计算智能和神经科学

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计算智能和神经科学/2009年/文章
特殊的问题

Neuromath:先进的人类大脑活动的估计方法和连接

把这个特殊的问题

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体积 2009年 |文章的ID 989824年 | https://doi.org/10.1155/2009/989824

Milka Culic,普Gjoneska, Hiie Hinrikus,马格努斯Jandel, Wlodzimierz Klonowski, Hans Liljenstrom Nada Pop-Jordanova Dan Psatta,迪特里希·冯·罗森,Bjorn Wahlund, 抑郁症的签名不稳定的生物识别时间序列”,计算智能和神经科学, 卷。2009年, 文章的ID989824年, 7 页面, 2009年 https://doi.org/10.1155/2009/989824

抑郁症的签名不稳定的生物识别时间序列

学术编辑器:劳拉Astolfi
收到了 2008年10月30日
修改后的 2009年3月19日
接受 2009年4月29日(
发表 2009年6月24日

文摘

本文是基于一个讨论期间举行的一次特别会议精神障碍模型,NeuroMath会议在斯德哥尔摩,瑞典,2008年9月。在这种情况下,来自不同国家的科学家和不同领域的研究展示了他们的研究和讨论了开放式问题关于精神障碍的分析和模型,特别是抑郁症。本文的内容出现在这些讨论和演示我们简要联系生物标志物(激素),里面(EEG)和biomaps通过脑电图(脑电图)抑郁及其治疗方法,通过线性统计模型以及非线性动态模型。一些例子包括脑电图数据。

1。介绍

学习时精神障碍研究人员主要集中在收集数据,也就是说,基本上是经验的方法。近年来,这与先进的技术设备经常被执行。另一方面,数据分析通常包括基本统计数据,而是通过测试假说进行比较。也有越来越多的文献对动力学和非线性模型,特别是对脑电图数据,但很少是杰出的之间的个人和个体变异。在某种程度上,技术是远远领先于分析工具和解释的理论。研究主要依赖于以下众所周知的范式:(i)模型下的现象研究;(2)收集数据通过一个实验或抽样调查;(3)测试使用的数据模型;(iv)优化模型并重新启动。弱点是当然的知识模型。爱因斯坦曾经极大地指出:“一个理论可以通过一个实验证明了但没有路径从实验理论的诞生。”

本文的独特之处在于,到目前为止,许多研究人员从许多学科的认识和从不同的角度讨论了抑郁。本文提供了大量的砖,但没有房子。事实上,建筑师是失踪。这篇论文的目的是分享我们的经验的多学科视图希望面向经验的研究人员,以及那些更多的演绎可以找到新的视角造型萧条。事实上,这个项目是一个新颖的方法来帮助发现一个严重的精神死亡,这将是很难开展一般在结构化的学术机构。

问题分类和建模抑郁症
使用当前的分类模式,包括dsm - iv,无疑有助于寻找精神疾病基因和生物变量的困难。基于集群的症状和特点的临床课程不一定描述同质障碍,和共同的最后通路不同的病理生理过程,而反映(1]。

此外,生物相关变量和行为可能不是简单的,一对一的基础;真正的关系,例如,基因和行为,可能是更接近于初始条件的敏感依赖在混沌理论。例如,可能没有“语言”的基因。相反,有许多基因,胚胎的大脑模式等方式促进并允许语言习得所需的生理过程。在类似的方式,没有基因被发现为人类精神状态异常代码。了解抑郁症的发病机制和神经生物学多学科研究是必要的。

一个策略来克服上述方法的困难是公认的表型的建议。“表型”一词被形容为一个内部表型(即。,not obvious to the unaided eye) that fills the gap between available descriptors and between the gene and the elusive disease process [2),因此可以帮助解决关于病因模型的问题。造型抑郁症必须基于知识的艺术状态的精神病态的特征,在生理上和临床意义,可以定量评估。

表型可能被定义在两个水平,(a)抑郁症的关键组件,也就是说,kern症状和压力敏感性和(b)生物表型并不奇怪,在抑郁症的生物学基础研究发现生物障碍和某些特定的组件之间的强关联的抑郁症症状,如认知缺陷、沉思、精神运动发育迟滞,快感缺乏,降低情绪与特定的焦点有关异常区域脑血流量(CBF;(3,4])。因此,生物变量密切相关的关键组件被定义为生物表型。

抑郁症的主要组成部分有:(1)抑郁情绪(情绪倾向负面情绪),(2)快感缺乏(奖励功能受损),(3)学习和记忆障碍,(4)Neurovegetative迹象,(5)昼夜变化,(6)执行认知功能受损(反应速度),(7)精神运动变化(缺陷、搅拌),(8)增加应力敏感性(性别特定的)。

