【摘 要】
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脑是人类高级活动的指挥中心,脑科学在神经科学中占据核心地位.关于脑科学的研究,一方面主要是脑神经元或脑神经回路的模型构建,借助于数学模型探索大脑振荡活动的神经相关性;另一方面主要是基于神经影像学数据的脑网络研究,描述不同神经精神疾病下脑网络的异常变化.鉴于此,本文针对阿尔茨海默病（AD）,结合神经动力学和统计分析的理论与方法,分别从神经计算和数据驱动角度,建立阿尔茨海默病关联的脑神经回路模型与效应
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脑是人类高级活动的指挥中心,脑科学在神经科学中占据核心地位.关于脑科学的研究,一方面主要是脑神经元或脑神经回路的模型构建,借助于数学模型探索大脑振荡活动的神经相关性;另一方面主要是基于神经影像学数据的脑网络研究,描述不同神经精神疾病下脑网络的异常变化.鉴于此,本文针对阿尔茨海默病（AD）,结合神经动力学和统计分析的理论与方法,分别从神经计算和数据驱动角度,建立阿尔茨海默病关联的脑神经回路模型与效应脑网络,以探索阿尔茨海默病表征的突触缺失对大脑节律的影响,揭示AD患者大脑效应连接的特征和动态演化复杂性.论文的主要内容与结论如下:1.研究了与阿尔茨海默病相关的丘脑-皮质-丘脑（TCT）动力学建模及alpha节律.通过引入抑制性神经元集群的去抑制效应及丘脑中继核对皮质的全面中继功能,首先构建了更具有生理意义的改进的TCT脑神经回路模型.然后,通过减小不同神经元集群间的突触连接参数来模拟阿尔茨海默病突触缺失的病理状态,借助于功率谱分析,探讨了突触缺失对TCT神经回路alpha节律活动的影响.数值仿真结果表明,兴奋性突触连接参数Cfte和Cpxe以及抑制性突触连接参数Clfi和Ctii的减小,都导致alpha频带的功率减小,即TCT神经回路alpha节律减慢,这种现象与电生理试验中AD表征的EEG特征相一致.最后,利用非线性动力系统方法讨论了 alpha节律变慢的潜在动力学机制.研究发现,突触连接参数Cfte、Cpxe、Clfi和Ctii的减小,均能促使TCT模型由极限环运动模式向点吸引子运动模式转变,这与alpha节律减慢相关.该研究结果有助于早期识别AD脑电的生物标志物及理解AD的潜在发病机制.2.基于功能磁共振成像（fMRI）数据,探讨了 AD患者的效应脑网络特性.首先利用局部一致性分析,研究正常老年人与AD患者局部一致性显著差异的脑区.统计分析结果表明,相比于正常被试,AD患者局部一致性明显下降的区域主要有右侧海马旁回、左侧楔叶、双侧颞中回、右侧距状裂周围皮层、右侧角回与左侧中央后回.然后将此七个区域定义为感兴趣脑区,利用Granger因果分析模型构建了静息态下正常被试与AD患者的效应脑网络,探讨两组被试效应脑网络的显著差异性.统计分析结果表明,相比于正常被试,AD被试的效应脑网络同时存在连接减弱与连接增强的脑区:右侧海马旁回到左侧颞中回、左侧楔叶与左侧中央后回之间的效应连接显著下降,右侧距状裂周围皮层到左侧颞中回的效应连接显著增强.3.基于fMRI数据,探索了正常老年人与AD患者的动态效应脑网络及其复杂性.首先基于滑动窗的Granger因果分析模型,构建正常被试与AD患者的动态效应脑网络,研究两组受试者间效应连接的差异性.统计分析结果表明,在大多数窗口中,AD患者的效应脑网络在连接范围上略小于正常老年人.随着滑动窗口向后移动,正常被试效应脑网络的连接范围在第2、4窗口中略微增加,而AD患者的效应脑网络连接范围明显减小,同时与正常被试相比,AD被试的效应脑网络不仅出现连接强度下降的区域（右侧颞中回脑区）,也出现连接强度增强的区域（右侧距状裂周围皮层脑区）.然后,利用样本熵定量刻画了动态效应连接的复杂性,比较不同被试组动态效应连接样本熵的差异性.统计分析结果表明,相比于正常被试,AD患者全脑的样本熵以及右侧颞中回、右侧海马旁回、左侧中央后回、右侧角回与左侧楔叶之间效应连接的样本熵明显降低.AD患者效应连接样本熵的减小意味着其生理过程的动力学复杂性相对减小,这与阿尔茨海默病患者的认知功能和记忆功能的衰退相一致.该研究结果为AD的早期诊断和治疗提供有益的神经影像学理论依据.
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