本文關(guān)鍵詞：人類大腦皮層中聲音方位表達(dá)機(jī)制的研究

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【摘要】：聲音方位感知是大腦的基本功能,也是神經(jīng)科學(xué)中的重要課題。已有的研究發(fā)現(xiàn)哺乳動物聽覺皮層上的神經(jīng)元對于聲音方位沒有特別的“喜好”,調(diào)諧曲線廣闊,因此聲音方位信息在大腦皮層中如何編碼一直是一個未知的問題。目前存在的研究多用視平面上的方位聲音來刺激聽覺皮層,缺乏對三維方位聲音在腦皮層上表達(dá)機(jī)制的定量分析。本研究通過設(shè)計行為學(xué)實驗和功能性核磁共振成像(f MRI)實驗,結(jié)合信息科學(xué)的編碼、解碼技術(shù),從如下兩個方面研究了這個問題:(1)大腦皮層中神經(jīng)元是否編碼了聲音的方位信息;(2)大腦皮層神經(jīng)元如何編碼物理三維空間方位。本研究工作包含實驗設(shè)計與建模分析兩個部分。在實驗設(shè)計方面,我們搭建了專門的行為學(xué)實驗平臺,采用入耳式麥克風(fēng)為每位被試單獨(dú)錄制真實的三維方位聲音刺激,解決了功能性核磁共振成像實驗無法直接呈現(xiàn)方位聲音的問題。在功能性核磁共振成像實驗中,我們采用快速事件相關(guān)實驗設(shè)計,使用錄制的三維方位聲音刺激,采集了被試聽不同方位聲音時的腦活動圖像。在建模分析方面,我們結(jié)合單變量分析方法和多變量分析方法,定位了方位聲音的激活腦區(qū)。本研究提出了基于感興趣區(qū)域的置換檢驗特征選擇法,并建立了方位聲音腦圖像的預(yù)測模型與方位聲音腦圖像的分類模型,解碼了腦圖像中的聲音方位信息。實驗結(jié)果表明人類大腦皮層中的神經(jīng)元攜帶有聲音方位信息。在特征選擇的基礎(chǔ)上,我們定義了有效體素與顯著有效體素,對大腦皮層中編碼聲音方位信息神經(jīng)元的空間特征進(jìn)行了分析。當(dāng)對不同維度上的方位聲音進(jìn)行分辨時,被試顳葉區(qū)有效體素表現(xiàn)出穩(wěn)定且顯著不同的空間特征。其中,與X軸相關(guān)的方位信息激起了左側(cè)顳上回(STG)后部和右側(cè)顳上回中部神經(jīng)元的穩(wěn)定響應(yīng),與Y軸相關(guān)的方位信息激起了左側(cè)中顳葉中部(MTL)和右側(cè)顳上回中部神經(jīng)元的穩(wěn)定響應(yīng),與Z軸相關(guān)的方位信息激起了左側(cè)中顳葉后部和右側(cè)顳上回神經(jīng)元的穩(wěn)定響應(yīng)。結(jié)合不同維度上分類模型的正確率有較大差異這一實驗結(jié)果,我們認(rèn)為大腦皮層神經(jīng)元對于三維空間內(nèi)不同維度上的方位信息可能采用了不同的編碼機(jī)制。我們的實驗結(jié)果支持方位聲音信息在大腦皮層上被分布式編碼這一猜想。
【關(guān)鍵詞】：聲音方位 功能性核磁共振成像 多變量分析 聽覺空間辨別
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R338;TP391.41
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-11
• 第1章 引言11-21
• 1.1 聲音方位編碼問題概述11-13
• 1.2 研究腦科學(xué)問題的技術(shù)手段13-14
• 1.3 研究內(nèi)容和主要貢獻(xiàn)14-19
• 1.3.1 課題難點(diǎn)分析14-15
• 1.3.2 研究內(nèi)容15-18
• 1.3.3 本研究的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)18-19
• 1.4 文章結(jié)構(gòu)19-21
• 第2章 背景知識21-31
• 2.1 人對聲音方位的感知機(jī)制21-23
• 2.1.1 水平方向上聲音方位分辨21-22
• 2.1.2 垂直方向上聲音方位分辨22-23
• 2.2 腦皮層上聲音方位表達(dá)機(jī)制的研究23-26
• 2.3 功能性核磁共振成像簡介26-28
• 2.4 機(jī)器學(xué)習(xí)方法在功能性核磁共振腦科學(xué)實驗中的應(yīng)用28-30
• 2.5 本章小結(jié)30-31
• 第3章 三維方位聲音行為學(xué)實驗設(shè)計31-49
