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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。

    01

    NeuXus开源工具:用于实时去除EEG-fMRI中的伪迹

    摘要:同时获取脑电图和功能磁共振成像(EEG-fMRI)允许以高时间和空间分辨率对大脑的电生理和血流动力学进行互补研究。其中一个具有巨大潜力的应用是基于实时分析脑电图和功能磁共振成像信号进行目标脑活动的神经反馈训练。这依赖于实时减少严重伪迹对脑电图信号的影响,主要是梯度和脉冲伪迹。已经提出了一些方法来实现这个目的,但它们要么速度慢、依赖特定硬件、未公开或是专有软件。在这里,我们介绍了一种完全开源且公开可用的工具,用于同时进行脑电图和功能磁共振成像记录中的实时脑电图伪迹去除,它速度快且适用于任何硬件。我们的工具集成在Python工具包NeuXus中。我们在三个不同数据集上对NeuXus进行了基准测试,评估了伪迹功率减少和静息状态下背景信号保留、闭眼时α波带功率反应以及运动想象事件相关去同步化的能力。我们通过报告执行时间低于250毫秒证明了NeuXus的实时能力。总之,我们提供并验证了第一个完全开源且与硬件无关的解决方案,用于实时去除同时进行的脑电图和功能磁共振成像研究中的伪迹。

    04

    通过沉浸式虚拟现实观察动作增强运动想象训练

    1、研究背景 增强运动想象的一种方法是动作观察,也就是观察与运动想象任务相关的身体部位的运动。先前的研究表明,镜像神经元通过模仿来进行动作的理解和学习,从而引起相应区域的激活。因此,当一个人观察到另一个实体反映想象的身体运动时,动作观察起到了诱导镜像神经元的刺激作用。 2D和3D运动的事件相关去同步化(ERD)模式有显著差异,3D可视化组的ERD增强。更丰富的可视化和对观察到的运动的更强的所有权可诱导更好的ERD发生。 近期,发表在《IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING》杂志上的一篇研究论文通过对握手动作的动作观察,探讨虚拟现实(VR)的丰富沉浸感是否会影响重复的运动想象训练。为了研究显示介质的不同是否会影响进行运动想象时的动作观察,研究者通过两种不同的显示器显示了相同的图形握手动作:沉浸式VR耳机和显示器。此外,该研究以图形情景为刺激,更加强调沉浸式VR中的错觉和具体化对运动想象训练中动作观察的影响。为了检查使用这两种不同介质时的大脑活动,研究者使用了EEG,并识别了感觉运动皮层诱发的神经信号的变化。为了测量不同运动想象任务中空间脑活动模式的可区分性,研究者应用了脑机接口中常用的机器学习技术来学习和区分不同类型的运动想象中的脑活动。

    00

    ​厦大等高校研究人员利用卷积神经网络学习脑电地形图表示进行分类

    脑电图(EEG)地形图表征(Electroencephalography topographical representation, ETR)可以监测区域大脑活动,是一种可以用于探索皮层机制和联系的技术。然而,如何找到一种鲁棒的方法来支持多目标对象、多通道的具有低信噪比的高维EEG数据是一个挑战。为了解决这一问题,厦门大学、海西研究院泉州装备制造研究所、华中师范大学以及云南民族大学等多所研究机构的研究人员联合提出了一种新的ETR能量计算方法,用于使用卷积神经网络学习大脑活动的EEG模式。它能够在一个通用的学习模型中识别多个对象。具体而言,研究人员在实验中使用里来自2008年脑机接口(BCI)竞赛IV-2a的数据集进行五类分类,其中包含四个运动想象动作和一个放松动作。在该项研究中,提出的分类框架的平均准确率比最好的分类方法高10.11%。另外,研究人员通过对ETR参数优化的研究,得到了一种用于BCI应用的用户界面,并实现了一种实时优化方法。

