大脑功能网络及其动力学研究

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1、分类号：学号：D201077485学校代码：10487密级：博士学位论文大脑功能网络及其动力学研究学位申请人：李亚鹏学科专业：控制科学与工程指导教师：何际平教授李炜副教授答辩日期：2014年5月7日万方数据万方数据ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchonFunctionalBrainNetworksandItsDynamicPh.D.Candidate:

2、LiYapengMajor:ControlScienceandEngineeringSupervisor:Prof.HeJipingAssoc.Prof.LiWeiHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay,2014万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中

3、以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日万方数据万方数据华中科技大

4、学博士学位论文摘要大脑是目前已知最复杂和最精细的系统之一，其本身是由解剖上相连、功能上既相互联系又相互独立的脑区组成。伴随着影像学技术发展，尤其是功能磁共振技术的日渐成熟，人们可以连续观测立体大脑影像及其活动过程。目前，基于图论的复杂网络理论也成为神经科学研究的有力工具。结合影像学技术和复杂网络理论，脑网络研究成为当今脑科学研究领域的热点，脑网络能够从系统水平上研究脑区间的连接机制，揭示大脑的内在组织模式及疾病原理。本文以神经系统疾病为背景，基于功能磁共振数据，对大脑网络建模与分析的关键技术进行了研究。大体上讲，本文研究内容包括三个部分：

5、第一部分，脑功能网络建模数据预处理及建模方法研究。该部分重点提出了一种有效的静息态磁共振数据降噪方法，同时，对脑网络建模的连接方式进行了分析和探索。首先，噪声和个体差异是静息态功能磁共振数据有效利用的主要困扰因素之一。针对这一问题，本文结合功能磁共振数据特点，首次提出利用点过程原理对静息态功能磁共振数据进行降噪处理。研究结果表明，该方法可以有效降低BOLD信号的噪声干扰，凸显组间差异。其次，在研究脑网络连接过程中，存在不同的连接方式，目前对于各种连接方式的区别和特点还很少有研究进行系统分析。针对这一问题，本文利用健康人静息态功能磁共振数据

6、，对多种不同连接方式进行横向比较。结果表明根据不同连接定义所构建的脑网络存在较大差异。在实际研究中，应结合实验条件和目的，选择合理的连接方法。同时，本研究首次利用小波变换一致性方法构建了全脑功能网络图谱，分析发现不同波段的脑网络表现出不同的网络特性，这表明从不同频段观测脑功能网络是十分必要的。第二部分，局部脑网络和全局脑网络建模研究及分析，主要为应用部分。该部分重点研究了脑卒中患者主要运动区域脑功能网络连接的改变，以及不同频段下阿尔茨海默病患者全脑功能网络的改变。首先，脑卒中是常见的多发疾病，运动缺失是脑卒中后最主要的伴随症状，目前还很少

7、有研究探讨中风后运动区域耦合的改变。针对这一问题，本文首次利用基于独立成分分析的受约束最大相关方法，探索脑卒中后大脑主要运动区功能网络连接改变。研究结果表明，脑卒中患者组的功能网络连接比健康对照组的连接更复杂，更重要的是，我们发现在中风患者的功能网络连接里面存在补偿环路。结果意味着基于独立成分分析的I万方数据华中科技大学博士学位论文脑功能网络建模方法是研究神经病变的有效手段，研究结果可能为脑卒中患者的康复过程提供评估指标。其次，阿尔茨海默病（Alzheimer’sdisease，AD）是老年人中常见的多发性疾病，以往研究表明AD患者认知功

8、能下降可能和脑网络的拓扑属性存在相关关系，但是关于AD脑网络拓扑属性的研究中存在不一致的结果。针对上述问题，本文研究了AD患者组和健康对照组在三个不同频段（0.01-0.06Hz，0.06-0