生物表型是:(1)快速眼动睡眠,(2)异常的大脑结构和功能(功能成像、结构成像、受体药理学,5 -羟色胺,多巴胺,多巴胺和去甲肾上腺素),(3)HPA轴和CRH,(4)细胞内信号分子(神经营养因子,无处不在的信号级联)。

在本文中,我们将介绍一些潜在生物表型,如昼夜节律、脑电图结果和动物模型。很明显,没有简单的模型对抑郁症,而许多复杂的模型基于各种从微尺度,中间和宏观视角。

找到合适的模型为精神障碍是终极目标,为此我们相信相关国际米兰- /多学科知识是必要的。在这篇文章中,我们将简要地提到了一些先进的线性统计模型,它是有用的在研究昼夜节律(部分23),一些关于复杂的信号(EEG数据部分45),我们也考虑动物模型(部分7),这是重要的对人类在生成模型。此外,提出了四种不同的例子包括脑电图数据(部分6,8,9)。

2。昼夜节律、褪黑激素和明亮的光线疗法

昼夜节律控制,除此之外,食欲,能源、情绪和睡眠。这些节律的研究可以追溯到19世纪。从1980年开始的一项研究体力的变化,有氧能力,血压、精神警觉性,和神经递质和激素的分泌。抑郁症是研究与生物钟的混乱。在季节性情感障碍(SAD)的情绪与昼夜节律紊乱密切相关。此外,似乎视交叉上核(SCN),这可能被视为一种身体的主时钟,有困难要遵循昼夜周期的变化。支持这个假说是荷尔蒙褪黑激素的生产及其关系如此悲伤。在松果体褪黑素是松果体细胞,视交叉上核的影响下,由日光镇压。

20多年前,抑郁研究与各种激素,特别是褪黑激素。褪黑激素峰值水平降低患急病的抑郁症患者,发现谁也hypercortisolemia和地塞米松抑制试验异常健康受试者相比。褪黑激素的峰值水平仍低当这些患者在缓解了,而hypothalamatic-pictiutary-adrent-cortex轴消失的变化(见Wetterberg et al。5),Beck-Friis et al。6])。因此,褪黑激素水平可能被视为生物标记的抑郁症。

在1980年代,明亮的光线疗法(BLT)引入了一个明确的治疗效果在大约85%的患者悲伤,以及双相情感障碍患者。大多数研究支持BLT实现昼夜节律规范化,也就是说,阶段和褪黑激素水平(振幅)可能不同个体之间,以及生理条件和障碍(cf。7,8])。

重要的是要有适当的设计实验,强大的统计和数学工具和专业知识有关的荷尔蒙在调查之中。的影响为例,年龄、性别、体重/身高的褪黑激素水平是很重要的考虑。最初,褪黑激素昼夜节律与普通回归分析和三角函数进行分析。研究通常是这样设计大约10血清测量每个接管日夜循环。从不同的诊断通常有10至50个人团体,包括一个对照组,进行了研究,目的是比较治疗组对激素概要文件在日夜循环。主要的问题在于,血清中褪黑素是不稳定的,因为它是有节奏地发布在相对较短的时间间隔内。抽样策略约10测量24小时释放褪黑激素是不可能捕获和变化将建在测量误差。

3所示。统计重复测量昼夜节律模型分析:线性模型分析的一个例子

因为经常有重复测量个体在抑郁症研究中有应用的一些重复测量工具,现在是可用的,而不是使用标准的回归方法。困难会找到一个合适的模型协方差结构内个人。保守的方法是假设一个任意的协方差矩阵,如果褪黑激素抽样发生在同一时间点为所有人我们可以申请古典增长曲线模型由于Potthoff和罗伊(9]或广义生长曲线模型(cf。Kollo和冯·罗森(10,第四章)。否则,我们可能依赖于混合线性模型分析(cf。Fitzmaurice et al。11])与随机参数,适用于短时间序列分析。然而,这种方法通常只给出了渐近正确的结果。

如今,例如,褪黑素通常是通过插入导管留置静脉取样和样品收集每一个,说,15分钟。这需要更先进的方法比上面的建议分析,扩展的经典多元方差分析。必须开发新方法来估计褪黑激素测试概要文件和执行严格的意义。当然,人们总是可以创建汇总统计,但它是具有挑战性的充分利用采样分辨率。在将来,我们可能会看到更多的高维统计分析或随机过程的方法。