    02

    健康老年人静息态EEG的功率和功能连接变化

    健康人的大脑神经活动在衰老过程中会发生变化。神经活动模式最常见的变化是从后脑区到前脑区的转移,以及脑半球之间不对称性的降低。这些模式通常在任务执行期间和使用功能磁共振成像数据时观察到。在此研究中,作者通过EEG记录重建的源-空间时间序列来研究在休息时是否也能检测到类似的影响。通过分析整个大脑的振荡功率分布,作者确实发现了老年人从后脑区到前脑区的转变。此外,作者还通过评估连接性及其随年龄的变化来研究这种转变。研究结果表明,额叶、顶叶和颞叶区域之间的连接在老年人中得到了加强。区域内连接显示出更复杂的模式,与年龄有关的活动在顶叶和颞叶区域增强,而在额叶区域减少。最后,所形成的网络随着年龄的增长表现出了模块化的损失。总的来说,这些结果将与年龄有关的大脑活动从后区向前区转移的证据扩展到了静息态,从而表明这种转移是大脑老化的一个普遍特征,而不是特定任务。此外,连接性结果提供了关于老化过程中静息态大脑活动重组的新信息。

    04

    混合特征目标选择用于基于BCI的二维光标控制

    为了控制显示器屏幕上的光标,用户通常需要依次执行两个任务。第一个任务是在显示器屏幕上移动光标到目标(称为二维或2-D光标移动),第二个任务是通过单击选择一个感兴趣的目标或不点击以拒绝一个不感兴趣的目标。在之前的研究中,我们在一个基于脑电图(EEG)的脑机接口(BCI)系统中实现了前一个功能,分别使用运动想象和P300电位来控制水平和垂直光标的运动。在本研究中,目标选择或拒绝功能是使用来自运动想象和P300电位的混合特征实现的。具体来说,为了选择感兴趣的目标,用户必须将注意力集中在一个闪烁的按钮上,以激发P300电位,同时保持运动想象的空闲状态。或者,用户在不注意任何按钮的情况下执行左右运动想象来拒绝目标。我们的数据分析和在线实验结果验证了该方法的有效性。该混合特征被证明比单独使用运动意象特征或P300特征更有效。11名受试者参加了我们的在线实验,实验涉及连续的二维光标移动和目标选择。每次试验的平均持续时间为18.19秒,目标选择的平均准确率为93.99%,每个目标选择或拒绝事件均在2秒内完成。

    00

    在动作观察,运动想象和站立和坐姿执行过程中解码脑电节律

    事件相关去同步化与同步化(ERD/S)和运动相关皮质电位(MRCP)在下肢康复的脑机接口(BCI)中,特别是在站立和坐姿中,起着重要的作用。然而,人们对站立和坐着的大脑皮层活动的差异知之甚少,尤其是大脑的意图是如何调节运动前的感觉运动节奏的。在本研究中,研究人员旨在研究在站立和坐着的动作观察(AO)、运动想象(MI)和运动执行(ME) 期间连续性EEG节奏的解码。研究人员开发了一项行为任务,在该任务中,参与者被指示对坐立和站坐的动作执行AO和MI/ME。实验结果表明,在AO期间ERD比较显著,而在MI期间ERS在感觉运动区域的alpha带较为典型。结合常用空间模式(FBCSP)和支持向量机(SVM)进行离线和分类器测试分析。离线分析表明,AO和MI的分类在站-坐转换时的平均准确率最高,为82.73±2.54%。通过分类器测试分析,研究人员证明了MI范式比ME范式具有更高的解码神经意图的性能。

