不同刺激光源面积对SSVEP共振频率的影响研究

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稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potentials,SSVEP)的共振频率为能诱发最大功率的SSVEP响应所需的刺激频率。SSVEP的共振频率通常被称为“光驱动标签”或“频率标签”,它可作为大脑病变动态学研究和诊断靶点,在抑郁症、神经退行性疾病等临床神经疾病的预测或诊断等方面具有重要的研究和应用意义。周期性光刺激参数变化是影响SSVEP共振频率的要素。本文侧重研究在其它刺激参数相同条件下,周期性视觉刺激面积变化对SSVEP的共振频率的影响。首先采用分岔理论,在对Wilson-Cowan模型进行动力学分析基础上,建立视皮层神经元的等效振荡网络模型,以此仿真研究不同视觉刺激面积变化对等效振荡网络模型输出的SSVEP共振频率的影响;然后通过检测大脑头皮的SSVEP,实验研究闪光刺激光源面积和SSVEP共振频率的变化关系;最后比较仿真和实验结果,验证所建立的视皮层神经元的等效振荡网络模型的合理性和可靠性,为系统研究视觉刺激面积变化对SSVEP共振频率的影响变化关系提供有效的理论仿真模型。具体研究工作如下:1.运用非线性系统的分岔理论,对单个Wilson-Cowan神经元群等效模型的背景电位强度和时间常数进行了动力学分析,确定了各自对应的单参数区间,仿真分析了模型参数变化对模型中兴奋亚群E、抑制亚群I的脉冲发放率和局部场电位(Local Field Potential,LFP)的振荡特性的影响,参考仿真结果和分岔理论分析结果,将单个Wilson-Cowan神经元群作为皮层网络的基本组成单元,以相互耦合方式作为兴奋亚群与抑制亚群对应的Wilson-Cowan模型之间的典型连接模式,不同的连接参数代表不同的Wilson-Cowan模型之间的功能性连接特征,由此建立视皮层神经元等效振荡网络模型。2.基于所建立的视皮层神经元等效振荡网络模型,侧重仿真研究了视觉刺激面积变化对视皮层神经元等效振荡网络模型输出的SSVEP响应的共振频率的影响。仿真结果表明,在1~30 Hz的刺激频率范围内,视皮层神经元等效振荡网络模型的SSVEP共振频率随视觉刺激面积增加呈现倒U形的“窗口”效应:当刺激面积小于某阈值时,共振频率随面积的增加而增大;当刺激面积超过该阈值时,共振频率随面积的增加而减少。刺激面积等于该阈值时,共振频率最大。3.将周期性闪烁的LED灯作为刺激光源,实验研究当光源半径和闪光刺激频率的取值分别在5~9 mm和6~20 Hz区间变化取值时,不同光源刺激面积变化对SSVEP共振频率的影响。实验结果表明:在刺激频率范围固定条件下,当光源半径小于7 mm时,SSVEP的共振频率和圆半径呈正相关;当圆半径大于7 mm时,SSVEP共振频率和圆半径呈负相关;当圆半径为7 mm时,共振频率最大,即SSVEP共振频率随光源刺激面积的变化曲线呈先上升后下降的倒U形变化规律。4.本文仿真结果和实验结果均表明,在一定刺激频率范围内,SSVEP共振频率随视觉刺激面积的增加呈现先增加后降低的倒U形变化规律。由于大脑的视皮层和头皮检测到SSVEP随刺激频率具有相同的定性变化规律,因此在本文实验测试的频段范围内,对于SSVEP共振频率的变化规律,实验结果和仿真结果一致,验证了本文所建立的视皮层神经元振荡网络计算模型的合理性,也为深入研究视觉刺激面积变化对SSVEP共振频率的影响提供有意义的理论和实验依据。
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