基于時(shí)間序列的復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與分析.pdf

1、大腦是由上千億神經(jīng)元組成的有機(jī)整體，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是大腦進(jìn)行信息加工和處理的信息通路，網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浠蚬?jié)點(diǎn)的改變會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)特性發(fā)生改變，從而導(dǎo)致大腦的病變。本文從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)角度研究腦網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其動(dòng)力學(xué)演化機(jī)制。
　　針對(duì)抑郁癥等精神疾病無(wú)具體病灶的特點(diǎn)，本文首次采用了全腦域、可達(dá)大腦深部的磁刺激方案，通過(guò)腦電圖分析表明該方案能有效改善抑郁狀態(tài)，為了研究腦網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改善的內(nèi)在機(jī)制，獲得網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方程和拓?fù)涫茄芯康那疤岷突A(chǔ)。對(duì)于有病灶區(qū)

2、域的癲癇疾病，分析了病灶區(qū)切除前后腦電的不同，發(fā)現(xiàn)腦電信號(hào)的非線性特性存在明顯區(qū)別；由于腦電信號(hào)的非線性分析并不能反映腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难莼卣?，而傳統(tǒng)的腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)少難以反映網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因而必須探索新的時(shí)間序列的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法。
　　由于神經(jīng)元的動(dòng)力學(xué)方程和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫俏粗?，本文從?dòng)力學(xué)系統(tǒng)角度出發(fā)，提出了僅利用含噪時(shí)間序列估計(jì)神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)方程和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法。首先利用最小二乘自適應(yīng)控制方法和

3、壓縮傳感恢復(fù)算法實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)方程估計(jì)；然后利用稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)方法辨識(shí)無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)和小世界網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真表明所提出的方法具有較強(qiáng)魯棒性和準(zhǔn)確性。
　　首次提出了混沌時(shí)間序列構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的直接法，發(fā)現(xiàn)構(gòu)建的Lorenz及R ssler系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D與它們的混沌吸引子存在形態(tài)相似性。分析洛倫茲系統(tǒng)相空間重構(gòu)方法構(gòu)建的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)隨著嵌入維數(shù)的增加平均路徑長(zhǎng)度逐漸增加、聚類系數(shù)逐漸減小。為克服可視圖建網(wǎng)方法無(wú)法體現(xiàn)時(shí)間依

4、賴性的缺陷，提出了局部可視圖建網(wǎng)方法，通過(guò)分析神經(jīng)元混沌簇放電時(shí)間序列，發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜徒y(tǒng)計(jì)特性能反映時(shí)間序列隨時(shí)間的演化特征。
　　通過(guò)分析睜眼和閉眼情況下腦電信號(hào)遞歸圖的確定性，發(fā)現(xiàn)了閉眼情況下確定性明顯高于睜眼時(shí)，并且利用構(gòu)建的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同樣反映了閉眼情況下的拓?fù)鋱D規(guī)則有序的確定性特征。利用提出的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法研究癲癇腦電信號(hào)，發(fā)現(xiàn)從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒y(tǒng)計(jì)特性上能明顯區(qū)分癲癇發(fā)作和發(fā)作間歇期的信號(hào)；對(duì)強(qiáng)直性陣攣癲癇發(fā)作前、中、后的