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模拟初级视觉皮层增强CNN神经网络结构的稳定性

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光学精密工程 2023年第15期31卷 2287-2294页

作者：张丽娟胡梦达张紫薇姜雨彤李东明无锡学院物联网工程学院江苏无锡214105 长春工业大学计算机科学与工程学院吉林长春130012 中国北方车辆研究所北京100072

针对卷积网络模型的稳定性能较差,对抗训练方法会使得网络结构过于复杂并占用大量运算资源的问题,提出了一种基于人体视觉神经系统生物特征的卷积神经网络模型改进方法(VVNet)。在卷积神经网络的基础上,融合人体视觉的结构特征,在不增... 详细信息

针对卷积网络模型的稳定性能较差,对抗训练方法会使得网络结构过于复杂并占用大量运算资源的问题,提出了一种基于人体视觉神经系统生物特征的卷积神经网络模型改进方法(VVNet)。在卷积神经网络的基础上,融合人体视觉的结构特征,在不增加网络层数或保持准确率不变的情况下,提高神经网络面对噪声干扰的稳定性。在数据集Ci⁃far10上对3种不同神经网络模型(VVNet,VOneNet以及原网络模型)进行测试。实验结果表明,使用VVNet网络模型、VOneNet网络模型和原始的网络模型DenseNet121对四类图像(噪声图像、模糊图像、遮挡图像和饱和曝光图像)的分类准确率进行对比,验证了提出的VVNet网络结构对不同类型图像的分类准确率几乎不变,在使用对抗样本情况下,VVNet网络结构的图像分类准确率提高了约10%。与深度学习网络相比,基于人体视觉系统结构的网络能够在保持准确率的同时有效地提高神经网络的稳定性,并具有可移植性。

关键词：计算机视觉机器学习图像识别视觉皮层

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视觉皮层分区的功能MRI视网膜脑图

中华放射学杂志 2007年第10期41卷 1045-1048页

作者：卢光明张志强黄伟郑罡鲍盛李兴峰 Robert F.Hess 何晖光吕彬黄振平马飞尹婕邵庆南京军区南京总医院医学影像科 210002 加拿大McGill大学影像研究中心中国科学院自动化所复杂系统与智能科学重点实验室南京军区南京总医院医学眼科 210002

目的探讨功能 MRI(fMRI)视网膜脑图描绘人视觉皮层各视区的技术方法和生理意义。方法采用1.5 T 超导 MR 设备,运用2种具有相位编码信息的投影刺激:离心外散和向心内聚的光环刺激,以及顺时针和逆时针方向旋转的极角刺激,对6名正常人(受试... 详细信息

目的探讨功能 MRI(fMRI)视网膜脑图描绘人视觉皮层各视区的技术方法和生理意义。方法采用1.5 T 超导 MR 设备,运用2种具有相位编码信息的投影刺激:离心外散和向心内聚的光环刺激,以及顺时针和逆时针方向旋转的极角刺激,对6名正常人(受试者)进行血氧水平依赖(BLOD)的 fMRI。将检测数据进行头动校正、配准等空间预处理,再根据刺激视野的时间相位编码,经傅立叶变换计算出视野特征,得到完整的视网膜脑图,并以二维和三维可视化方式显示。结果成功得到6名受试者初级视觉皮层的个体化分区图,描绘出视区 V1、V2(V2腹侧和背侧)、V3和 VP、V3A 和 V4V、V7和 V8等视区的精细分区,各视区以一定的拓扑结构分布于枕叶皮层。结论 fMRI视网膜脑图技术可以无创、精确地显示人脑视觉皮层功能分区。

关键词：磁共振成像视觉皮层视区

睡眠剥夺中感觉运动皮层和视觉皮层神经活动及警觉水平的改变（英文）

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生物化学与生物物理进展 2020年第2期47卷 139-156页

作者：张岱左真涛饶衡毅范勇中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 中国科学院生物物理研究所脑与认知科学统计重点实验室北京100101 中国科学院大学中丹学院北京100049 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心上海200031 Department of Neurology Perelman School of MedicineUniversity of PennsylvaniaPhiladelphiaPA 19104USA Department of Radiology Perelman School of MedicineUniversity of PennsylvaniaPhiladelphiaPA 19104USA

在睡眠剥夺(sleep deprivation,SD)过程中,人类大脑的神经活动和警觉水平如何受到影响,尤其是感觉运动和视觉系统,目前仍是研究的热点.静息状态功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging,rf MRI)作为一种反... 详细信息

