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经颅直流电刺激下脑卒中患者康复期脑功能网络特性研究

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生物医学工程学杂志 2021年第3期38卷 498-506,511页

作者：刘蒙蒙徐桂芝于洪丽王春方孙长城郭磊河北工业大学电气工程学院省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学电气工程学院天津市生物电工与智能健康重点实验室天津300130 天津市人民医院康复医学科天津300121

经颅直流电刺激(tDCS)作为一种新兴的非侵入性脑刺激技术,对脑卒中疾病的康复作用目前尚未明确。本文结合脑电图(EEG)与复杂网络分析方法研究了tDCS对脑卒中患者康复期脑功能网络的影响。试验采集了31名脑卒中患者康复期的静息态EEG信号... 详细信息

经颅直流电刺激(tDCS)作为一种新兴的非侵入性脑刺激技术,对脑卒中疾病的康复作用目前尚未明确。本文结合脑电图(EEG)与复杂网络分析方法研究了tDCS对脑卒中患者康复期脑功能网络的影响。试验采集了31名脑卒中患者康复期的静息态EEG信号,其中16名患者作为试验组施加真刺激,15名患者作为对照组施加伪刺激。利用皮尔逊相关系数法计算EEG信号之间的相关系数,并构建了两组受试者tDCS刺激前、后的脑功能网络,分析对比了不同状态下脑功能网络的节点度、聚类系数、特征路径长度、全局效率和"小世界"属性5个特征参数。结果发现,tDCS真刺激后脑卒中患者脑功能网络的节点度、聚类系数、全局效率和"小世界"属性显著升高,特征路径长度显著降低,且差异具有统计学意义(P<0.05)。该结果表明tDCS能够改善脑卒中患者康复期的脑功能网络,本研究可为tDCS应用于脑卒中康复治疗提供理论和试验依据。

关键词：经颅直流电刺激脑卒中脑电图脑功能网络

经颅直流电刺激下脑卒中患者脑电功率谱密度研究

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生物医学工程学杂志 2022年第3期39卷 498-506页

经颅直流电刺激(tDCS)已成为卒中后康复治疗的新手段,并且逐渐被人们所接受。然而,tDCS治疗脑卒中的神经生理机制仍需进一步探讨。本文纳入了30例大脑左侧受损的脑卒中患者,随机分为tDCS真刺激组(15例)和tDCS伪刺激组(15例)。采集两组... 详细信息

经颅直流电刺激(tDCS)已成为卒中后康复治疗的新手段,并且逐渐被人们所接受。然而,tDCS治疗脑卒中的神经生理机制仍需进一步探讨。本文纳入了30例大脑左侧受损的脑卒中患者,随机分为tDCS真刺激组(15例)和tDCS伪刺激组(15例)。采集两组受试者刺激前、后的静息态脑电(EEG)信号,分析对比刺激前、后EEG信号δ、θ、α和β频带的功率谱密度差异,并计算了δ/α功率比值(DAR)。结果发现,真刺激后δ频带能量在左颞叶区明显降低,差异具有统计学意义(P 0.05)。伪刺激前、后δ、θ、α和β频带能量在整个脑区的差异不具有统计学意义(P> 0.05)。另一方面,真刺激后脑卒中患者的DAR值明显降低,差异具有统计学意义(P 0.05)。本研究在一定程度上揭示了tDCS治疗脑卒中的神经生理机制。

关键词：经颅直流电刺激脑卒中脑电图功率谱密度

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40Hz光闪烁刺激对大鼠空间工作记忆影响及其神经机制研究

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生物医学工程学杂志 2023年第6期40卷 1142-1151页

作者：王龙龙李双燕李润泽徐桂芝河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学河北省生物电磁与神经工程重点实验室天津300130

阿尔茨海默症(AD)是一种以认知障碍为特征的神经退行性疾病,其主要临床表现是空间工作记忆(SWM)障碍,严重影响患者身心健康,而现有药物疗法存在治愈率低等问题,因此非药物物理疗法逐渐受到人们广泛关注。近年来,一种通过40 Hz光闪烁刺激... 详细信息

