脑电信号同步：方法及应用研究

论文摘要

脑电的同步被认为是脑功能区域整合或绑定的表现。高级脑功能需要具有特定功能的多区域神经系统间进行不同层次的整合和协调来完成。多年的动物实验证明：大脑信息整合和信息处理的主要潜在机制是各神经网络的同步振荡。脑电中的同步现象，尤其是脑电中高频段的同步振荡，被认为是建立不同脑区之间信息交流的一个关键部分。头表上记录到的脑电信号是大脑皮层及皮层下大量神经元或神经网络的同步活动的反映，因此，在宏观水平下，可以应用脑电（EEG）来研究这种机制，即在一定时间分辨率下，通过研究局部范围和全局范围分布的脑电信号的同步，估计出局部皮层之间和整体皮层内部生物电活动的概貌。脑电同步问题涉及的内容比较广泛，本文主要从研究方法入手，较为系统的分析、比较、总结及改进现有的相关研究方法，并将这些方法应用于视觉信息处理机制（视通路、视觉空间注意、视听同步分析）的研究。本论文所做主要工作如下：1．基于128道高分辨脑电测量技术，采用基于傅里叶变换的事件相关脑电线性相干处理技术，通过测量大脑对图形形状知觉（任务1）、图形形状和空间位置知觉（任务2）两种任务的事件相关电位，并基于电极数大致相同的原则，从枕叶至额叶把头表分成了7个区，然后计算了枕叶与其它各区在不同频段的相干系数。结果发现：在γ1频段（28-39Hz），任务2时的平均相干系数值显著大于任务1时的相应值，并且满足这一条件（任务2的相干系数大于任务1的相干系数）的电极对数，显著地多于其它频段。同时还发现在枕叶与额叶间，任务2的相干系数大于任务1的相干系数的所对应的电极对数，显著地多于其它区域，而且平均相干系数的差异也具有显著性。结合视觉双通路理论，这一结果从相干性角度表明，背侧通道的参与强化了枕叶与额叶之间的信息沟通，而这种沟通主要在γ1频段。2．上下视野的视觉信息处理对于研究人脑的功能具有重要意义，脑电的同步是脑功能区域整合或绑定的一个潜在机制，可用来研究上下视野的差异问题。这种差异通过计算不同任务时左右视觉区电极ERP的非线性关联得到反映。这些结果一致的支持人的下视野是优势视野的观点。3．提出了一种基于分段Prony的研究相位同步的方法。分段Prony方法（piecewise Prony method，PPM）是将EEG信号分解为具有指数上升或下降幅度正弦波的组合，从而获得脑电各频率成分的幅度、频率和相位信息，并以此为基础计算两通道信号的相位差，然后用香侬熵来度量两路信号间的相位同步程度。论文中该方法与其它方法的数值比较结果，说明了PPM具有较好的抗噪性能，具有较高的频率和相位分辨率，基于PPM的相位同步分析方法是非平稳信号的相位同步检测的有效工具。该方法用于实际脑电信号获得的结果与生理事实一致，也证实了该方法在研究脑电同步性方面的有效性。4．研究了视听觉脑区在认知过程中的同步性。通过设计视听觉同时刺激模式下的脑电实验，采用128导脑电采集系统记录脑电数据，并运用希尔伯特（Hilbert）相位同步算法对视听觉区域的事件相关脑电位（ERP）进行处理。研究结果表明，此实验条件下，枕叶与颞叶脑区间的同步指数明显大于枕叶与顶叶间的同步指数。同时研究也表明人在感知和认知事物时，相关的脑区间会自动产生神经活动的同步化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 认知与大脑功能研究的历史及发展
• 1.1.1 实验心理学
• 1.1.2 认知心理学
• 1.2 脑电同步的研究历史及现状
• 1.2.1 脑电同步研究的历史
• 1.2.2 脑神经同步的机制
• 1.2.3 脑功能整合与集群绑定机制
• 1.2.4 不同尺度上的神经电生理同步
• 1.2.5 不同频段脑电同步的生理学意义
• 1.3 脑电同步分析方法
• 1.3.1 脑电信号的采集
• 1.3.1.1 被试的准备
• 1.3.1.2 系统准备及电极安放
• 1.3.2 脑电同步分析常用方法及应用
• 1.4 本文的主要内容安排
• 第二章 线性相干分析及其在视通路脑电分析中的应用
• 2.1 相干系数的定义
• 2.1.1 时域分析（TIME ANALYSIS）
• 2.1.2 频域分析（FREQUENCY ANALYSIS）
• 2.1.3 时频分析（TIME-FREQUENCY ANALYSIS）
• 2.1.4 参数化模型的谱估计方法
• 2.2 视觉系统组织与视皮层通路理论
• 2.2.1 腹侧通路
• 2.2.2 背侧通路
• 2.3 线性相干分析及其在视通路脑电分析中的应用
• 2.3.1 实验方法
• 2.3.2 脑电记录与相干性计算
• 2.3.3 分析内容
• 2.3.4 结果
• 2.3.5 讨论
• 2.4 基于时变参数ARMA模型的脑电相干性分析
• 2.4.1 方法
• 2.4.2 实际脑电数据的计算结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 非线性同步指数及其在视觉空间注意研究中的应用
• 3.1 非线性同步指数定义及估算
• 3.1.1 互信息熵MUTUAL INFORMATION（MI）
• 3.1.2 似然同步SYNCHRONIZATION LIKELIHOOD（SL）
• 3.1.3 广义同步GENERALIZED SYNCHRONIZATION（GS）
• 3.2 视觉空间注意
• 3.3 视觉空间注意的ERP同步现象研究
• 3.3.1 实验方法
• 3.3.2 记录与分析
• 3.3.3 实验结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 脑电相位同步的研究方法及应用
• 4.1 相位同步的概念与度量
• 4.1.1 相位同步的概念
• 4.1.2 相位同步指数
• 4.2 相位差的计算方法
• 4.2.1 利用相干函数及相干相位谱判定1∶1相位连接或同步
• 4.2.2 通过估计信号瞬时相位来研究1∶1、N∶M相位连接或同步
• 4.3 瞬时相位同步分析方法及其在视听觉同步研究中的应用
• 4.3.1 希尔伯特相位同步分析方法
• 4.3.2 数据采集与分析
• 4.3.2.1 实验设计
• 4.3.2.2 被试情况
• 4.3.2.3 实验要求
• 4.3.3 脑电信号的记录与预处理
• 4.3.4 结果
• 4.3.4.1 行为数据
• 4.3.4.2 脑电同步数据
• 4.3.5 结论
• 4.4 基于分段PRONY建模的脑电相位同步分析方法
• 4.4.1 方法
• 4.4.2 性能的仿真
• 4.4.2.1 相位分辨率
• 4.4.2.2 频率分辨率
• 4.4.2.3 同步性检测效果
• 4.4.3 实际EEG数据结果
• 4.4.4 讨论与总结
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.1.1 线性方法与非线性方法的比较
• 5.1.2 非线性分析方法的选择
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果