4所示。从脑电图技术识别抑郁

一个更先进的方法比模型是研究高分辨率激素样品里面有时如脑电图和脑电图除了激素,特别是在评估BLT。从脑电图的信息是完全不同的类型,例如,血清褪黑激素浓度,重要的是要研究这些通常的非平稳时间序列。

行为改变是基于神经生理学、行为应该研究与大脑活动correlates-single神经元放电,局部场电位和脑电图/ ECoG。换句话说,食物摄入的行为改变,睡眠,工作习惯和通用汽车活动是相当明显的抑郁,在人类和动物,可以量化脑电图的变化。此外,抗抑郁治疗(药物治疗,适度的体育锻炼,电休克冲击)反向或多或少的脑电图变化中发现人类抑郁,或在某些抑郁症的动物模型。通过这种方式,大脑偏侧性抑郁症是电生理的影响明显。brain-rate参数可以作为一个有效的积分指标这些变化(Pop-Jordanova Pop-Jordanov, [12])。神经元模型和其他方法electroencephalographically识别/量化抑郁症可能互补。为了改进治疗过程中,我们可能会建议更多指定electrocortical刺激在动物模型中,在复杂性和各种分析获得的电子大脑信号的多通道慢性记录技术与遥感技术(Culic, (13])。

5。措施:脑电图信号和复杂性的非线性分析的一个例子

在EEG信号,经典统计方法解释测量误差的发电机的不确定性是无效的。脑电图,大部分的噪音似乎由于模型误差,不能认为是随机的。我们还没有看到任何脑电图模型残差是完全随机分布的拟合模型。这可能是由于依赖结构,但目前尚不清楚如何估计这种依赖不稳定的系列。因此,它是合理的,当研究脑电图完全不同于经典统计的有利工具。例如,非线性动态模型可能发挥重要作用。此外,使用电极的数量是很重要的。有许多我们可以分析电极时空模型,即大脑地图。下,提出了一种非线性复杂性分析方法。引用其他非线性方法研究复杂的EEG信号,看到弗里曼(14)和Perlovsky Kozma, (15]。

方法评估信号的复杂性,如分形和象征性的方法,可能是合适的。例如EEG-signal复杂性衡量Higuchi在时间域的分形维数, ,提出了评估BLT治疗悲伤(cf Klonowski [。16])。 计算出每个电极上EEG-signal在头皮上,然后时空复杂性的地图用分形维数来衡量。“分形维数”这个词可能有不同的含义,所以有必要强调 措施当地复杂的曲线代表给定信号简单曲线总是等于1一个维度,而平面尺寸等于2,所以当地复杂曲线的飞机上可能表现为1和2之间的数字,2对应于纯噪声曲线(“填充”整架飞机)。评估信号使用Higuchi的复杂性 在时间域,它并不重要,如果信号是“真的”混乱(使曲线代表了信号表现出分形属性),并确定的和随机的。

6。示例1:一个例子,复杂性进行了研究

为了说明一个非线性分析技术,从10个病人的脑电图悲伤和BLT处理,进行了分析。收集数据之前和2周后BLT应用。表明,在病人的悲伤, 健康subjects-BLT EEG-signal小于的增加的平均值 在那些痛苦的悲伤(cf Klonowski et al。(17])。为每一个病人时代大约20秒的时间长度,睁眼,结束前约5秒后约5秒eyes-closing进行了分析。清楚事件发生时,分形维数的EEG-signal(基于windows 100的观察)从1.1 - -1.3增加到1.5 - -1.6在枕频道甚至1.8额频道。这个增加是用 。睁着双眼时,分形维数减少,和玫瑰eyes-closing事件再次发生;当眼睛仍然闭着,它减少了。这是用降低

开/闭上眼睛分形维数的比率(FD-ratio),也就是说, 被调查。临床评估的患者汉密尔顿抑郁量表(HDRS), (18)是使用在健康受试者的脑电图观察到FD-ratio接近于1,而患者高使用hdr拍摄吗FD比不同于1.0。对于悲伤的病人FD-ratio与HDRS BLT之前和之后。对于这些患者来说,HDRS BLT后下降FD比“规范化”——成为接近1.0。

在上面提到的材料,有关注可能的BLT对脑电图的影响。研究抑郁症的主要问题之一是患者团体非常不均匀的单个组件的响应。除此之外,还有covariables如年龄、性别和身体身高/体重影响测量的响应。此外,患者使用的药物,即使冲洗时间可能对结果产生影响。

