神經(jīng)信息科學(xué)離我們有多遠(yuǎn)？.ppt

1、神經(jīng)信息科學(xué)離我們有多遠(yuǎn)？,堯 德 中 電子科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2002.9,1. 人類腦計劃介紹 2. 腦電的研究及應(yīng)用,報告內(nèi)容,1.人類腦計劃介紹 問題的提出,揭示大腦奧秘是人類面臨的最大挑戰(zhàn). 生命是什么？ 靈魂在那里？ 大腦如何思維？ 腦科學(xué)是21世紀(jì)最具有原創(chuàng)性的科學(xué)！,人類有極其復(fù)雜的大腦，它是千百萬年進(jìn)化的結(jié)晶。在過去六億年中，生物的進(jìn)化產(chǎn)生了由大量神經(jīng)元相互聯(lián)結(jié)而形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，解決了在不斷變化的復(fù)雜環(huán)境中，人腦如何處理各種復(fù)雜信息的問題。 人的高級認(rèn)知功能的高度發(fā)展，使得人類成為萬物之首，具備了主宰世界的能力。,1.人類腦計劃介紹 人與其它物種之區(qū)別,1.人類腦計

2、劃介紹 人腦是精巧而完善的智能信息處理系統(tǒng),研究發(fā)現(xiàn)，一個成人大腦內(nèi)有上千億個神經(jīng)細(xì)胞（10 的 11 次方），還有超過 10的14次方個神經(jīng)突觸。 是生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能最復(fù)雜的組織，是接受外界信號、產(chǎn)生感覺、形成意識、進(jìn)行邏輯思維、發(fā)出指令、產(chǎn)生行為的指揮部。 掌管著人類每天的語言、思維、感覺、情緒、運(yùn)動等高級活動。,1.人類腦計劃介紹 腦科學(xué)的研究熱潮正遍布全球,人腦的結(jié)構(gòu)和功能極其復(fù)雜，需要從分子、細(xì)胞、系統(tǒng)、全腦和行為等不同層次進(jìn)行研究和整合，內(nèi)容極其豐富。 世界各國投入了大量的人力和財力進(jìn)行專門研究： 美國把20世紀(jì)九十年代定為“腦的十年”， 歐洲確定了“腦的二十年研究計劃”， 日本

3、將21世紀(jì)視為“腦科學(xué)世紀(jì)”。 中國 “973”、科學(xué)院“知識創(chuàng)新工程”等,人們相信腦科學(xué)的研究成果將為人類更好地： 了解自己、 保護(hù)自己、防治腦疾病 開發(fā)大腦潛能 等方面做出重要的貢獻(xiàn),1.人類腦計劃介紹 “認(rèn)識腦、保護(hù)腦、創(chuàng)造腦”三大目標(biāo),1） 以往有關(guān)腦的研究包括神經(jīng)（解剖、生理、病理、生化、免疫、電生理、心理）等，已經(jīng)獲得了大量有關(guān)動物腦和人腦的實驗數(shù)據(jù)和研究結(jié)果。 2）近年來分子神經(jīng)生物學(xué)研究從基因水平來揭示人腦的奧秘，先進(jìn)的基因芯片技術(shù)在每秒鐘就可以得到大量微觀水平上的實驗數(shù)據(jù)。 3）腦功能成像（fMRI、PET、ERP等）使我們能從活體和整體水平來研究腦，可以在無創(chuàng)傷條件下了解到

4、人的思維、行為活動時腦的功能活動。 這些新方法、新技術(shù)極大地增強(qiáng)了宏觀水平上的腦研究能力，同時也產(chǎn)生了海量的實驗數(shù)據(jù)。,1.人類腦計劃介紹 腦的研究正在產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù),1）神經(jīng)科學(xué)家面臨的重要問題之一，就是能否靈活有效地管理數(shù)據(jù)，最大限度地利用已有的實驗數(shù)據(jù)。 建立 全球神經(jīng)信息數(shù)據(jù)庫 和 神經(jīng)信息電子網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)迫在眉睫。 2）應(yīng)加強(qiáng)神經(jīng)科學(xué)和信息科學(xué)的合作和相互滲透，建立新的研究模式，即實驗數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)理論計算機(jī)模擬和預(yù)測生物學(xué)實驗驗證數(shù)學(xué)模型與驗證后的理論，力求達(dá)到事半功倍，加快腦的研究進(jìn)程。,1.人類腦計劃介紹 海量的數(shù)據(jù)呼喚新的學(xué)科 - 神經(jīng)信息科學(xué),1） 曼哈頓計劃、阿波羅登月計劃 和

5、人類基因組計劃是劃時代的三大科學(xué)工程，它們給整個人類社會帶來了深遠(yuǎn)的影響。 2） 人類基因組計劃是“生物實驗結(jié)果和信息科學(xué)”的完美結(jié)合，人類基因庫將為人類健康、疾病診斷、藥物開發(fā)、生態(tài)平衡和生物學(xué)研究作出不可估量的貢獻(xiàn)。 3) 在 人類基因組計劃 之后應(yīng)該是 人類蛋白質(zhì)組計劃 和 人類腦計劃。,1.人類腦計劃介紹 是 人類歷史上的重大科學(xué)計劃,神經(jīng)信息學(xué) 指 神經(jīng)科學(xué)和信息學(xué)相互結(jié)合的研究領(lǐng)域。它是 人類腦計劃的核心內(nèi)容。 目 標(biāo)： 利用信息技術(shù)，建立神經(jīng)信息學(xué)數(shù)據(jù)庫。 1） 以便能對不同層次的有關(guān)腦的研究數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢索、比較、分析、整合、建模和仿真，繪制出腦功能、腦結(jié)構(gòu)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖譜； 2