阿尔茨海默症(AD)是一种以认知障碍为特征的神经退行性疾病,其主要临床表现是空间工作记忆(SWM)障碍,严重影响患者身心健康,而现有药物疗法存在治愈率低等问题,因此非药物物理疗法逐渐受到人们广泛关注。近年来,一种通过40 Hz光闪烁刺激(40 Hz-LFS)改善AD模型动物SWM功能的新方案取得初步进展,然而具体神经机制尚不清楚。因此,本研究将基于交叉频率耦合(CFC)探究40 Hz-LFS调控SWM功能的潜在神经机制。本文以10只成年维斯塔尔(Wistar)大鼠为研究对象,首先应用20、40、60 Hz的频率进行光闪烁刺激(LFS)实时作用,分析不同频率LFS对海马体(HPC)和内侧前额叶皮层(mPFC)神经振荡的夹带效应。结果显示,40 Hz-LFS能够形成夹带效应,调控低频γ(lγ)节律振荡的活动强度;随后将大鼠分为实验组和对照组,每组5只,进行40 Hz-LFS长期作用(7 d),并通过T迷宫任务检测其SWM功能,应用相位幅值耦合(PAC)分析HPC与mPFC间(HPC-mPFC)回路的CFC变化。结果表明,实验组的行为学表现得到提升,θ节律和lγ(θ-lγ)的PAC增强,差异具有统计学意义。本文研究结果提示,长期40 Hz-LFS能够有效改善大鼠的SWM功能,其原因可能是促进了相关神经回路中振荡的跨节律信息交流。期望通过本文研究,可为今后进一步研究40 Hz-LFS改善认知功能的机制及促进其临床应用奠定基础。

关键词： 40 Hz光闪烁刺激空间工作记忆相位幅值耦合神经振荡海马-内侧前额叶皮层

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基于最大分类器差异域对抗方法的跨被试脑电情绪识别研究

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生物医学工程学杂志 2021年第3期38卷 455-462页

作者：蔡梓良郭苗苗杨新生陈昕彤徐桂芝河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学河北省生物电磁与神经工程重点实验室天津300130

情感脑机接口在人机交互领域中具有重要的应用价值。脑电(EEG)由于在时间分辨率、可靠性和准确性方面具备的优势,在情绪识别领域受到广泛关注。然而,脑电的非平稳特性和个体差异限制了情绪识别模型在不同时间、不同受试者之间的泛化。... 详细信息

情感脑机接口在人机交互领域中具有重要的应用价值。脑电(EEG)由于在时间分辨率、可靠性和准确性方面具备的优势,在情绪识别领域受到广泛关注。然而,脑电的非平稳特性和个体差异限制了情绪识别模型在不同时间、不同受试者之间的泛化。为解决跨被试、跨时间情绪分类的问题,本文提出了最大分类器差异域对抗方法(MCD_DA),通过建立神经网络情感识别模型,将浅层特征提取器分别对抗域分类器和情感分类器,进而使特征提取器产生域不变表达,在实现近似联合分布适配的同时训练分类器学习任务特异性的决策边界。实验结果表明,在进行跨被试情绪识别时,相较于传统通用分类器58.23%的平均分类准确率,该方法的平均分类准确率达到了88.33%。本研究结果提高了情感脑机接口在实际应用中的泛化能力,为情感脑机接口走向实际应用提供了新的方法。

关键词：情感脑机接口跨被试情感模型迁移学习脑电

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子域自适应网络跨被试情绪识别算法

信号处理 2022年第10期38卷 2211-2220页

作者：郭苗苗陈昕彤王磊李梦凡蔡梓良徐桂芝河北工业大学电气工程学院省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学电气工程学院天津市生物电工与智能健康重点实验室天津300130

为解决由于脑电信号(EEG)的非平稳性及个体差异性造成的情绪识别模型在不同时间、不同被试间泛化性能低的问题,提出全局域适应与相关子域自适应串联系统(SS_GDAN_RSAN)模型来实现跨被试的情感识别。将整个情感识别模型分为特征提取器、... 详细信息

为解决由于脑电信号(EEG)的非平稳性及个体差异性造成的情绪识别模型在不同时间、不同被试间泛化性能低的问题,提出全局域适应与相关子域自适应串联系统(SS_GDAN_RSAN)模型来实现跨被试的情感识别。将整个情感识别模型分为特征提取器、全局域分类器和子域域分类器。首先在浅层神经网络中由特征提取器和全局域分类器产生域不变表达,通过最小化源域数据分类损失及源域与目标域数据的分布差异损失进行全局域自适应;其次在深层神经网络中,基于局部最大平均差异度量源域和目标域中相关子域数据的分布差异,通过最小化源域数据分类损失和子域自适应损失训练子域域分类器,进而捕获每个类别的细粒度信息实现子域自适应。实验结果表明SS_GDAN_RSAN算法简单有效,在多对一的跨被试迁移实验中识别率达到84.05%±5.91%,在单被试跨时间迁移实验中识别率达到91.66%±7.32%。与传统分类器模型相比,SS_GDAN_RSAN对跨被试、跨时间情绪分类任务泛化能力的提高取得显著效果。