    04

    Cerebral Cortex:静息态fMRI功能连接可以预测男女关系的相容性

    即使在信息技术显著发展的情况下,基于自我报告的特征和偏好来预测异性恋个体最初的相容性也并不成功。为了克服自我报告测量和预测相容性的局限性,我们使用了来自静息状态功能磁共振成像(fMRI)数据的功能连接,这些数据携带丰富的个体特异性信息,足以预测社会认知任务中的心理构建和激活模式。在从静息态功能磁共振成像(fmri)中收集数据的几天后,参与者进行了一个快速约会实验,在这个实验中,他们与其他所有异性参与者进行3分钟的快速约会。我们的机器学习算法成功地预测了实验中的成对是否兼容,使用实验前获得的功能连接的(不)相似性。个体之间功能连接的相似性和差异性以及这些多元关系有助于预测,因此表明了互补性(观察到的差异性)的重要性,以及个体与潜在伴侣在最初吸引阶段的相似性。结果表明,突显网络、边缘区域和小脑对相容感尤为重要。这项研究强调了神经信息在社会环境中预测复杂现象的效用,而单凭行为测量是无法预测的。

    03

    从EEG中解码想象的3D手臂运动轨迹以控制两个虚拟手臂

    使用从EEG解码的信息来实现对人工或虚拟手臂的在线控制通常是通过对不同的激活状态进行分类或与对象的不同显性动作相关的感觉运动活动的自愿调节来实现的。然而,一些研究报道了使用更自然的控制方案,例如解码想象的3D手臂运动的轨迹来移动假肢,机器人或虚拟手臂,所有方法都使用离线前馈控制方案。在该项研究中,研究人员首次尝试实现在线控制两个虚拟手臂,从而在3D空间中朝三个目标/手臂移动。使用多重线性回归,从mu,low beta, high beta, 和lowgamma EEG振荡的功率谱密度解码出想象的手臂运动的3D轨迹。研究人员在数据集上进行了实验分析,该数据集记录了三个受试者在七个会话,其中每个会话包括三个实验块:一个离线校准块和两个在线反馈块。利用虚拟武器的预测轨迹计算目标分类精度,并将其与基于滤波器组公共空间模式(FBCSP)的多类分类方法的结果进行了比较,该方法包括互信息选择(MI)和线性判别分析(LDA)模块。

    01

    人际协调增强了脑间同步性并影响社会合作中的责任归因和奖励分配

    在社会合作过程中,资源的公平分配是影响个人利益和群体和谐的关键。不同的分配规则,比如公平和平等原则,已经在奖励分配研究中得到了广泛的讨论,然而个人的合作方式,如人际协调,是否影响其后续的责任归因和奖励分配尚不清楚。在这里,46对双人进行了一项时间估计任务,分为合作(协同组)和单独(对照组)两种操作,同时使用功能性近红外进行超扫描。与对照组相比,协调组的背侧前额叶皮层(DLPFC)表现出更高的行为同步性和更高的人际脑同步性(IBS)。他们还表现出了对任务结果的责任归因的更平等的倾向。更重要的是,在背内侧前额叶皮层(DMPFC)IBS较高的协调组更倾向于进行平等的奖赏分配,且受责任归因中介,我们的研究结果阐明了人际协调对奖励分配的影响,以及前额叶皮层的关键作用。

    03

    GeroScience:tACS可改善主诉健忘老年人的记忆能力

    主观健忘(Subjective memory complaints,SMC)代表认知成分中的事件记忆出现问题,是老年人阿尔茨海默病的预测因子。本试验的目的是在双盲、随机和假对照的平行实验下,研究经颅交流电刺激(tACS)于内侧前额叶皮层(mPFC)对SMC患者情景记忆改善的效果。16名SMC参与者在mPFC上接受了主动或假的theta tACS治疗。记录脑电图,并进行Rey听觉语言学习测试(RAVLT)。通过RAVLT测量,tACS可显著改善情景记忆表现。与假手术组相比,脑电图数据显示主动tACS导致theta功率下降;中央后、脑岛和扣带回的theta, alpha和gamma电流源密度(CSD)下降;theta和gamma相位同步减少。此外,RAVLT延迟回忆评分与theta频带的左下回CSD之间存在显著相关性。本研究结果显示,mPFC的theta tACS可以通过调节大脑额叶和颞叶区域的活动来改善SMC患者的事件记忆,因此可以被认为是治疗健忘的潜在干预手段。