• 3.1 研究動機(jī)31-32
• 3.2 行為學(xué)實驗平臺32-37
• 3.2.1 實驗平臺搭建32-35
• 3.2.2 方位聲音播放控制35-36
• 3.2.3 三維方位聲音錄制36-37
• 3.3 實驗被試37
• 3.4 聲音刺激37-40
• 3.5 行為學(xué)實驗流程40-45
• 3.5.1 被試聽力對稱性測試41-42
• 3.5.2 聲音方位辨別訓(xùn)練42-43
• 3.5.3 聲音方位辨別實驗43
• 3.5.4 三維方位聲音錄制43-44
• 3.5.5 聲音方位定位實驗44-45
• 3.6 實驗結(jié)果和分析45-48
• 3.6.1 聽力對稱性測試結(jié)果45
• 3.6.2 聲音方位辨別實驗結(jié)果45-47
• 3.6.3 聲音方位定位實驗結(jié)果47-48
• 3.7 本章小結(jié)48-49
• 第4章 三維方位聲音腦成像實驗設(shè)計49-60
• 4.1 功能性核磁共振成像實驗設(shè)計49-51
• 4.1.1 組塊設(shè)計49-50
• 4.1.2 事件相關(guān)設(shè)計50-51
• 4.1.3 快速事件相關(guān)設(shè)計51
• 4.2 掃描范式設(shè)計51-55
• 4.3 掃描參數(shù)設(shè)計55-56
• 4.4 實驗結(jié)果56-59
• 4.4.1 結(jié)構(gòu)影像圖57-58
• 4.4.2 功能影像圖58-59
• 4.5 本章小結(jié)59-60
• 第5章 基于單變量的方位聲音腦圖像分析60-74
• 5.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理61-65
• 5.1.1 數(shù)據(jù)格式61
• 5.1.2 數(shù)據(jù)對齊61-63
• 5.1.3 空間配準(zhǔn)63
• 5.1.4 數(shù)據(jù)平滑63-65
• 5.2 廣義線性模型分析65-70
• 5.2.1 模型建立66-69
• 5.2.2 參數(shù)估計69
• 5.2.3 統(tǒng)計參數(shù)圖分析69-70
• 5.3 單變量分析結(jié)果70-73
• 5.3.1 三維方位聲音激起的腦區(qū)響應(yīng)70-72
• 5.3.2 左/中/右側(cè)方位聲音激起的腦區(qū)響應(yīng)72-73
• 5.4 本章小結(jié)73-74
• 第6章 基于多變量的方位聲音腦圖像分析74-98
• 6.1 研究動機(jī)74-75
• 6.2 多變量分析的腦圖像預(yù)處理75-77
• 6.3 基于中間層特征的方位聲音腦圖像預(yù)測模型77-82
• 6.3.1 預(yù)測模型框架78-79
• 6.3.2 中間層空間特征79-80
• 6.3.3 預(yù)測模型80-82
• 6.4 基于不同分類條件的方位聲音腦圖像分類模型82-88
• 6.4.1 分類模型框架82-84
• 6.4.2 分類條件劃分84-87
• 6.4.3 分類器的選擇87-88
• 6.5 多變量分析中的特征選取88-93
• 6.5.1 感興趣區(qū)域選取89-91
• 6.5.2 置換檢驗選取特征91-93
• 6.6 實驗結(jié)果和分析93-97
• 6.6.1 預(yù)測模型實驗結(jié)果與分析93-95
• 6.6.2 分類模型實驗結(jié)果與分析95-97
• 6.7 本章小結(jié)97-98
• 第7章 聲音方位在皮層上的分布式編碼98-105
• 7.1 研究動機(jī)98-99
• 7.2 基于多變量分類模型實驗結(jié)果的討論99-100
• 7.3 基于有效體素的進(jìn)一步分析100-104
• 7.3.1 有效體素與顯著有效體素的定義100-102
• 7.3.2 有效體素與顯著有效體素在腦皮層的分布102-104
• 7.4 討論104
• 7.5 本章小結(jié)104-105
• 第8章 總結(jié)和展望105-108
• 8.1 本文總結(jié)105-106
• 8.2 未來工作展望106-108
• 參考文獻(xiàn)108-115
• 致謝115-117
• 附錄A 受試者知情同意書117-120
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果120

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