,研究者利用神经影像学方法,对睡眠缺失对情绪、记忆力、注意力以及学习力的影响展开了研究。但是,这些研究似乎主要基于静息态fMRI,因此,来自美国的研究团队近期在Frontier in neuroscience杂志发表题目为《Effects of Chronic Sleep Restriction on the Brain Functional Network, as Revealed by Graph Theory》的研究论文,采用任务态fMRI,研究了慢性睡眠剥夺对大脑功能网络的影响。笔者在这里对该项研究进行解读,希望对大家有所帮助。

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从清醒到睡眠的动态功能连接

近年来,fMRI对时间分辨连通性的研究发展迅速。研究连接性随时间变化的最广泛使用的技术是滑动窗口方法。对于短窗与长窗的效用,固定窗与自适应窗的使用,以及在清醒状态下观察到的静息状态动态是否主要是由于睡眠状态和受试者头部运动的变化,一直存在一些争论。在这项工作中,我们使用了一个基于独立成分分析(ICA)的流程,将其应用于并发的清醒和不同睡眠阶段收集的脑电图/功能磁共振成像数据,并显示:1)从静息态时间过程的滑动窗相关的聚类得到的连接状态可以很好的分类从脑电图数据获得的睡眠状态,2)使用较短的滑动窗口代替非重叠窗口提高了捕获转变动力学的能力,即使在30s的窗长,3)运动似乎主要与一种状态相关,而不是分散在所有状态,4)固定的锥形滑动窗口方法优于自适应动态条件相关方法,5)与之前的EEG/fMRI工作一致,我们在清醒状态下识别多种状态的证据,这些证据能够被高度准确地分类。仅清醒状态的分类表明,除了睡眠状态或运动外,fMRI数据中连通性的时变变化也存在。结果也告知了有利的技术选择,和觉醒内不同集群的识别建议这一方向需要进一步研究。

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失眠患者的功能连通性改变

失眠 (Insomnia, ID) 是最常见的睡眠障碍;然而,ID症状的发病机制尚未完全了解。采用多因素的观点,并将ID视为一种涉及区域间神经元协调的情况,将有助于理解ID的病理生理学。功能连接 (Functional connectivity, FC) 可能有助于阐明ID症状的潜在功能过程和神经相关性。尽管越来越多的研究评估FC异常,但对ID病理生理学的见解仍然是零碎的。本文旨在寻找静息态下失眠的FC变化的经验证据。共涉及1052名ID参与者的31项研究符合本综述的纳入标准。结果表明,ID症状与主要静息态网络半球内和半球间相互作用受损相关。总的来说,证据支持这样一种假设,即失眠的特征是大脑功能连接的组织 (organization) 紊乱,导致睡眠、认知、情绪和记忆下降。然而,被综述的研究之间存在广泛的方法学异质性,以及本系统综述提出的研究方案和统计方法的局限性,使得很难提供一个单一的ID病理生理学框架。这一领域的未来研究应该引导共享和严格的搜索设计 (search designs),以确保ID病理生理学的可靠研究证据。本文发表在Sleep Medicine Reviews杂志。

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BRAIN:路易体痴呆的波动性认知障碍:病理生理学框架

波动性认知障碍是一种复杂的致残症状,在路易体痴呆和帕金森痴呆中常见,(路易体痴呆(dementia with lewy bodies,DLB)是一种常见于中年晚期及老年的进行性神经系统变性引起的临床表现主要为波动性的认知功能障碍、帕金森综合征及视幻觉的疾病。DLB是仅次于阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)的第二大变性痴呆性疾病,占人口总数的0-5%、痴呆患者总数的0-30.5%,其年发病率约为0.1%,占年新发痴呆患者总数的3.2%,最近一项基于人口15年的前瞻性研究报道法国西南地区65岁以上老年人中DLB的年发生率为112/10万人。国内DLB的临床研究报道例数很少,30余年间仅有35例临床资料比较详细的报道,DLB是值得人们加强认识和重视的疾病。)的核心诊断症状。