    01

    利用视听短片从自然刺激中获得开放的多模式iEEG-fMRI数据集

    在认知神经科学领域,数据共享和开放科学变得越来越重要。虽然许多参与认知神经科学实验的志愿者的数据集现在是公开可用的,但颅内脑电图(iEEG)数据的共享相对较少。iEEG是一种高时间和空间分辨率的记录技术,通过在患者进行罕见的癫痫发作来源定位程序期间进行记录获得。与非侵入性记录技术相比,iEEG具有许多优点,如更好的信噪比和更精确的神经信号。iEEG对于研究高级认知过程(如语言、语义和概念表示)以及开发脑机接口具有重要意义。然而,由于收集困难和道德协议的限制,共享iEEG数据的机会相对较少。共享这些数据将有助于解决科学可重复性问题并促进更充分的数据利用。

    01

    基于机器学习的脑电病理学诊断

    机器学习(Machine learning, ML)方法有可能实现临床脑电(Electroencephalography, EEG)分析的自动化。它们可以分为基于特征的方法(使用手工制作的特征)和端到端的方法(使用学习的特征)。以往对EEG病理解码的研究通常分析了有限数量的特征、解码器或两者兼而有之。对于I)更详细的基于特征的EEG分析,以及II)两种方法的深入比较,我们首先开发了一个全面的基于特征的框架,然后将该框架与最先进的端到端方法进行比较。为此,我们将提出的基于特征的框架和深度神经网络(包括EEG优化的时间卷积网络(temporal convolutional network, TCN))应用于病理性和非病理性EEG分类。为了进行强有力的比较,我们选择了天普大学医院(Temple University Hospital, TUH)的异常EEG语料库(2.0.0版),其中包含大约3000个EEG记录。结果表明,所提出的基于特征的解码框架可以达到与现有深度神经网络相同的精度。我们发现这两种方法的准确率都在81%到86%的范围内。此外,可视化和分析表明,这两种方法使用了相似的数据方面,例如,在颞叶电极位置处的delta和theta波段功率。我们认为,由于临床标签之间的不完全一致性,目前的二值EEG病理解码器的准确率可能达到90%左右,并且这种解码器已经在临床上有用,例如在临床EEG专家很少的领域。我们提出的基于特征的框架是开源的,从而为EEG机器学习研究提供了一个新的工具。本文发表在Neuroimage杂志。

    02

    探索MEG脑指纹:评估、陷阱和解释

    基于受试者的功能性连接组(FC)的个体特征(即“FC指纹”)已经成为当代神经科学研究的一个非常热门的目标,但脑磁图(MEG)数据中的FC指纹还没有得到广泛的研究。本研究中,我们研究来自人类连接组计划(HCP)的静息状态的MEG数据,以评估脑磁图FC指纹及其与包括振幅和相位耦合的功能连接指标、空间渗漏校正、频带和行为意义在内的几个因素的关系。为此,我们首先使用两种识别评分方法,区分识别率和成功率,为每个FC测量提供定量指纹评分。其次,我们探索了横跨不同频段(δ、θ、α、β和γ)的边缘和节点的MEG指纹模式。最后,我们研究了从同一受试者的MEG和fMRI记录中获得的跨模态指纹模式。我们的结果表明,指纹识别的性能在很大程度上取决于功能连接指标、频带、识别评分方法和空间渗漏校正。本研究初步提供了MEG指纹与不同方法学和电生理因素相关的第一个特征,并有助于理解指纹的跨模态关系。