作为一个补充,可以考虑一个多动症儿童。他们构成了一个有趣的团体,因为他们通常没有接受药物治疗,因此可以作为对照组(Zorcec et al。19])。然而,为了提出最初的理论,最好的可能是动物模型开始。

7所示。动物模型用于开发抗抑郁的治疗:一个简短的介绍

总体目标是了解结构之间的相互作用,化学,和大脑的电信号,产生一个沮丧的人类行为。特别是,抑郁动物模型的研究可能是重要的执行筛查发现并开发新的抗抑郁药物。此外,动物模型用于模拟和阐明抑郁症疾病诱发的神经生物学方面快感缺乏作为抑郁症的核心症状,或一个特定亚型的抑郁,抑郁症状和检查机制和各种急性和慢性抗抑郁的治疗(米切尔和雷德芬[20.];Harro [21];Sarbadhikari和Sankar22];维尔纳(23,24];Porsolt et al。25])。例如,破坏神经化学的去蓝斑(LC)至少是抑郁症的病理生理学的一个方面(Klimek et al。26])。LC的相互作用和小脑也带来了新的发动机和非小脑信息处理(Culic et al。27])。动物模型的适应性取决于相似性与人类疾病症状,病因学、生物化学、电生理学和抗抑郁的治疗的反应。它是至关重要的充分认识这些模型的局限性。

某些行为或生理反应,应该是重要的抑郁,是以动物实验模型。试验模型的例子有:muricide,育亨宾杀伤力的强化或amphetamine-induced多动症,拮抗apomorphine-induced体温过低,优惠减少发作癫痫发起杏仁孔,便利化的昼夜节律调整。这样的模型集中在新药筛选的预测价值和其他治疗,没有试图创建一个人类疾病的动物。另一方面,相应的动物模型更重视相关方法和更多的依赖构造和有效性。它们是基于与人类抑郁症的症状虽然有些症状永远无法模仿的动物。同源的例子包括:强迫游泳测试,尾部悬吊试验、电解背内侧杏仁核损伤,疲劳应力和慢性轻度/变量压力引起的快感缺乏。

8。示例2:一个例子与实验性神经症的猫

脑电图关联的动机和短期记忆(STM)猫在回避冲突延迟微分任务研究几十年前(Psatta [28,29日])。预备(提示)刺激语气和断断续续的光刺激(ILS),十秒钟的延迟,强化食品或疼痛。在这种情况下,动机改变到另一个从一个审判。脑电图活动不同的动机在延迟期间在统计学上确认。变化发生在杏仁核和下丘脑。STM变化显著相关(长期失调或ILS记忆痕迹在延迟期间)发生只在皮质认知区域(或Marginalis后中Ectosylvius猫)。海马体的电活动有复杂的关系。长期背侧海马(DH)θ活动伴随着快速的活动腹侧海马(VH)发生在STM是成功的,关注持续运动响应延迟。VH系统出现θ活动伴随着汽车的反应。这是感觉器官认为海马产生一个复杂的集成。 DH intervenes in the sensory processing of information, by closing the thalamic gates. Any fast activity (even short) in DH was accompanied by the loss of STM correlates (weak, fast stimulations of DH also blocked STM). VH exerts an inhibitory motor control on the frontal cortex (by uncial fibers).

抑郁症发生在13个调查的5个动物,回避冲突冲突时诱导实验性神经症(Psatta[的表现30.,31日])。最电气特征的变化在这些动物mid-amplitude非常快节奏的不断出现在DH和VH。因此抑郁是由于引起的海马的夸张的抑制性控制的情感冲突。实验允许勘探的肾上腺素/胆碱能比贡献倾斜行为。管理小剂量利血平,减少大脑自由儿茶酚胺,引起复发的θ节律的海马和协调运动反应。进一步管理导致更高的外观变化振幅快节奏的海马和疲惫类型的抑郁症。

这是得出的结论是,有一个最优单胺水平(一个狭窄的窗口),海马正常行为。管理尼亚酰胺利血平后恢复首先θ活动最终的原始方面中期振幅快节奏在海马体(焦虑型抑郁症的)。choline-estherase抑制剂(毒扁豆碱)在小剂量恢复抑郁动物的DHθ活动和脑电图相关STM(记忆的痕迹)。在高剂量,毒扁豆碱诱导而不是一个极端的风潮的动物(胆碱能在高水平/肾上腺素的平衡)。阿托品后,利血平诱导释放运动行为,但没有执行STM的迹象。这些实验显示抑郁精神药品政府控制的难度。还概述了困难的推断这些结果在动物实验在人类身上谁皮层下脑电图调查是不可能的。

