一种融合多源信息的脑效应连接网络蚁群学习算法

脑效应连接(Effective connectivity, EC)网络是人脑连接组研究中一项重要的研究课题,识别脑效应连接网络已成为评价正常脑功能及其与神经退化疾病相关损伤的一种有效手段.针对从功能性磁共振成像数据中进行脑效应连接网络的学习问题,提出了一种将多源信息与蚁群优化过程相融合的学习方法.新方法首先利用弥散张量...     

基于稀疏张量分解的动态功能网络分析

静息态功能磁共振成像(RS-fMRI)是目前研究人脑功能的重要技术之一,脑功能连接的动态分析为研究大脑内部状态变化提供了一种有效的手段。文中提出了一种基于稀疏张量CP分解算法的动态脑功能网络分析方法。首先利用静息态fMRI数据不同维度的信息构建张量模型,并对其进行优化求解。然后使用动态检测法对时变网络的状态进行划分,构建脑功能连接网络,并与常用的滑动窗口方法进行对比分析。实验结果表明,该方法能够准确识别出静息态fMRI数据的时间维度信息,捕获静息态fMRI数据中的动态功能连接。     

基于邻域决策粗糙集的脑功能连接生物标记物识别

脑功能连接判别特征可以作为神经精神类疾病诊断的一种生物标记物,利用机器学习方法对其进行识别是脑科学研究中的一项重要课题.已有脑功能连接生物标记物的识别方法大都忽视了脑功能连接数据高维、连续、多噪声的特性对识别性能的影响,导致所得到的生物标记物的分类能力不强.对此,提出一种基于邻域决策粗糙集的脑功能连接生物标记物识别方法.首先,针对脑功能连接数据连续性和高噪声的特点,引入能有效处理连续和高噪声数据的邻域决策粗糙集来识别分类能力更强的脑功能连接判别特征作为生物标记物;其次,针对脑功能连接数据的高维特点,通过快速生成邻域和缩小特征搜索空间来保证邻域决策粗糙集识别脑功能连接生物标记物的效率.在ABIDE I和ADNI数据集上的实验结果表明,所提出方法能够准确快速地获得分类能力更强的脑功能连接判别特征,有望为神经精神类疾病的诊断提供更准确的生物标记物.     

词语识别认知过程中的脑功能网络研究

词语识别是心理语言学研究领域的一个重要方面,基于脑功能网络连接模式的研究有助于对其神经机制的揭示。本文基于开源词语识别fMRI实验数据,首先利用人脑解剖学模板AAL分别构建真词试验时和辅音字符串试验时的脑功能网络,然后采用图论分析中的度中心性对AAL中的90个脑区进行活跃度度量,最后使用T检验对两种试验条件下各脑区的活跃度进行了统计对比。实验结果显示,真词试验时脑功能网络中分布在距状裂周围皮层、舌回、枕上回、枕中回、枕下回、顶上回的9个脑区的度中心性显著高于辅音字符串试验时的情况。实验结果表明,人脑在识别具有语义信息的词语时,大脑皮层的各个区域更加趋于协作,显著活跃的脑区能够作为词语识别进一步研究的生物标记。     

基于生物脑网络连接特性的高效神经网络算法

人工神经网络发展至今,已经在计算机视觉、类脑智能等方面得到广泛应用.在过去几十年中,人们对神经网络的研究注重追求更高的准确率,从而忽略了对网络计算成本的控制.而人脑作为高效且节能的网络,其对人工智能的发展起到了重要启示作用.如何仿真生物脑网络的连接特性,建立超低能耗的人工神经网络模型实现基本相同的目标识别正确率成为当前研究的热点.为建立低能耗的人工神经网络模型,本文结合大脑网络的连接特性,通过改变人工神经网络的连接实现网络的高效性.实验结果表明,结合生物脑网络的连接特性,改变网络的连接,很大程度上减少了网络的计算成本,而网络的性能并没有受到明显影响.     

fMRI动态功能网络构建及其在脑部疾病识别中的应用

如何从复杂的fMRI数据中提取 丰富的大脑信息是提高脑部疾病识别精度的关键。传统的静息态功能磁共振成像分析中,功能连接网络被认为是稳定不变的。提出一种基于成组独立成分分析的构建动态功能连接网络的方法,并通过该网络来获取功能网络本身的动态特性。首先,利用成组独立成分分析法提取fMRI数据的空间独立成分作为网络节点,并通过滑动时间窗的方法获取窗口时间序列,构建动态功能连接网络。以动态功能网络作为特征,对精神分裂症患者和正常被试数据进行分类识别。实验结果表明,该方法能够获取fMRI数据的时间维度信息,提高识别效果,在一定程度上能为临床诊断提供客观参照。     

