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睡眠剥夺对大脑认知能力及脑电特征的影响研究

作 者: 李宁
导 师: 刘海婴;王明时
学 校: 天津大学
专 业: 生物医学工程
关键词: 睡眠剥夺 脑电 事件相关电位 时频转换 平行因子分解 相位相干性 非线性分析 脑信息图
分类号: Q42
类 型: 博士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


睡眠剥夺(Sleep Deprivation, SD)是指由于环境或自身原因无法满足正常睡眠的情况,伴随着疲劳的增加,它会引起生理、心理甚至行为的变化。对SD影响脑认知的研究不仅可以揭示睡眠的意义、功能和机制,还可为提出对抗措施提供依据。近二十年,该方向已成为心理学家、特殊职业研究者和军事研究机构等的研究热点。在研究的手段中,基于脑电(EEG)分析的方法可以捕捉大脑状态在毫秒数量级上的变化,适用于研究脑认知过程。目前基于EEG分析对SD影响认知的研究在国内尚处于起步阶段。虽然国外已经开展起来,但侧重于在EEG单一的频域或单一的时域研究,尚缺少对时、频、空三域综合信息的全面考察,未跟踪大脑皮层功能区之间联络状态的变化,对于揭示SD的作用机制还有待进一步研究。本文提取睡眠剥夺对脑认知影响的脑电特征,全面评价此影响,揭示深层次信息,进一步研究其作用机制,主要的工作和结果包括以下四个方面:1)设计实验方案,完成正常状态和SD状态下的认知测试,并提取两种状态下的EEG时域和频域基础特征。结果表明,在SD后,听觉和视觉刺激诱发事件相关电位的P300成分的幅值显著降低,潜伏期延长;自发脑电功率谱中θ波段活动增加,α波段活动减少,表明了大脑活动水平和认知能力下降;2)提取时、频、空三域的脑电信号特征,建立一条分析途径,全面揭示SD对脑认知功能的影响。结合时频变换、平行因子分解与统计分析来提取两种状态下在三域的EEG显著差异特征点,结果表明,在听觉注意力认知过程中,SD引起的大脑状态改变的主要特征点在刺激后400ms处,40Hz左右的频段,额叶和前额叶区域。对各特征点处具体差异的分析表明,SD后大脑振荡活动减少,活动的中心延迟出现;3)提取EEG相位相干性变化特征,推断SD对大脑同步活动的影响。结合小波变换和相位相干分析得到的结果为:SD引起了视觉注意力认知过程中前额叶处的导联内相位相干活动延迟、减少和强度降低,表明大脑应对连续刺激的状态保持性降低;前额叶和同侧、对侧枕叶之间的导联间相位相干联系活动减少、强度降低,表明功能区之间信息传递活动减弱;4)提取EEG的非线性特征,探索SD影响下大脑非线性状态的变化规律。构建两种状态下自发和诱发近似熵脑电信息图,直观地得到了大脑功能区状态的非线性变化规律,自发脑电的近似熵值在整个大脑皮层有不同程度的下降,在前额叶区域近似熵值中心从左侧向右侧转移,反映了抑制状态的出现;视觉诱发近似熵值在前额叶处下降,而顶叶和颞叶处则升高,体现了脑区代偿作用。综上,对基础特征的分析验证了实验的有效性。通过综合研究EEG时频空三域的特征,相位相干特征和非线性动力学特征,形成了一个相对完整的对SD影响脑认知的评价方法,为本领域已有的认知科学推断提供了客观支持,更深一步探索了SD的作用机制,为将来提出对SD的对抗措施提供了客观依据。