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基于堆叠降噪自动编码器的脑电特征的提取方法

心理/精神疲劳(Mental Fatigue)是一种常见的由长时间持续的认知活动所产生的心理生理状态。虽然精神疲劳的表现和不利影响已为人们所熟知,但其在大脑多区域之间的连通性(Connectivity)机理尚未得到充分研究。这对于阐明精神疲劳的机制具有重要意义。然而,常用的基于EEG的连通分析方法无法摆脱强噪声的干扰问题。本文提出了一种基于叠加降噪自编码器的自适应特征提取模型。对提取的特征进行了信噪比分析。与主成分分析相比,该方法能显著提高信号的信噪比,抑制噪声干扰。该方法已应用于心理疲劳连通性(Mental Fatigue Connectivity)分析。研究人员分析了在清醒(Awake)、疲劳(Fatigue)和睡眠剥夺/不足(Sleep Deprivation)条件下,额叶(Frontal)、运动(Motor)、顶叶(Parietal)和视觉(Visual)区域之间的因果连接,并揭示了不同条件之间的连接模式。清醒条件下与睡眠剥夺条件下的连接方向相反。此外,在疲劳状态下,从前区(Anterior Areas)到后区(Posterior Areas)、从后区到前区存在复杂的双向连接关系。这些结果表明,在这三种条件下,大脑会表现不同的活动模式。该研究为EEG分析提供了一种有效的方法。连接性的分析有助于揭示心理/精神疲劳的潜在机制。

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睡眠剥夺后皮层微结构的广泛变化

大脑皮层的微观结构受到昼夜节律和睡眠剥夺的影响,但这些影响的确切基础尚不清楚。t1加权和t2加权磁共振图像之间的比率(T1w/T2w比率)与髓磷脂水平和树突密度有关,这可能为研究睡眠剥夺大脑的皮质内微观结构提供新的见解。在这里,我们检测了41名健康青年(26名女性)在睡眠剥夺(n = 18)或正常睡眠-觉醒周期(n = 23)前后32小时的皮质内T1w/T2w比值。线性模型显示,在32小时后,四组患者的T1w/T2w比值变化有显著的组间差异,包括岛叶、扣带回和颞上皮质的双侧效应,包括涉及注意、听觉和疼痛处理的区域。在整组中,睡眠剥夺组T1w/T2w比值增加,而正常睡眠-觉醒组T1w/T2w比值降低。这些变化不能用扫描仪内头部运动来解释,在调整皮质厚度和水合作用后,簇间95%的影响仍然显著。与正常的睡眠-觉醒周期相比,32小时的睡眠剥夺使皮质内T1w/T2w比值增加。虽然本研究检测到的皮质内变化可以反映髓磷脂或树突密度的变化,或两者的变化,但需要组织学分析来明确具体的皮质过程。

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Nature reviews neuroscience:人类丘脑对全脑信息处理的影响

丘脑是间脑的一个小的双侧结构,它整合来自中枢神经系统许多区域的信号。这种关键的解剖位置使丘脑能够影响整个大脑的活动和适应行为。然而,传统的研究范式一直在努力将特定的功能归因于丘脑,并且在人类神经影像学文献中仍未得到充分的研究。最近分析技术的进步和对大型高质量数据集的可访问性的增加带来了一系列的研究和发现,这些研究和发现(重新)确立了丘脑作为人类认知神经科学感兴趣的核心区域,否则这个领域仍然是以皮质为中心的。从这个角度来看,我们认为使用全脑神经成像方法来研究丘脑及其与大脑其他部分的相互作用是理解信息处理系统级控制的关键。为此,我们强调了丘脑在形成一系列功能特征中的作用,包括诱发活动、区域间连通性、网络拓扑和神经元变异性,无论是在休息还是在认知任务的执行过程中。

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NC:生理高频振荡和慢波之间的相-幅耦合的发育图谱

摘要:我们研究了高频振荡(HFO)和调制指数(MI)(HFO与慢波相位之间的耦合测量)的发展变化。我们利用114名患者(年龄1.0-41.5岁)的8251个非癫痫电极部位的硬膜下脑电图信号生成了标准脑图谱,这些患者在癫痫切除手术后实现了癫痫发作控制。我们观察到所有年龄段的枕叶MI均较高,并且枕叶MI在儿童早期显着增加。表现出MI共同生长的皮质区域通过垂直枕叶束和后胼胝体纤维连接。虽然枕叶HFO没有显示出显着的年龄相关性,但颞叶、额叶和顶叶的HFO却表现出与年龄相反。对1006个癫痫发作部位的评估显示,癫痫发作时的z评分归一化MI和HFO高于非癫痫电极部位。

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