心理生理可計算建模理論與方法的研究.pdf

1、心理生理學(xué)是一門研究人體心理行為與生理反應(yīng)之間關(guān)聯(lián)性的重要心理學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科，通過將情緒活動等心理變化作為自變量，將人體各項(xiàng)生理反應(yīng)作為因變量，提高心理學(xué)研究的可操作性和可測量性，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從生理數(shù)據(jù)來揭示心理活動的特點(diǎn)和規(guī)律，最終推斷出人的心理狀態(tài)或精神狀態(tài)。然而，心理活動和生理反應(yīng)之間的對應(yīng)關(guān)系往往都是復(fù)雜的一對多、多對一或多對多關(guān)系，很難直接獲得理想化的一對一關(guān)系。同時，生理測量數(shù)據(jù)越來越具有“大數(shù)據(jù)”特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的依賴于先驗(yàn)知識

2、的分析方法已無法適用。因此，在生理“大數(shù)據(jù)”時代，如何從多個角度研究心理和生理間復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系，從中找出具有可靠性、復(fù)現(xiàn)性、普遍性的一對一關(guān)系，就成為心理生理學(xué)研究所面臨的一大難題。為此，本研究團(tuán)隊提出了“心理生理計算”這一新的研究概念，從工程學(xué)角度入手，通過將信息獲取、計算及分析的思想與方法應(yīng)用到心理生理學(xué)研究當(dāng)中，分析復(fù)雜的心理生理映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對不同心理狀態(tài)更為客觀、及時和準(zhǔn)確的解釋，量化評估以及推理計算，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)心理生理推理

3、在心理及精神障礙疾病診斷方面的臨床應(yīng)用，解決日趨嚴(yán)重的心理健康問題提供一種工程化的方法。
　　然而作為一個新的研究概念，“心理生理計算”尚缺乏較為系統(tǒng)的理論與研究框架。同時，心理生理測量數(shù)據(jù)存在的穩(wěn)定性差、個體差異影響顯著、多模態(tài)、高緯度、小樣本量等特點(diǎn)也給發(fā)掘可靠的心理生理對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)瞬時、可靠、有效的定量感知和推理計算帶來了新的挑戰(zhàn)。
　　本文針對“心理生理計算”中亟待解決的若干問題，從系統(tǒng)化研究框架構(gòu)建、可靠關(guān)系發(fā)掘

4、及預(yù)測推理算法創(chuàng)新等方面展開深入研究，主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　?。?）“心理生理計算”理論與研究框架：針對“心理生理計算”這一新的研究概念尚缺乏較為系統(tǒng)的理論與研究框架這一問題，本文首次系統(tǒng)化地探討了使用“計算思維”研究心理生理學(xué)問題、從工程學(xué)角度對心理狀態(tài)進(jìn)行定量感知與計算的必要性，同時從概率學(xué)角度分析了“心理生理計算”環(huán)境下心理生理推理的可行性，并提出了一個初步的“心理生理計算”研究框架。該框架充分考慮到數(shù)據(jù)多模態(tài)特性、時間

5、變化特性以及個體和環(huán)境差異性這三個維度對心理生理對應(yīng)關(guān)系的影響，融合理論驅(qū)動、數(shù)據(jù)驅(qū)動的可計算建模方法，以及創(chuàng)新的本體上下文建模方法，為“心理生理計算”的系統(tǒng)化研究及臨床應(yīng)用提供了重要的參考價值和借鑒意義。
　?。?）面向“心理生理計算”的規(guī)范化線性組合核函數(shù)：針對心理生理測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、個體差異影響顯著、小樣本量等特點(diǎn)，本文研究了多核學(xué)習(xí)理論，通過規(guī)范化一階多項(xiàng)式核函數(shù)，再基于其規(guī)范化形式構(gòu)造無窮遞降等比數(shù)列，利用該數(shù)列的求和

6、收斂性得到一種新的支持向量機(jī)（SVM）規(guī)范化線性組合核函數(shù)（Normalized Linear Combination Kernel。NLC）。理論分析可以看出，NLC核函數(shù)所具有的融合性、無參性和數(shù)據(jù)自適應(yīng)性可以在一定程度上緩解心理生理測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、個體差異影響顯著、小樣本量所帶來的影響，幫助模型學(xué)習(xí)到數(shù)據(jù)樣本更深層次的隱含信息，在降低模型選擇及參數(shù)優(yōu)化時間復(fù)雜度的同時，帶來較好的分類預(yù)測及泛化能力。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，NLC核函數(shù)

7、在腦電信號、結(jié)構(gòu)磁共振成像等不同類型的心理生理測量數(shù)據(jù)上，均能達(dá)到甚至超過多參網(wǎng)格尋優(yōu)后的多項(xiàng)式和高斯核函數(shù)的分類預(yù)測性能，而其無參數(shù)的特點(diǎn)則使得分類預(yù)測時間效率的提升非常顯著，從而為實(shí)現(xiàn)更為瞬時、可靠、有效的心理生理推理打下了基礎(chǔ)。
　　（3）面向“心理生理計算”的多任務(wù)特征選擇方法：針對心理生理測量數(shù)據(jù)普遍存在的高維小樣本特點(diǎn)，本文通過研究多任務(wù)學(xué)習(xí)理論提出了一種全新的特征選擇方法?？紤]到“心理生理計算”研究尚沒有用于驗(yàn)證心理

8、生理推理有效性的金標(biāo)準(zhǔn)，其有效性判定通常是基于心理生理推理結(jié)論與其他類型驗(yàn)證方法所得結(jié)論的一致性，新方法采用多任務(wù)聯(lián)合分類及回歸模型，在高維生理數(shù)據(jù)特征選擇時，通過引入多類型驗(yàn)證方法之間存在的關(guān)聯(lián)性和一致性作為輔助，增加特征選擇時的參考信息，從而選擇出差異性更大、判別能力更強(qiáng)、無冗余，并且使不同類型驗(yàn)證方法的結(jié)論一致收斂的特征子集，獲得更為可靠的心理生理對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步提升心理生理推理的有效性和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，與最小冗余最大相