    00

    头皮和硬膜下EEG对脑深部活动的定位

    对于皮层脑电图(ECoG)和头皮脑电图(sEEG)在定位大脑深层活动来源的能力上的不同尚不明显。与sEEG相比,ECoG的空间分辨率和信噪比更高,但其空间覆盖范围受到更多限制,有效测量组织活动的体积也是如此。本研究记录了4名顽固性癫痫患者在安静清醒状态下的多模式数据集,这些数据包括同步的头皮、硬膜下和深部EEG电极记录。本研究应用独立成分分析(ICA)来分离θ、α和β频段活动中的独立源。在所有患者中都观察到了硬膜下和头皮EEG成分,这与深部电极的一个或多个触点有显着的零滞后相关性。随后对相关成分的偶极建模显示,其偶极位置明显比非相关成分的偶极位置更接近深部电极。这些发现支持这样一种观点,即在两种记录方式中发现的成分都来自深部电极附近的神经活动。从本研究看,出于临床目的的将ECoG电极植入在靠近深部电极的位置,这并不能使源定位精度显著提高。此外,由于嵌入了ECoG电极的电隔离硅胶片,ECoG栅格衰减了sEEG。偶极子模型实验结果表明,sEEG的深源定位精度与ECoG相当。 1、背景 研究证明,与大脑深层结构的距离越大,记录的电极活动就越弱。在定位近端活动方面,ECoG较EEG有相当大的优势,具有优越的空间分辨率、频谱带宽和信噪比(SNR),因为记录不会被空间过滤或被头盖骨阻挡。然而,与EEG的整个头皮覆盖相比,ECoG网格或条带只覆盖皮质表面的有限区域,可能会影响更远端来源的局部化准确性。因此,到目前为止,还不清楚ECoG在定位深部和皮层下区域的源信号方面是否比EEG有优势。 要评估EEG和ECoG在深部源定位方面的实际比较,需要同时记录有/无创性的皮层和深层活动,如图1。

    03

    基于STM32无人超市消费系统设计

    针对传统超市购物车结账排队时间长、付款效率低的问题,提出了一种更符合现代社会人们购物方式-基于RFID的自助收银系统。习惯了快节奏生活的人们都会选择自助收银机结账,理由显而易见:自助收银机结账很方便,几乎不用排队,也不用近距离和收银员接触,在防疫时期特别感觉安心。而且自助结账对每件物品的售价更是一次清晰地核对,最终需支付合计购物支出自己也更加清晰明了;这两年来,越来越多的智能设备应用在我们的生活领域里,为我们的生活提供了很多智能和便利。自助收银机从几年前就陆续涌入到各地商场、超市、便利店,自去年疫情发生后自助收银的需求比例更是呈直线上升趋势。自助收银机的启用,不仅节约了超市的人力开支成本,也从根本上提升了超市的购物支付效率,在这个快节奏的社会里,智能自助收银机也从根本上提升了超市等购物场所的服务质量。

    06

    Nature子刊:支持人类情景记忆编码的振荡信号与基因表达的相关性

    全基因组关联研究(genome-wide association studies, GWAS)和人类大脑的基因表达谱揭示了研究复杂大脑现象的遗传基础的能力。这些数据集主要用于非侵入性成像研究,特别是与结构MRI或静息状态fMRI的相关性。现有的方法依赖于已发表的死后脑基因表达数据集,这意味着神经生理和行为数据不是来自提供基因表达数据的同一人。这限制了此类方法确定基因如何支持关键的认知过程(如情景记忆)的潜在影响,并突显出开发新的个人同时贡献了神经生理和基因表达数据的数据集的必要性。另一个影响先前研究的问题是,神经生理测量,如静息状态fMRI,与认知现象没有直接联系。因此,我们以前试图将基因表达水平与成功记忆编码的振荡特征联系起来,因为这些振荡在支持记忆行为方面的基本作用已经在啮齿类动物和人类中得到了很好的确立。这些振荡特征是对编码成功的记忆在给定频带内调制振荡功率的程度的衡量。他们使用植入癫痫标测的颅内电极进行量化,并在受试者执行情景记忆任务时进行记录。我们使用了一个超过10年的颅内脑电图(iEEG)记录的大型数据库,拼凑出这些振荡信号在大脑各区域的分布。我们确定了与这些振荡信号相关的基因,包括那些以前在啮齿动物研究中与记忆形成有关的基因,与自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD)等认知障碍相关的基因,以及作为进一步研究的主要目标的新基因。然而,与其他研究一样,该数据集并不能同时受益于来自同一个体的神经生理和基因表达信息。

