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。     

基于功能磁共振成像的人脑效应连接网络识别方法综述

人脑效应连接网络刻画了脑区间神经活动的因果效应. 对不同人群的脑效应连接网络进行研究不仅能为神经精神疾病病理机制的理解提供新视角, 而且能为疾病的早期诊断和治疗评价提供新的脑网络影像学标记, 具有十分重要的理论意义和应用价值. 利用计算方法从功能磁共振成像(Functional magnetic resonance imaging, fMRI)数据中识别脑效应连接网络是目前人脑连接组学中一项重要的研究课题. 本文首先概括了从fMRI数据中进行脑效应连接网络识别的主要流程, 说明了其中的主要步骤和方法; 然后, 给出了一种脑效应连接网络识别方法的分类体系, 并对其中一些代表性的识别算法进行了阐述; 最后, 通过对该领域挑战性问题的分析, 预测了脑效应连接网络识别未来的研究方向, 以期对相关研究提供一定的参考.     

功能磁共振成像视角下的脑功能连通性分析与脑可塑性

依据功能磁共振成像技术探究脑功能可塑性,对解码人脑认知活动与模拟类脑智能具有十分重要的意义,同时也是一项极具挑战性的工作。然而,脑功能可塑性可通过脑功能连通的变异性来体现,而该变异性的捕捉又依赖于有效的脑功能连通性分析模型。因此,本文首先就当前主要的脑功能连通性分析方法进行了综述,并分析了各方法的局限性;然后基于脑功能连通性研究的证据,总结与分析了脑功能可塑性与职业因素之间的复杂关系;最后对脑功能连通性分析模型、脑功能可塑性等研究方向进行了展望。     

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.     

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。     

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。     

Rich club characteristics of dynamic brain functional networks in resting state

Conventional brain functional networks are constructed by extracting the entire time series from functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). Yet such a method is easy to ignore the dynamic interaction patterns of brain regions that essentially change across time. In this study, we analyze the functional connectivity characteristics of Rich Club in resting-state brain functional networks, and study the dynamic functional differences of core brain regions at different time periods. First, the time series is extracted from resting-state fMRI to construct a dynamic brain functional network. Then, Rich Clubs of different time periods are determined by the Rich Club coefficients. In particular, the efficiency of each Rich Club is calculated to examine the influences of the Rich Connections, Feeder Connections and Local Connections. Finally, the node degree, clustering coefficient and efficiency for Rich Club nodes are calculated to quantify the dynamic processes of Rich Clubs, and the functional connectivity of Rich Clubs are compared with those of the functional networks constructed by the entire fMRI time series. Experimental results demonstrate that the distribution of Rich Clubs in the dynamic brain functional network is consistent with that from the entire fMRI time series, while the composition and functional connectivity of Rich Club dynamically change across time. Moreover, Rich connection and Local connection in the brain functional networks show a significant correlation with the efficiency of Rich Club, and the local and the global efficiency of Rich Clubs are greater than that of the global network. These results further illustrate the viewpoint that Rich Clubs have significant influence on the functional characteristics of global brain functional networks.

     

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。     

基于高阶最小生成树脑网络的多特征融合分类方法

现有的基于脑疾病的分类方法的研究使用的都是传统的低阶功能连接网络。低阶功能连接网络可能会忽略复杂的大脑区域之间动态的相互作用的模式。高阶功能连接网络能够反映网络中包含的丰富的动态时间信息,但原有的高阶功能连接网络使用聚类的方法降低了数据维度,使得构建的网络无法进行有效的神经学解释;其次,高阶功能连接网络由于规模较大,在利用复杂网络或图理论计算一些拓扑指标时消耗较大。基于此,提出了一种高阶最小生成树网络的构建方法,然后计算了传统的可量化网络指标(度和离心率)并结合频繁子图挖掘技术来挖掘具有判别能力的子网络,最后采用多核支持向量机进行分类。实验结果表明所提方法的分类精确度高达97.54%,获得了很好的分类性能。     

基于动态功能性脑网络的情感分析

人脑活动是在秒级与毫秒级动态变化的,因此采用静态连接方式构建的功能性脑网络,会造成部分与时间相关有效特征的缺失.该文旨在研究情绪变化期间不同大脑区域之间相互作用的时空变化,提出了一个系统的分析框架.该框架包括相关性度量,脑状态分割,代表性时间片段提取以及动态网络构建和分析.首先,利用皮尔逊相关系数量化不同脑区之间的功能...     

基于fMRI动态功能连接的抑郁症患者分类研究*

针对当前抑郁症诊断正确率偏低、误诊率偏高的问题,利用fMRI动态功能连接研究了抑郁症辅助诊断问题。首先采用滑动时间窗技术研究功能连接及其网络拓扑特性的动态变化,然后基于这些动态特征应用多元模式分析方法对22名抑郁症患者和27名健康被试进行分类。采用动态分析方法能够增加样本数量,从而更加有利于一些分类算法的应用。实验结果表明以动态功能连接和网络拓扑特性为特征的分类正确率均为93.88%,明显优于对应非动态特征81.63%和85.71%的结果。进一步分析表明,具有高辨别力的特征所对应的脑区主要分布在默认网络、情感网络、视觉皮层区等,动态功能连接可能为抑郁症的辅助诊断提供新的手段。     