全文目录


中文摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 研究背景和研究意义  10-12
    1.1.1 睡眠剥夺的概念与研究背景  10-11
    1.1.2 睡眠剥夺对脑认知影响的研究意义  11-12
  1.2 睡眠剥夺影响认知研究的回顾与现状  12-17
    1.2.1 睡眠剥夺对脑认知功能的作用机制  12-14
    1.2.2 宏观层面的研究-心理科学评价  14
    1.2.3 中间层面的研究-基于脑成像方法  14-15
    1.2.4 中间层面的研究-基于脑电生理方法  15-17
  1.3 本文的研究目的和主要研究内容  17-20
第二章 睡眠剥夺对脑认知影响研究的理论基础和实验设计  20-36
  2.1 睡眠剥夺对脑认知影响研究的神经科学基础  20-25
    2.1.1 研究的神经生物学基础  20-22
    2.1.2 研究的心理科学基础  22-25
  2.2 脑电信号分析应用于认知研究的理论基础  25-30
    2.2.1 脑电研究的发展历史  26
    2.2.2 脑电信号的量化和分类  26-27
    2.2.3 脑认知研究中常用的脑电分析方法  27-30
  2.3 实验环境及实验方案设计  30-34
    2.3.1 实验环境及仪器  30-31
    2.3.2 实验方案设计  31-34
  2.4 本章 小结  34-36
第三章 睡眠剥夺对脑认知能力和脑电基础特征的影响研究  36-46
  3.1 脑电信号的数据预处理  36-39
  3.2 时域基础特征-事件相关电位ERP 评价  39-42
  3.3 频域基础特征-自发脑电功率谱评价  42-44
  3.4 行为学数据结果及讨论  44-45
  3.5 本章 小结  45-46
第四章 睡眠剥夺影响脑认知的EEG 时频空三域综合特征研究  46-62
  4.1 概述-EEG 时频空综合特征研究  46-47
  4.2 基于小波变换的EEG 时频信息的获取  47-49
  4.3 通过平行因子分解得到EEG 时频空三域特征  49-53
    4.3.1 平行因子模型与非负矩阵分解相结合的理论基础  50-52
    4.3.2 分解因子及分量的意义  52-53
  4.4 统计分析  53
  4.5 矩阵构建和算法设计  53-55
  4.6 睡眠剥夺对听觉认知影响的时频空三域特征提取和讨论  55-60
    4.6.1 研究波段的选取  55-56
    4.6.2 实验及参数  56
    4.6.3 结果及讨论  56-60
  4.7 本章 小结  60-62
第五章 睡眠剥夺对脑认知影响的EEG 相位相干性特征研究  62-74
  5.1 概述-提取相位相干性特征  62-65
    5.1.1 基于EEG 频率特性的研究频段选取  62-64
    5.1.2 选取EEG 相位相干特性研究大脑神经网络活动  64-65
  5.2 EEG 相位相干理论基础及算法实现  65-68
    5.2.1 相位相干的定义  65-66
    5.2.2 小波变换得到时频信息  66-67
    5.2.3 导联内相位相干(ITPC)  67-68
    5.2.4 导联间相位相干(ERPCOH)  68
  5.3 睡眠剥夺对视觉认知影响的EEG 相位相干性特征提取  68-73
    5.3.1 受试者及实验数据  69
    5.3.2 前额叶处导联内相位相干性计算结果及讨论  69-71
    5.3.3 前额叶和枕叶之间相位相干性计算结果及讨论  71-73
  5.4 本章 小结  73-74
第六章 睡眠剥夺对脑认知影响的EEG 非线性特征研究  74-86
  6.1 概述-非线性动力学分析方法应用于EEG 分析  74-76
  6.2 脑电复杂度特征提取和脑信息图重构  76-79
    6.2.1 近似熵及其计算方法  77-78
    6.2.2 脑电信息图的建立  78-79
  6.3 睡眠剥夺对脑认知和EEG 复杂度的影响评价  79-83
    6.3.1 自发脑电的近似熵评价  79-81
    6.3.2 视觉诱发脑电的近似熵评价  81-83
  6.4 本章 小结  83-86
第七章 总结与展望  86-90
  7.1 全文总结  86-88
  7.2 未来进一步工作的展望  88-90
参考文献  90-100
发表论文和科研情况说明  100-102
致谢  102

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中图分类: > 生物科学 > 生理学 > 神经生理学
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