在睡眠剥夺(sleep deprivation,SD)过程中,人类大脑的神经活动和警觉水平如何受到影响,尤其是感觉运动和视觉系统,目前仍是研究的热点.静息状态功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging,rf MRI)作为一种反映人脑自发活动的非侵入式成像技术,在睡眠剥夺的研究中得到了广泛应用.本研究采用9次重复rf MRI和心理运动警觉任务(psychomotor vigilance task,PVT),以探索23名志愿者在整个36 h的睡眠剥夺过程中神经活动和警觉水平的变化.采用基于PVT的平均反应时间(mean reaction time,MRT)和失效率(lapses ratio,LR)评估警觉水平的变化;采用基于rf MRI的区域同质性(region homogeneity,Re Ho)和低频波动幅度(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)评估大脑神经活动变化.结果表明,感觉运动网络(sensorimotor network,SMN)和视觉区域(visual network,VN)是受到睡眠剥夺影响最严重的区域.我们采用组独立成分分析(group independent component analysis,GICA)将视觉相关区域划分为视觉Ⅰ区、视觉Ⅱ区、视觉关联区,并从解剖自动标记(anatomical automatic labeling,AAL)模板中提取运动感觉相关区域,包括中央前/中央后回、中央旁小叶和辅助运动区.研究发现,睡眠剥夺后16~30 h脑神经活动及警惕性下降.采用2×3重复测量方差分析,探讨睡眠压力、昼夜节律及其交互作用对感觉运动相关和视觉相关脑区神经活动的影响.观察到睡眠压力与交互作用对感觉运动相关区域和视觉相关区域有显著影响.采用皮尔逊相关系数评估警觉水平变化与感觉运动相关和视觉相关脑区神经活动变化的关系.睡眠剥夺期间所有感觉运动相关区域的神经活动变化与警觉变化均存在显著的相关关系.研究结果证实,睡眠剥夺从第一天24:00开始改变SMN和VN的警戒水平和神经活动,睡眠压力和昼夜节律在睡眠剥夺期间调节SMN和VN的神经活动.此外,昼夜节律的效应受到睡眠压力的显著调节.感觉运动相关区域和视觉相关区域的增强导致他们远程连接的减弱,这可能是睡眠剥夺期间响应时间变慢的原因.

关键词：静息态功能磁共振成像睡眠剥夺感觉运动皮层视觉皮层大脑神经活动

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视觉皮层方位敏感性的皮层下起源

生理科学进展 1990年第3期21卷 203-207页

作者：寿天德中国科学技术大学生物系视觉研究实验室合肥230026

自Hubel和Wiesel关于视皮层研究的开拓性工作以来,视觉方位敏感性一直被认为是视皮层细胞独有的功能。本文综述了80年代以来的最新研究成果,表明视觉方位敏感性起源于视网膜、丘脑外膝体等皮层下结构,而在视皮层方位功能柱形成之前,丘... 详细信息

自Hubel和Wiesel关于视皮层研究的开拓性工作以来,视觉方位敏感性一直被认为是视皮层细胞独有的功能。本文综述了80年代以来的最新研究成果,表明视觉方位敏感性起源于视网膜、丘脑外膝体等皮层下结构,而在视皮层方位功能柱形成之前,丘脑外膝体已对具有相似最优方位的外膝体神经元作了初步的编组或预安排。

关键词：视觉视觉皮层方位敏感性

复发性孤立性视神经炎患者初级视觉皮层功能连接的静息态fMRI

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中国医学影像技术 2016年第9期32卷 1336-1340页

作者：黄靖段云云孙峥刘亚欧任卓琼毛贝吴云清张晓君李坤成首都医科大学宣武医院放射科北京100053 磁共振成像脑信息学北京市重点实验室北京100053 首都医科大学附属同仁医院神经内科北京100730

目的采用静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)技术,观察复发性孤立性视神经炎(RION)患者初级视觉皮层(V1)与全脑功能连接的改变。方法收集45例RION患者(RION组)及45名年龄、性别相匹配的健康志愿者(正常对照组)的临床资料,并行常规头部MRI及r... 详细信息