6、） 能從基因到行為各個水平加深人類對大腦的理解， 達(dá)到“認(rèn)識腦、保護(hù)腦和創(chuàng)造腦”的目的。,1.人類腦計劃介紹 人類腦計劃的核心 - 神經(jīng)信息學(xué),國際神經(jīng)信息合作組織已在全球召開了4次會議，具體已提出了幾項重大建議： 1）創(chuàng)建全球性的神經(jīng)信息學(xué)電子網(wǎng)絡(luò)， 2）開發(fā)先進(jìn)的神經(jīng)信息學(xué)工具、方法和數(shù)據(jù)庫， 3）通過數(shù)據(jù)資源共享和建模仿真來了解神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，推動腦科學(xué)進(jìn)步。,1.人類腦計劃介紹 當(dāng)前正在推動的工作,1） 應(yīng)充分利用我們?nèi)祟惸X資源豐富等優(yōu)勢，積累有特色的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； 2）在具有中國特色的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)（如針刺等）、漢語認(rèn)知與特殊感知覺的神經(jīng)信息學(xué)研究等領(lǐng)域深入開展工作； 3） 建立中國的神

7、經(jīng)信息平臺、電子網(wǎng)絡(luò)和信息數(shù)據(jù)庫，從而更好地和國外科學(xué)家協(xié)作，共享科研成果和國際資源。,1.人類腦計劃介紹 中國的神經(jīng)信息學(xué)研究,跨通道刺激 電極上的腦電記錄,32電極陣列,2. 腦電的研究及應(yīng)用,(UESTC, Ming Z, 2001),2. 腦電的研究及應(yīng)用,腦電是一個時-空記錄， 腦電數(shù)據(jù)的分析是一種時-空動態(tài)過程的分析,腦電的時域分析： 腦電的相干/同步性分析,Gevins (1989),互相關(guān)函數(shù)(Correlation),互協(xié)方差函數(shù)(Covariance),目標(biāo)： 分析1秒以內(nèi)頻域相干的動態(tài)變化,頻域相干函數(shù) (Coherence),基于DFT的動態(tài)相干分析 （C. Andre

8、w, G. Pfurtscheller,1996),數(shù)據(jù)窗滑動 t,signal x,signal y,實驗研究：,不同腦區(qū)信息的整合（Hong B, 2000),視/聽 實驗刺激,O2、 T4電極之間的信息整合,無聲、短聲、長聲三種條件下O2和T4電極處的大腦皮層都在大約13-18Hz的頻帶，200毫秒左右的時間段發(fā)生了較為顯著的同步化。,無聲,短聲,長聲,Parietal lobe,Frontal lobe,Occipital lobe,Cerebellum,Temporal lobe,T4,O2,腦電的空域分析： 高分辨腦電圖,四層球頭模型 SPM導(dǎo)體模型,等效源技術(shù)：,SPM（Sour

9、ce Potential Mapping)仿真效果 ( PMB: Dezhong Yao, 2001),SPM 在實際視覺誘發(fā)腦電處理上的效果,( PMB: Dezhong Yao, 2001),EDM( He, Yao, Lian. Clinph, 2002) Human VEP : Left (a) and right(b) visual stimuli. Right (c) and left (d) local activity,頭皮電位 皮層表面電位,CPM( Sidman 1992 ) 癲癇放電過程峰值電位,癲癇放電過程,從-20ms -10ms,從0ms +10ms,腦電的空域分析

10、： 三維層析技術(shù),層析Model,層析效果,(He Yao Lian， IEEE BME, 2002),VEPs EC ED A ED X ED Y ED Z,腦電的空域分析： MUSIC/Dipole Localization,層析Model,(Yao, 2001),:,實驗Model,MUSIC Results:,腦電的空域分析： 參考電極標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)-REST,平均電極誤差 REST效果,( Dezhong Yao, PM, 2001),原理： Va=GaS V=GS V=GGa(+)Va,結(jié)果：,腦電的時-空動力學(xué)分析 Haken協(xié)同學(xué)理論的應(yīng)用(Uhl, 2000),EEG Signa

11、l Model 時-空模式假設(shè),聽覺實驗時-空模式假設(shè)模型,模式間的非線性相互作用,反演的 空間模式,Top row: Configuration of potential field maps and color coding. Bottom row: Spatial modes v1 and v2 spanning phase space, resulting from the minimization of the cost function of all three conditions. The modes represent spatial field distributions,

12、 configuration, and color coding as in the top row (v1: minimum 5 2.4 V, maximum 5 9.6 V; v2: minimum 525.9 V, maximum 5 5.6V).,反演的 時間模式,Projection of spatiotemporal EEG signals in phase space (solid line) with time markers in msec (yellow diamonds). Half-arrows and coloring illustrate the obtained dynamical system and fixed points (fp, red diamonds) representing attractive spatial field distributions (standard (a), deviant (b), and novel (c) conditions).,幾點(diǎn)認(rèn)識：,腦電研究是一