    01

    儿童和青少年静息态MEG振荡活动的发展轨迹:一项纵向研究

    神经振荡可能对脑成熟方面如髓鞘化和突触密度变化敏感。更好地确定发育轨迹和可靠性对于理解典型和不典型神经发育是必要的。在这里,我们在2.25年中对110名正常发育的儿童和青少年(9 ~ 17岁)中检验了信度。利用10 min静息态脑磁图数据,计算归一化源谱功率和组内相关系数。我们发现了全局归一化功率的性别特异性差异,男性显示出与年龄相关的delta和theta降低,以及与年龄相关的beta和gamma增加。女性的显著年龄相关变化较少。结构磁共振成像显示,男性灰质总量、皮质下灰质、皮质白质体积较大。总灰质体积有显著的年龄相关变化,与性别特异性和频率特异性相关的归一化功率。在男性中,总灰质体积的增加与theta和alpha的增加以及gamma的减少相关。测试-重测可靠性在所有频带和源区域都很好。重测信度范围从好(alpha)到一般(theta)到差(其余波段)。虽然成人的静息态神经振荡可以具有类似指纹的质量,但我们在这里表明,由于大脑的成熟和神经发育的变化,儿童和青少年的神经振荡继续进化。

    02

    PNAS:青少年大脑功能连接的保守和破坏性模式变化

    青少年时期人类大脑功能的变化尚不完全清楚。在这项研究中,我们使用多回声功能磁共振成像(fMRI)来测量298名健康青少年的330个皮层区域和16个皮层下区域间静息态振荡的功能连通性(FC)的发育变化。受试者年龄在14 - 26岁,间隔至少6个月扫描1- 3次。我们发现FC有两种不同的与年龄相关的变化模式:保守型和破坏性。初级皮层以保守发育为主,14岁时连接较强,14 - 26岁时连接更强。联合皮层及皮层下区以破坏发育为主,连通性被重塑:14岁时较弱的连接在青春期变得较强,14岁时较强的连接变得较弱。使用成熟指数(MI)对这些发展模式进行了量化,该指数估计为每个脑区边基线FC (14 岁, FC14)和青少年FC变化(ΔFC14-26)之间的Spearman相关性。在先前的fMRI数据中,社会认知和自传体记忆任务激活了破坏性系统(负MI),并与先前的有氧糖酵解(AG)、AG相关基因表达、出生后皮层表面扩张和青少年期皮层厚度收缩的地图显著重合。这两种发育模式的存在对许多灵敏度分析是稳健的。我们的结论是,在青少年时期,人脑组织被皮质和皮质下区域之间的FC重塑所破坏。

    04

    Nature Biotechnology: EEG特征预测重度抑郁症的抗抑郁药反应

    抗抑郁药已被广泛使用,但其疗效仅为适中,部分原因是重度抑郁症的临床诊断包含生物异质性条件。华南理工大学和斯坦福大学研究人员在Nature Biotechnology杂志发表文章,试图识别抗抑郁药治疗反应的神经生物学特征(与安慰剂相比)。本研究开发了一个适用于静息态EEG(rsEEG)的潜在空间机器学习算法(latent-space machine-learning algorithm),并将其应用到安慰剂-对照抗抑郁药研究的数据中(n=309)。抗抑郁药舍曲林rsEEG模型(与安慰剂相比)可以稳健预测症状改善,并且应用于不同的研究地点和EEG设备上。这种舍曲林-预测的EEG特征可推广到另外两个抑郁样本,它反映了普遍的抗抑郁药物反应,并与rTMS治疗结果有相关。此外,通过同步TMS和EEG测量,研究者发现舍曲林rsEEG特征表征前额叶的神经反应。该研究通过EEG计算模型促进了对抗抑郁药治疗的神经生物学理解,并为抑郁症的个性化治疗提供了临床手段。

    02
    领券