目的采用静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)技术,观察复发性孤立性视神经炎(RION)患者初级视觉皮层(V1)与全脑功能连接的改变。方法收集45例RION患者(RION组)及45名年龄、性别相匹配的健康志愿者(正常对照组)的临床资料,并行常规头部MRI及rs-fMRI,选取V1为种子点,采用统计参数图5(SPM5)分析其与全脑的功能连接,比较两组数据的差异,并将RION组功能连接异常的脑区与其视力、病程及认知功能评分(PASAT)进行相关性分析。结果与正常对照组相比,RION组左侧额中回、双侧枕叶舌回、右侧颞中回及右侧顶下小叶与V1的功能连接明显减低;双侧楔前叶、右侧额前回、左侧顶下小叶及右侧岛叶与V1的功能连接明显增强,且差异均有统计学意义(P均<0.01)。右侧顶下小叶及右侧额前回的功能连接异常与PASAT评分呈正相关;左侧额中回的功能连接异常与患者视力呈正相关。结论 rs-fMRI可检测出RION患者与V1区功能连接异常的脑区,并且显示与视力、病程及认知功能评分相关的脑区,可为临床探索RION功能连接异常提供客观依据。

关键词：视神经炎功能磁共振成像视觉皮层功能连接

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垂体大腺瘤患者视觉皮层的fMRI观察

中国医学影像技术 2009年第3期25卷 383-386页

作者：张权张云亭张敬李威宋修峰天津医科大学总医院放射科天津300052

目的采用fMRI方法评价垂体大腺瘤患者视觉中枢的激活形式,观察视野改变与初级视觉皮层功能变化之间的关系。方法对23例伴视交叉受压的垂体大腺瘤患者及18名正常志愿者的左右眼分别进行组块设计的fMRI实验,刺激内容为全视野黑白翻转棋盘... 详细信息

目的采用fMRI方法评价垂体大腺瘤患者视觉中枢的激活形式,观察视野改变与初级视觉皮层功能变化之间的关系。方法对23例伴视交叉受压的垂体大腺瘤患者及18名正常志愿者的左右眼分别进行组块设计的fMRI实验,刺激内容为全视野黑白翻转棋盘格,对照内容为黑色屏幕中心的白色"+",6个对照组块与5个刺激组块交替进行,每个组块20s。采用1.5TMR扫描仪。数据后处理采用SPM2软件。采用两样本t检验的组间分析方法分别获得左眼及右眼刺激下患者组与对照组间的激活差异图。分析患者视野缺损类型与初级视觉皮层激活形式之间的对应关系。结果在严格控制头动和机械噪声等影响因素后,最终左、右眼刺激各入组12例。患者组与对照组比较,初级视觉皮层激活范围及强度均明显缩小,左眼刺激时患者组以右侧初级视觉皮层激活下降为主,右眼刺激时患者组以左侧初级视觉皮层激活下降为主。6例患者表现为典型左颞侧视野缺损,左眼刺激时表现为左侧初级视觉皮层激活,而右侧激活明显下降或无激活。7例患者为典型右颞侧视野缺损,右眼刺激时表现为右侧初级视觉皮层激活,而左侧激活明显下降或无激活。结论垂体大腺瘤患者初级视觉皮层的激活形式与视野缺损类型存在对应关系,颞侧视野缺损主要以对侧初级视觉皮层激活下降为主。fM-RI是研究前视路病变对视觉中枢皮层影响的有效方法。

关键词：垂体肿瘤视觉皮层视野磁共振成像

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前注意视觉皮层脑功能磁共振成像

中国医学影像技术 2016年第5期32卷 705-708页

作者：王备成李勃王玮钱绍文刘锴孙钢泰山医学院研究生部山东泰安271016 济南军区总医院医学影像科山东济南250031

目的探讨前注意视觉皮层的非注意视觉偏差刺激自动加工脑功能解剖的分布及意义。方法对20名健康右利手男性,采用经典oddball被动范式给予非注意视觉刺激,标准刺激为红色方块,概率为80%,偏差刺激为绿色方块,概率为20%,观察功能MRI影像学... 详细信息

目的探讨前注意视觉皮层的非注意视觉偏差刺激自动加工脑功能解剖的分布及意义。方法对20名健康右利手男性,采用经典oddball被动范式给予非注意视觉刺激,标准刺激为红色方块,概率为80%,偏差刺激为绿色方块,概率为20%,观察功能MRI影像学表现。结果最终分析15名被试,fMRI检查前、中、后的按键正确率均≥95%,反应时间差异无统计学意义(P=0.470)。fMRI显示右侧梭状回(枕颞内侧回)、右侧部分颞叶、枕叶及海马旁回,左侧枕叶,双侧额上回、双侧额中回及左侧中央前回/后回脑激活区BOLD信号在偏差刺激出现后明显升高。结论 fMRI可以清楚显示前注意视觉皮层功能解剖分布,为临床诊断前注意视觉皮层受损情况提供更加直观的检查方式,为疾病研究提供相应的参考信息。