受限波兹曼机联合稀疏近似的脑功能检测模型

人脑功能连通性检测是神经科学研究的重要技术．使用受限制波兹曼机（RestrictedBoltzmannMachine,RBM）对大量多被试功能磁共振（functionalMagneticResonanceImaging,fMRI）数据进行建模可以检测人脑功能连接,但是不能有效检测单被试数据的功能连接．本文研究一种新颖的融合了稀疏近似与RBM技术的脑功能连通性检测模型,该模型充分利用fMRI数据的稀疏性,采用稀疏近似理论对fMRI数据进行空间域稀疏近似压缩,然后使用RBM建立模型,以检测脑功能连通性．实验结果表明,该融合模型可以有效地提取单被试数据的脑功能时间域混合模型及其相应的脑功能图谱,解决了RBM在单被试数据分析上的瓶颈．     

动态功能脑网络模型的多任务融合Lasso方法

目的 传统的静息态功能性磁共振成像（fMRI）的功能脑网络（FBN）研究是基于在整个扫描过程中FBN固定不变的假设。但是,最近的研究表明FBN是动态变化的,而且其中蕴含着丰富的信息。本文提出一种多任务融合最小绝对值收缩和选择算子（Lasso）方法来构建静息态fMRI的动态FBN。 方法 提出的多任务融合Lasso方法可以在构建动态FBN时,保留网络的稀疏性及子序列的时间平滑性。具体来说,首先用滑动窗方法得到交叠的静息态fMRI子序列;然后用多任务融合Lasso方法联合地估计一个样本的所有子序列的功能连接从而构建动态FBN,用k均值聚类算法得到每类样本子序列的功能连接的聚类中心,并将所有类的聚类中心组成回归矩阵;最后根据回归矩阵求样本的回归系数,将其作为特征进行分类,验证多任务融合Lasso方法对动态FBN建模的有效性。 结果 采用公开的fMRI数据集来验证多任务融合Lasso模型构建动态FBN的分类效果。实验使用阿尔兹海默症神经影像学计划（ADNI）公开的fMRI数据集中的阿尔兹海默症患者、早期轻度认知功能障碍患者和健康被试3组数据,并用准确率、灵敏度和特异度来评估算法的分类性能。在3组二分类实验中,本文方法分别达到了92.31%、80.00%和84.00%的准确率。实验结果表明,与静态FBN模型和其他传统的动态FBN模型相比,本文方法能取得更好的分类效果。结论 本文提出的多任务融合Lasso构建动态FBN的方法,能有效地保留网络的稀疏性和子序列的时间平滑性,同时提高算法的分类效果,在一定程度上为脑部疾病的诊断提供帮助。多任务融合Lasso模型可以用于动态FBN的构建,挖掘功能连接的动态信息,同时整个算法可以用于基于fMRI数据的脑部疾病的分类研究中。     

脑网络中不同负连接处理方法的重测信度研究

为了准确刻画和评估脑功能网络的拓扑结构,如何定义网络的节点和边缘至关重要。基于四种节点定义策略和两种负连接处理方法来构建脑功能网络,并对其进行不同时间间隔的重测信度分析,通过绝对值与正相关网络的比较旨在发现负连接对脑功能网络可靠性的影响。实验结果表明,包含负连接信息的绝对值网络表现出相对较低的长期可靠性,并受到节点定义策略的限制。不同负连接处理方法的重测信度差异为人脑的功能网络研究提供了方法学建议。     

静息态脑功能网络的社团结构研究

为了探索人脑的工作机制,提出将社团划分算法应用于人脑功能网络。利用功能磁共振(fMRI)采集28名健康被试静息态脑功能数据,构建了基于时间序列的脑功能网络;根据模块度和网络全连接理论对网络中的边数划定阈值范围,利用层次聚类算法和贪心算法对脑网络进行社团划分,实验结果证明两种算法的划分结果基本一致,验证了人脑功能网络具有模块化结构;进而分析了脑网络社团结构在跨阈值范围内的差异化表现,提出了研究脑功能网络的边数有效阈值范围是180至320条边。挖掘脑网络的社团结构有助于研究脑病变机理,以辅助脑疾病的诊断治疗。     

Effective connectivity analysis of fMRI data based on network motifs

Exploring effective connectivity between neuronal assemblies at different temporal and spatial scales is an important issue in human brain research from the perspective of pervasive computing. At the same time, network motifs play roles in network classification and analysis of structural network properties. This paper develops a method of analyzing the effective connectivity of functional magnetic resonance imaging (fMRI) data by using network motifs. Firstly, the directed interactions between fMRI time-series are analyzed based on Granger causality analysis (GCA), by which the complex network is built up to reveal the causal relationships among different brain regions. Then the effective connectivity in complex network is described with a variety of network motifs, and the statistical properties of fMRI data are characterized according to the network motifs topological parameters. Finally, the experimental results demonstrate that the proposed method is feasible in testing and measuring the effective connectivity of fMRI data.     