为了复制描述实验中,作者尝试Go-NoGo STM的影响表现在人类(使用听觉点击提示刺激和电动机的手指轻微的延迟响应)。他们认为中央反应就是脑电图光谱反应映射的认知皮质反应中遇到的动物,而N220 /点击它唤起了人耳的听觉P300成分的刺激,是相当于快和慢rhytms发生在动物的海马。勿动蛋白N220较大,P300在去情况下是更深层次的。这两个脑电图表现消失在颞叶癫痫和神经官能症,并增强的额叶癫痫(Psatta马泰,[32,33])。

9。示例3:暴露实验

最后,我们提到了两个不同的暴露治疗/实验也表明,脑电图是适当的研究调查精神障碍。

电休克治疗(ECT)是一种治疗癫痫的电诱导麻醉患者的治疗目的。等是最常用的用于治疗严重的抑郁症,患者并没有对其他疗法。癫痫可以监测脑电图、心电图(ECG)和肌电图(EMG)。过程可以概括为三个不同的事件和顺序相模式。第一个事件包含高压“锋利的海浪和峰值,”第二个有节奏的“慢波”和第三个事件突然和明确的结局。

大多数等研究调查了生理的作用机制与临床反应(34]。运行一个典型的研究如下:主题与单边电极位置根据d 'Elia方法(35]接收双向脉冲等;等是每周例行管理三次一段2 - 4周;每一次脑电图记录它涵盖了上述三个不同的阶段。研究通常由大约30患者5 - 9倍。这个结果在一个巨大的数据集可能测试几个有趣的假说,例如“能群抑郁症发作的帮助下数据?“此外,等是它的一个问题是不知道会发生什么在大脑或治疗后。为了测试的各种假说等影响(例如,在神经网络连接神经发芽或神经的刺激删除),皮层神经网络计算模型可能是有用的(Gu et al。36- - - - - -38])。

微波照射的方法现场电磁辐射功率密度远低于用于应用等精神疾病的治疗。例如,情绪改善双相抑郁症患者一直在报道领域临床磁共振系统中功率密度的限制(39]。暴露在450 MHz微波辐射在1000赫兹频率调制功率密度0.9 mW / c 已被证明导致重度抑郁症的情绪(短期变更40]。实验进行了一组抑郁患者(18岁女性)和对照组的健康志愿者(女性18日)期间,微波辐射暴露30分钟。受试者nonpsychotic重度抑郁症是由icd -标准和由HDRS测量表(如示例1)。的平均HDRS分数组21(其中3.3)。所有受试者通过两个实验过程的曝光和骗局。微波效应的主观标准,短暂影响量表(BAS)和视觉模拟量表(血管)之前和之后的每一个接触和虚假的过程。休息9通道脑电图记录在实验。

作为评估情绪的措施改善光谱不对称指数(SASI)脑电图的组合β和θ权力被选中(41]。BAS透露一个小改进(11个学科)在主观情绪得分后曝光和脉管测试显示分数之间的重大变化(平均33.3)之前和之后(平均40.2)治疗暴露对象和骗局暴露对象无显著变化。

脑电图分析检测到的客观影响治疗。计算SASI价值观是积极的对健康受试者的抑郁和消极。HDRS评分之间的相关性和SASI值为0.67。暴露于微波在30分钟减少SASI值对抑郁病人:平均暴露SASI值是0.16和0.19骗局暴露录音。分析显示显著差异暴露和骗局暴露患者。这些初步结果是有前途和脑电图的SASI方法分析情绪评价以及微波照射治疗精神障碍需要进一步调查。内个人和个人之间变化应该调查和实验在不同的团体应该执行。

10。结束语

在本文中,我们主要集中在神经抑郁的理解。目的是找到一个生理和心理疾病之间的联系。有一些迹象等链接,例如激素水平与悲伤。还揭示了脑电图分析与悲伤。在未来,我们希望发现模型表现抑郁和生物标志物之间的连接,里面bio-maps,如激素水平、脑电图、磁共振成像,等等。为了实现这一目标统计/数学理论开发与实验设计。特别是,我们必须学习如何考虑之间的时空的变化,参数或semi-parametric模型。

确认

这项工作是支持也通过行动BM0601”NeuroMath成本。“成本办公室或任何个人代理代表其负责的使用可能使出版物中包含的信息。成本办公室不负责外部网站本刊物。w . Klonowski承认支持波兰科学和高等教育拨款142 /因为/ 2006/01。m . Culic承认塞尔维亚科学和技术发展(项目号14021)。

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