面向脑核磁共振识别运动任务的门控循环单元方法

目的 在脑科学领域,已有研究借助脑功能核磁共振影像数据(functional magnetic resonance imaging,fMRI)探索和区分人类大脑在不同运动任务下的状态,然而传统方法没有充分利用fMRI数据的时序特性。对此,本文提出基于fMRI数据计算的全脑脑区时间信号(time course,TC)的门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)方法(TC-GRU)进行运动任务分类。方法 基于HCP(human connectome project)数据集中的100个健康被试者在5种运动任务中分两轮采集的1 000条fMRI数据,对每种运动任务计算每个被试者在各脑区(共360个脑区)的时间信号;使用10折交叉验证方案基于训练集和验证集训练TC-GRU模型,并用构建好的模型对测试集进行测试,考察其对5种运动任务的分类能力,其中TC-GRU在各时刻的输入特征为全脑脑区在对应时刻的TC信号幅值,通过这样的方式提取全脑脑区在整个时间段的时序特征。同时,为了展示使用TC-GRU模型可挖掘fMRI数据中更丰富的信息,设计了多个对比实验进行比较,利用长短期记忆网络(...     

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．     

基于高阶最小生成树的脑网络分析及对阿兹海默氏症患者的分类

利用静息态功能磁共振成像技术来研究大脑的功能连接网络是当前脑疾病研究的重要方法之一。这种方法能准确地检测包括阿兹海默氏症在内的多种脑疾病。然而,传统的网络只是研究两个脑区之间相关程度,而且缺乏对大脑区域之间更深层次的交互信息和功能连接之间关联程度的研究。为了解决这些问题,提出了一种构建高阶最小生成树功能连接网络的方法,该方法不仅保证了功能连接网络的生理学意义,而且研究了网络中更复杂的交互信息,提高了分类的准确率。分类结果显示,基于高阶最小生成树功能连接网络的静息态功能磁共振成像分类方法大幅提高了阿兹海默氏症检测的准确率。     

基于传递熵关键因果连接的情感识别方法

人脑在情绪活动中呈现的信息流是复杂多变的,因此理解脑区间的动态交互过程至关重要,但是基于原始脑电信号构建的情绪网络包含了许多与情绪无关的冗余信息.针对此问题,提出一种在不丢失关键因果信息的前提下去除情绪无关网络连接的方法,并验证其在情感识别过程中的有效性.首先,基于传递熵因果分析方法对积极、中性和消极情绪构建归一化传递熵矩阵,再从积极、消极情绪矩阵中减去中性情绪矩阵,最后基于简化后的矩阵构建因效性脑网络并利用图论分析不同情绪的网络连通性.通过在DEAP数据集上的验证发现,该方法有效地提高了情感识别准确率.     

不确定脑网络的异常拓扑分析及分类研究

静息态功能脑网络在脑疾病研究中得到了广泛的应用。然而传统的功能连接网络分析主要集中在确定图上,忽视了大脑区域之间的不确定信息。基于此,对不确定脑网络进行了研究,该方法不需要进行阈值选择,而且可以更准确地对功能连接网络进行建模。同时,将频繁子图挖掘应用到了不确定图上,并提出了几种新的判别性特征选择方法。分类结果显示,基于不确定脑网络的磁共振影像分类方法有效地提高了抑郁症诊断的准确率。     

基于独立成分分析功能连接的抑郁症分类研究*

已有的功能连接研究大多根据脑图谱构建全脑功能连接,但目前可选用的脑图谱种类有限且采用不同脑图谱的分析结果可能存在一定的差异。针对上述问题,利用独立成分分析方法研究了抑郁症辅助诊断问题。首先利用组独立成分分析提取独立成分并构建全脑功能连接网络,然后采用BoostFS(Boosting Feature Selection)方法进行特征选择,最后应用多元模式分析方法对20名抑郁症患者和21名健康被试进行分类。实验分类准确率达到95.12%,错分了一名抑郁症患者和一名健康被试。进一步分析表明,具有较强分辨能力的脑网络为感觉运动网络、默认网络和视觉网络,与已有基于脑图谱的研究结果基本一致,从而说明了基于独立成分分析方法的合理性,使其可能成为抑郁症辅助诊断的一种新方法。     

基于局部空间数据的功能磁共振图像运动校正

在脑功能磁共振实验中,运动校正是数据预处理的关键环节。运动校正的结果对后续的脑区定位、功能连接等分析有着重要的影响。但因数据量较大,常规分析软件对实验数据进行运动校正时做了一些简化处理,校正误差较大。为减少这种误差,提出了一种基于局部空间数据的运动校正方法,首先从数据获取的角度构造功能像各切片的局部空间数据,然后利用修正的Gauss-Newton最优化方法估计各切片相对于参考图像做刚体变换后的空间位置,最后利用Delaunay三角剖分方法重构功能像以实现精确校正。仿真实验及实际的视觉实验数据分析结果表明,该方法具有较高的校正精度,是一种有效的功能磁共振数据运动校正方法。     

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.     

认知任务驱动的fMRI脑功能网络构建方法

针对脑功能网络的构建受到特定大脑图谱对兴趣点描述准确度及覆盖度的限制,提出了基于认知任务信息和神经影像数据的脑功能网络构建方法。首先计算fMRI体素对于认知任务的敏感度,然后在此基础上选取兼顾分布均衡和去中心化的大脑兴趣点,从而构建任务驱动的脑功能网络。实验通过在人脸情绪识别认知任务相关的梭状回构造任务驱动的脑功能网络,其度中心性、聚类系数、全局效率、局部效率这四个复杂网络指标均优于典型大脑图谱梭状回中兴趣点构成的网络。结果表明,计算得到的大脑兴趣点具有更强的整合性,更适合用于表征特定认知任务下的脑功能网络。