基于动态功能连接的运动任务大脑状态表达

针对传统静态功能连接分析技术不能准确反映大脑动态功能状态的问题,提出了一种基于全脑动态功能连接(DFC)分析对大脑的状态变化进行表达的方法。首先,利用个体的弥散张量成像(DTI)数据构建高精确度全脑网络,将运动任务下功能磁共振成像(fMRI)数据映射到相应DTI空间后,提取各节点fMRI信号;然后,采用滑动时间窗口方法计算随时间变化的全脑功能连接强度矩阵,并提取动态功能连接向量(DFCV)样本;最后,将所有个体的DFCV样本通过基于Fisher准则的字典学习(FDDL)算法进行稀疏表达和分类。共得到8个该运动任务下全脑功能连接状态模式,各模式的功能连接强度空间分布具有明显差异,模式1、模式2和模式3占据了大部分样本分布(77.6%),且与平均静态功能连接强度矩阵之间的相似度明显高于其他5个模式。此外,大脑在各模式之间的状态迁移遵循一定的规律。实验结果表明,采用全脑DFC和FDDL学习相结合的方法,能够有效地对任务态下大脑的功能状态变化进行表达,为研究脑动态信息处理机制提供基础。     

一种基于先验信息的脑功能网络提取方法*

目的 脑功能网络的提取在脑科学研究中具有重要意义,本文提出一种基于先验信息的脑功能网络提取方法。方法该方法首先基于先验信息得到初始的目标和背景种子点,然后基于图论将整个脑图像构建图,最后利用半监督聚类技术提取脑功能网络。基于不同信噪比的模拟数据,本文对提出方法、基于种子点的方法、独立成分分析方法、以及两种聚类方法（归一化最小化割和K均值方法）进行比较。基于真实脑静息态功能核磁共振数据,本文使用提出方法对默认模式网络进行提取。结果 基于模拟数据的实验结果表明提出算法相对于传统的方法可以得到更为准确且鲁棒的脑功能网络。基于静息态功能核磁共振数据得到的默认模式网络在一些重要脑区具有高的稳定性,且不同地点采集数据得到的结果具有较强的一致性。结论 提出方法是一种有效的脑功能网络提取方法。     

A new dynamic Bayesian network approach for determining effective connectivity from fMRI data

Two techniques based on the Bayesian network (BN), Gaussian Bayesian network and discrete dynamic Bayesian network (DBN), have recently been used to determine the effective connectivity from functional magnetic resonance imaging (fMRI) data in an exploratory manner and to provide a new method for exploring the interactions among brain regions. However, Gaussian BN ignores the temporal relationships of interactions among brain regions, while discrete DBN loses a great deal of information by discretizing the data. To overcome these limitations, the current study proposes a new BN method based on Gaussian assumptions, termed Gaussian DBN, to capture the temporal characteristics of connectivity with less associated loss of information. A set of synthetic data were generated to measure the robustness of this method to noise, and the results were compared with discrete DBN. In addition, real fMRI data obtained from twelve normal subjects in the resting state was used to further demonstrate and validate the effectiveness of the Gaussian DBN method. The results demonstrated that the Gaussian DBN was more robust than discrete DBN and an improvement over BN.     

Fusing functional connectivity with network nodal information for sparse network pattern learning of functional brain networks

Sparse learning methods have been powerful tools for learning compact representations of functional brain networks consisting of a set of brain network nodes and a connectivity matrix measuring functional coherence between the nodes. However, these tools typically focus on the functional connectivity measures alone, ignoring the brain network nodal information that is complementary to the functional connectivity measures for comprehensively characterizing the functional brain networks. In order to provide a comprehensive delineation of the functional brain networks, we develop a new data fusion method for heterogeneous data, aiming at learning sparse network patterns to characterize both the functional connectivity measures and their complementary network nodal information within a unified framework. Experimental results have demonstrated that our method outperforms the best alternative method under comparison in terms of accuracy on simulated data as well as both reproducibility and prediction performance of brain age on real resting state functional magnetic resonance imaging data.