关键词：情绪识别脑电信号跨被试子域自适应

复合频率刺激对后肢去负荷小鼠海马齿状回区颗粒神经元作用的电生理研究

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生物化学与生物物理进展 2024年第7期51卷 1670-1686页

作者：赵峻峤朱明强朱海军付蕊张泽王佳乐丁冲河北工业大学生命科学与健康工程学院天津300130 河北省生物电磁与神经工程重点实验室(河北工业大学) 天津300130 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津300130 河北省数字医疗工程重点实验室(河北大学) 保定071002

目的近年来,失重环境对航天员神经系统造成的负面影响受到广泛关注。重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation,rTMS)技术对神经、精神类疾病的治疗效果有着显著积极影响。复合频率(不同频率刺激模式组成)的rTMS对... 详细信息

目的近年来,失重环境对航天员神经系统造成的负面影响受到广泛关注。重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation,rTMS)技术对神经、精神类疾病的治疗效果有着显著积极影响。复合频率(不同频率刺激模式组成)的rTMS对由失重环境引起的神经系统功能障碍的改善作用仍有待深入研究。探索复合频率刺激(combined frequency stimulation,CFS)对失重环境造成的多种神经系统疾病的治疗效果以及电生理机制,对于脑科学及磁刺激的临床应用具有重要意义。方法本研究采用40只C57BL/6小鼠,所有小鼠随机分为5组:假刺激组、后肢去负荷(HU)组、10 Hz组、20 Hz组和CFS(10 Hz+20 Hz,CFS)组。对除sham组以外的小鼠建立维持14 d的模拟失重效应并同期进行14 d的rTMS。通过蔗糖偏好实验和水迷宫实验验证CFS对负性情绪和空间认知能力的改善效果。最后,通过膜片钳技术记录海马齿状回(dentate gyrus,DG)颗粒神经元的动作电位、静息膜电位以及离子通道的动力学特性。结果行为学结果表明,CFS(10 Hz+20 Hz)显著改善了模拟失重小鼠的认知障碍和负性情绪;电生理实验结果显示,HU操作后小鼠海马DG区颗粒神经元的兴奋性降低,而CFS显著提高了神经元的兴奋性并改善了电压门控Na^(+)、K^(+)通道的动力学特性。结论复合频率的rTMS(10 Hz+20 Hz)能够有效地改善模拟失重小鼠的认知障碍和负面情绪,这种改善可能与CFS对神经元兴奋性以及Na^(+)、K^(+)通道动力学特性的影响有关。因此,本文有望为CFS改善失重环境下所产生的空间认知和负性情绪障碍提供理论依据。

关键词：复合频率刺激重复经颅磁刺激后肢去负荷空间认知障碍负性情绪神经元兴奋性离子通道

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基于K-L散度和深度聚类的自适应EEGNet-T分布解码算法研究

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信号处理 2023年第8期39卷 1465-1477页

作者：李梦凡宋智勇郭苗苗邓豪东张鹏飞徐桂芝河北工业大学生命科学与健康工程学院省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300132 河北工业大学生命科学与健康工程学院河北省生物电磁与神经工程重点实验室天津300132 河北工业大学生命科学与健康工程学院天津市生物电工与智能健康重点实验室天津300132

脑机接口是脑与外界不通过神经或肌肉建立的交流通路,脑电解码通过归类脑电特征解读输出大脑意图,是影响性能的关键之一。由于脑电信号存在非平稳特性,即使在同一实验过程中脑电信号的特征也会随时间发生变化,导致事先训练好的解码模型... 详细信息

脑机接口是脑与外界不通过神经或肌肉建立的交流通路,脑电解码通过归类脑电特征解读输出大脑意图,是影响性能的关键之一。由于脑电信号存在非平稳特性,即使在同一实验过程中脑电信号的特征也会随时间发生变化,导致事先训练好的解码模型精度常常会随时间逐渐降低,不利于脑机接口的长期稳定运行。本研究提出基于K-L散度和深度聚类的自适应EEGNet-T分布解码算法,根据脑电特征变化前后T分布的K-L散度评估脑电的非平稳性并构建基于平稳性差值的目标函数,并以此目标函数调整EEGNet网络参数通过改变非线性映射的方式缩小平稳性差值,从而动态调整融合深度网络与聚类的EEGNet-T分布模型,实现对非平稳脑电的自适应解码。10名被试参与了视觉-听觉的脑机接口实验,并进行较长时间的脑电解码预测。与传统算法相比,本算法在连续128个试次组的任务中获得最高的平均准确率87.85%(p实验和后半段实验对比中表现出最强的稳定性,表明该算法能够通过深度网络调整数据特征分布更好地适应脑电信号特征变化,具有更强的解码稳定性,能够保证脑机接口长时间工作的解码精度,为脑机接口实用化提供基础。

