本文關(guān)鍵詞：EEG信號(hào)構(gòu)建的復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)同步性研究

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【摘要】：大腦是自然界中最為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),它的復(fù)雜不僅僅體現(xiàn)在數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元在空間上互相連接所形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu),還體現(xiàn)在這些神經(jīng)元通過(guò)大量的群集和彼此間相互的協(xié)同作用所形成的情感認(rèn)知功能。因此,使用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論來(lái)分析大腦網(wǎng)絡(luò)中所蘊(yùn)含的耦合關(guān)系,是近年來(lái)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域所研究的重點(diǎn)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中有很多可以解釋網(wǎng)絡(luò)的效率和工作狀態(tài)的指標(biāo),如平均距離、耦合程度、聚類系數(shù)、度分布等。不同的指標(biāo)能夠度量網(wǎng)絡(luò)的不同性質(zhì)。本文從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度出發(fā),探討了腦網(wǎng)絡(luò)同步狀態(tài)的形成以及達(dá)到同步狀態(tài)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,提出了適合應(yīng)用在腦網(wǎng)絡(luò)上的同步穩(wěn)態(tài)模型,并給出了理論依據(jù)和證明,探索了腦網(wǎng)絡(luò)達(dá)到同步穩(wěn)態(tài)時(shí)的一個(gè)理論判據(jù)。同時(shí)使用了嗜酒成癮的腦電數(shù)據(jù)和DEAP情感數(shù)據(jù)在對(duì)提出的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。在嗜酒成癮數(shù)據(jù)集中分析了正常人和酗酒患者腦網(wǎng)絡(luò)同步特征的差異,并使用DEAP數(shù)據(jù)集下的實(shí)驗(yàn)結(jié)論作為參照對(duì)比。主要工作如下:(1)在一般復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同步模型上做了改進(jìn),使之可以適用于腦網(wǎng)絡(luò),消除了復(fù)變量的存在,使得動(dòng)力學(xué)中一般主穩(wěn)定方程可以以矩陣分解的形式應(yīng)用在腦網(wǎng)絡(luò)中,并且在構(gòu)造過(guò)程中將系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的狀態(tài)參數(shù)從一個(gè)變成了兩個(gè)。使用坐標(biāo)塊下降算法對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)同步模型進(jìn)行了變換,并構(gòu)造了李雅普諾夫判別式,給出了一個(gè)判斷腦網(wǎng)絡(luò)是否達(dá)到同步的理論判據(jù)。(2)給出了由完整腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造其子網(wǎng)絡(luò)的一種節(jié)點(diǎn)選取規(guī)則——隨機(jī)阿波羅方法,并分析了根據(jù)這種方法構(gòu)造出的子網(wǎng)絡(luò)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加,其同步穩(wěn)定狀態(tài)的變化。(3)在嗜酒成癮數(shù)據(jù)集上,使用電極做節(jié)點(diǎn),并選取同步似然性來(lái)度量通道之間的相關(guān)性,構(gòu)造了酗酒病人和正常病人的EEG功能腦網(wǎng)絡(luò),對(duì)比了兩者腦網(wǎng)絡(luò)同步的持續(xù)時(shí)間,和達(dá)到同步時(shí)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定狀態(tài),發(fā)現(xiàn)正常人的腦網(wǎng)絡(luò)達(dá)到同步時(shí)間雖然長(zhǎng)于酗酒病人,但其同步狀態(tài)更加穩(wěn)定,并通過(guò)獨(dú)立成分分析揭示了其中的原因:正常人腦網(wǎng)絡(luò)具有同步性極強(qiáng)的結(jié)點(diǎn)來(lái)引導(dǎo)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到同步狀態(tài),而相比之下,酗酒者腦網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響要小很多。(4)在DEAP數(shù)據(jù)集上重新按照同樣的方法構(gòu)造腦網(wǎng)絡(luò),并分析所得網(wǎng)絡(luò)的同步時(shí)間,穩(wěn)定性持續(xù)狀態(tài),以及結(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)同步的貢獻(xiàn)值,進(jìn)一步證明了上述結(jié)論。本文通過(guò)對(duì)一般復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同步模型進(jìn)行了改進(jìn),使之能夠應(yīng)用在腦網(wǎng)絡(luò)上,并通過(guò)兩種數(shù)據(jù)集對(duì)模型的正確性驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的模型能夠較好的度量正常人和酗酒患者腦網(wǎng)絡(luò)的同步特征,并且在同步的持續(xù)時(shí)間和穩(wěn)定狀態(tài)方面,正常人的腦網(wǎng)絡(luò)都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。希望本文所提出的方法可以為今后腦網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供新的思路和參考。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O157.5

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