关键词：功能磁共振成像视觉皮层

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视觉皮层突触连接网络演化模拟研究

视觉皮层突触连接网络演化模拟研究

作者：张利亚郑州大学

学位级别：硕士

大脑是目前最高效、最复杂、最稳定的系统之一,复杂网络已经成为研究大脑神经元连接和脑区连接的新手段。现有研究已经证明大脑网络具有小世界特性,其同时具备较短的平均路径长度与较高的聚类系数,分别对应大脑信息处理的功能分化与功... 详细信息

大脑是目前最高效、最复杂、最稳定的系统之一,复杂网络已经成为研究大脑神经元连接和脑区连接的新手段。现有研究已经证明大脑网络具有小世界特性,其同时具备较短的平均路径长度与较高的聚类系数,分别对应大脑信息处理的功能分化与功能整合两个基本组织原则。视觉皮层存在于大脑的多个区域,是研究大脑的突破口。大脑内突触连接数量是按照一种先增后减的模式发展,大脑皮层的突触剪除机制可能是大脑网络高效稳健的关键所在,这也为创建高效率低能耗的网络提供新的参考方法。此外,神经系统中大多数的神经连接是短的,也存在少量长程连接。导致出现这种结构的内在机制还不清楚,同时考虑信息传递步数和总体布线代价的最小化,可能存在距离优先连接与大神经元优先连接的折衷。本文首先利用网络的数学描述验证视觉皮层网络的小世界特性,在此基础上研究视觉皮层的突触剪除机制与突触连接演化机制,研究内容概括如下:一、在大脑严格的空间限制下基于大脑体素坐标建立节点的位置信息,然后依据皮层组织结构特性,引入视觉皮层中节点间的空间距离的计算方式,建立节点间的连接概率函数的数学模型。在局部和全局范围内对视觉皮层网络进行模拟,验证了视觉皮层网络的小世界特性。二、以大脑皮层网络的突触剪除机制为启发,设计了网络减边演化算法。实验结果表明,该算法能够有效模拟突触剪除机制,并且演化后的网络会出现中心节点、小世界特性和高效率代价比等性质。验证了突触剪除机制可能是大脑网络高效性的关键所在这一推测。三、为模拟视觉皮层中总体布线代价和信息传递效率的权衡机制,结合复杂网络动态演化博弈理论,建立了基于距离与大神经元优先的网络演化博弈模型。实验结果显示,演化后的网络用长程边替代了一部分近邻边,改变了网络的拓扑结构和统计特征。演化博弈稳定于合作者占多数的状态时,网络出现相对较少的长程连接,这反应了距离优先机制。演化博弈稳定于完全背叛状态时,网络出现较多的长程连接,并会出现hub节点,这反应了大神经元优先机制。模型能够比较真实的模拟视觉皮层中布线代价和处理步骤最小化的折中关系。

关键词：视觉皮层复杂网络突触连接减边机制演化博弈

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猫初级视觉皮层17区各功能图相互关系比较

复旦学报（自然科学版） 2014年第4期53卷 514-519,F0002页

作者：俞天栋吕嘉明张亚彬复旦大学生命科学学院生理学与生物物理学系视觉研究实验室上海200433

在视觉皮层中存在各种功能图结构例如眼优势图,最优方位图,视觉拓扑图等等,这些功能图同时存在于同一个皮层结构中,那么它们之间的相互关系是怎样的?各功能图之间是否存在相互影响?本实验运用光学成像的方法发现在猫的初级视觉皮层17区... 详细信息

在视觉皮层中存在各种功能图结构例如眼优势图,最优方位图,视觉拓扑图等等,这些功能图同时存在于同一个皮层结构中,那么它们之间的相互关系是怎样的?各功能图之间是否存在相互影响?本实验运用光学成像的方法发现在猫的初级视觉皮层17区中,眼优势功能图和最优方位图与视觉拓扑图一致,均呈现出各向同性.通过定量分析,我们同时发现眼优势图和最优方位图在变化梯度上存在很强的负相关关系,在高梯度区域功能图之间正交的比例明显增强.这些结果表明在猫的初级视觉皮层17区中,功能图之间具有精确的空间关系.这一关系与已发表的其它种属的实验结果类似,具有普遍意义.

关键词：视觉皮层最优方位图眼优势图视觉拓扑图