神经信息科学离我们有多远？.ppt

1、神经信息科学离我们有多远？,尧 德 中 电子科技大学 生命科学与技术学院 2002.9,1. 人类脑计划介绍 2. 脑电的研究及应用,报告内容,1.人类脑计划介绍 问题的提出,揭示大脑奥秘是人类面临的最大挑战. 生命是什么？ 灵魂在那里？ 大脑如何思维？ 脑科学是21世纪最具有原创性的科学！,人类有极其复杂的大脑，它是千百万年进化的结晶。在过去六亿年中，生物的进化产生了由大量神经元相互联结而形成的神经网络，解决了在不断变化的复杂环境中，人脑如何处理各种复杂信息的问题。 人的高级认知功能的高度发展，使得人类成为万物之首，具备了主宰世界的能力。,1.人类脑计划介绍 人与其它物种之区别,1.人类脑计

2、划介绍 人脑是精巧而完善的智能信息处理系统,研究发现，一个成人大脑内有上千亿个神经细胞（10 的 11 次方），还有超过 10的14次方个神经突触。 是生物体内结构和功能最复杂的组织，是接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指令、产生行为的指挥部。 掌管着人类每天的语言、思维、感觉、情绪、运动等高级活动。,1.人类脑计划介绍 脑科学的研究热潮正遍布全球,人脑的结构和功能极其复杂，需要从分子、细胞、系统、全脑和行为等不同层次进行研究和整合，内容极其丰富。 世界各国投入了大量的人力和财力进行专门研究： 美国把20世纪九十年代定为“脑的十年”， 欧洲确定了“脑的二十年研究计划”， 日本

3、将21世纪视为“脑科学世纪”。 中国 “973”、科学院“知识创新工程”等,人们相信脑科学的研究成果将为人类更好地： 了解自己、 保护自己、防治脑疾病 开发大脑潜能 等方面做出重要的贡献,1.人类脑计划介绍 “认识脑、保护脑、创造脑”三大目标,1） 以往有关脑的研究包括神经（解剖、生理、病理、生化、免疫、电生理、心理）等，已经获得了大量有关动物脑和人脑的实验数据和研究结果。 2）近年来分子神经生物学研究从基因水平来揭示人脑的奥秘，先进的基因芯片技术在每秒钟就可以得到大量微观水平上的实验数据。 3）脑功能成像（fMRI、PET、ERP等）使我们能从活体和整体水平来研究脑，可以在无创伤条件下了解到

4、人的思维、行为活动时脑的功能活动。 这些新方法、新技术极大地增强了宏观水平上的脑研究能力，同时也产生了海量的实验数据。,1.人类脑计划介绍 脑的研究正在产生海量的数据,1）神经科学家面临的重要问题之一，就是能否灵活有效地管理数据，最大限度地利用已有的实验数据。 建立 全球神经信息数据库 和 神经信息电子网络，已经迫在眉睫。 2）应加强神经科学和信息科学的合作和相互渗透，建立新的研究模式，即实验数据数学理论计算机模拟和预测生物学实验验证数学模型与验证后的理论，力求达到事半功倍，加快脑的研究进程。,1.人类脑计划介绍 海量的数据呼唤新的学科 - 神经信息科学,1） 曼哈顿计划、阿波罗登月计划 和

5、人类基因组计划是划时代的三大科学工程，它们给整个人类社会带来了深远的影响。 2） 人类基因组计划是“生物实验结果和信息科学”的完美结合，人类基因库将为人类健康、疾病诊断、药物开发、生态平衡和生物学研究作出不可估量的贡献。 3) 在 人类基因组计划 之后应该是 人类蛋白质组计划 和 人类脑计划。,1.人类脑计划介绍 是 人类历史上的重大科学计划,神经信息学 指 神经科学和信息学相互结合的研究领域。它是 人类脑计划的核心内容。 目 标： 利用信息技术，建立神经信息学数据库。 1） 以便能对不同层次的有关脑的研究数据，进行检索、比较、分析、整合、建模和仿真，绘制出脑功能、脑结构和神经网络的图谱； 2

6、） 能从基因到行为各个水平加深人类对大脑的理解， 达到“认识脑、保护脑和创造脑”的目的。,1.人类脑计划介绍 人类脑计划的核心 - 神经信息学,国际神经信息合作组织已在全球召开了4次会议，具体已提出了几项重大建议： 1）创建全球性的神经信息学电子网络， 2）开发先进的神经信息学工具、方法和数据库， 3）通过数据资源共享和建模仿真来了解神经系统的结构和功能，推动脑科学进步。,1.人类脑计划介绍 当前正在推动的工作,1） 应充分利用我们人类脑资源丰富等优势，积累有特色的基础数据； 2）在具有中国特色的传统医学（如针刺等）、汉语认知与特殊感知觉的神经信息学研究等领域深入开展工作； 3） 建立中国的神

7、经信息平台、电子网络和信息数据库，从而更好地和国外科学家协作，共享科研成果和国际资源。,1.人类脑计划介绍 中国的神经信息学研究,跨通道刺激 电极上的脑电记录,32电极阵列,2. 脑电的研究及应用,(UESTC, Ming Z, 2001),2. 脑电的研究及应用,脑电是一个时-空记录， 脑电数据的分析是一种时-空动态过程的分析,脑电的时域分析： 脑电的相干/同步性分析,Gevins (1989),互相关函数(Correlation),互协方差函数(Covariance),目标： 分析1秒以内频域相干的动态变化,频域相干函数 (Coherence),基于DFT的动态相干分析 （C. Andre

8、w, G. Pfurtscheller,1996),数据窗滑动 t,signal x,signal y,实验研究：,不同脑区信息的整合（Hong B, 2000),视/听 实验刺激,O2、 T4电极之间的信息整合,无声、短声、长声三种条件下O2和T4电极处的大脑皮层都在大约13-18Hz的频带，200毫秒左右的时间段发生了较为显著的同步化。,无声,短声,长声,Parietal lobe,Frontal lobe,Occipital lobe,Cerebellum,Temporal lobe,T4,O2,脑电的空域分析： 高分辨脑电图,四层球头模型 SPM导体模型,等效源技术：,SPM（Sour

9、ce Potential Mapping)仿真效果 ( PMB: Dezhong Yao, 2001),SPM 在实际视觉诱发脑电处理上的效果,( 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,头皮电位 皮层表面电位,CPM( Sidman 1992 ) 癫痫放电过程峰值电位,癫痫放电过程,从-20ms -10ms,从0ms +10ms,脑电的空域分析

10、： 三维层析技术,层析Model,层析效果,(He Yao Lian， IEEE BME, 2002),VEPs EC ED A ED X ED Y ED Z,脑电的空域分析： MUSIC/Dipole Localization,层析Model,(Yao, 2001),:,实验Model,MUSIC Results:,脑电的空域分析： 参考电极标准化技术-REST,平均电极误差 REST效果,( Dezhong Yao, PM, 2001),原理： Va=GaS V=GS V=GGa(+)Va,结果：,脑电的时-空动力学分析 Haken协同学理论的应用(Uhl, 2000),EEG Signa

11、l Model 时-空模式假设,听觉实验时-空模式假设模型,模式间的非线性相互作用,反演的 空间模式,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 时间模式,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).,几点认识：,脑电研究是一