关键词：脑机接口脑电非平稳性自适应算法深度聚类 EEGNet T分布

静息态功能磁共振成像评估健康老年人认知行为的多尺度熵模型研究

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物理学报 2020年第10期69卷 285-297页

作者：张夫一葛曼玲郭志彤谢冲杨泽坤宋子博河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室天津300130

当前,静息态功能磁共振成像(rfMRI)为脑功能检测提供了高效、快捷的先进技术.熵可以捕捉神经信号动态特征,可作为量化评估参数,但尚存在固定尺度计算缺陷且对认知行为的生物学标记少有研究,影响检测精准性.为此,本文将多尺度熵模型与机... 详细信息

当前,静息态功能磁共振成像(rfMRI)为脑功能检测提供了高效、快捷的先进技术.熵可以捕捉神经信号动态特征,可作为量化评估参数,但尚存在固定尺度计算缺陷且对认知行为的生物学标记少有研究,影响检测精准性.为此,本文将多尺度熵模型与机器学习方法联合,寻求BOLD信号复杂度表征健康老年人认知分数的功能影像学标记.由扫描前认知量表测试分数将98名健康老年人分为优、差两组,78名纳入训练,20名纳入测试.首先,构建多尺度熵模型,计算两组扫描数据熵,统计和对比以优化模型参数;然后,在优化参数下由统计显著性高的脑区熵值构建特征向量;最后,用极限学习机对两组分类并统计检验.发现:rfMRI多尺度熵在评估老年人认知分数时,在额、颞叶脑区存在较大显著性差异,以此为标记区分认知分数可达80%准确率.结论:额、颞叶等脑区优化的多尺度熵可有效区分健康老年人认知行为优劣.该研究将为rfMRI替代主观繁琐的传统认知量表测试提供新的检测参数和新方法.

关键词：多尺度熵静息态功能磁共振成像极限学习机认知分数

不同频率重复脉冲与短阵快速脉冲经颅磁刺激对小鼠记忆功能和神经元兴奋性影响的对比分析

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生物医学工程学杂志 2024年第5期41卷 935-944页

作者：付蕊朱海军丁冲徐桂芝河北工业大学河北省生物电磁与神经工程重点实验室天津300130 河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北大学河北省数字医疗工程重点实验室河北保定071002

经颅磁刺激(TMS)作为一种无创的神经调控技术现已用于神经和精神类疾病的临床治疗,但不同频率与模式TMS的刺激效果及其神经调控机制尚未明确。本文从神经电生理角度探究不同频率重复TMS(rTMS)和短阵快速脉冲TMS(bTMS)对小鼠学习记忆和... 详细信息

经颅磁刺激(TMS)作为一种无创的神经调控技术现已用于神经和精神类疾病的临床治疗,但不同频率与模式TMS的刺激效果及其神经调控机制尚未明确。本文从神经电生理角度探究不同频率重复TMS(rTMS)和短阵快速脉冲TMS(bTMS)对小鼠学习记忆和神经元兴奋性的影响。本文实验采用8周的昆明小鼠42只,随机分为伪刺激组和刺激组;刺激组包括:不同频率(1、5、10 Hz)的rTMS刺激组;不同频率(1、5、10 Hz)的bTMS刺激组。其中,刺激组接受连续14 d的刺激。刺激结束后,小鼠进行新物体识别与跳台实验以检测小鼠记忆能力;随后进行脑片膜片钳实验分析小鼠海马齿状回(DG)颗粒细胞兴奋性。结果表明,与伪刺激组相比,高频(5、10 Hz)的rTMS与bTMS能提高小鼠记忆能力和神经元兴奋性,而低频(1 Hz)的rTMS与bTMS则无显著效果;同频率下两种刺激模式对小鼠记忆功能与神经元兴奋性的影响无明显差别。本文研究结果提示,高频TMS可通过提高海马DG颗粒神经元兴奋性来提高小鼠记忆功能。本文为TMS改善认知功能的机制研究和临床应用提供实验和理论依据。

关键词：经颅磁刺激新物体识别跳台实验颗粒细胞脑片膜片钳实验神经元兴奋性