【摘 要】
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人脑是世界上最为精妙复杂的系统,在这一系统中,数量巨大的神经元、神经元集群,及众多脑区相互连接形成了庞杂的网络,并通过协同作用实现脑的各项功能。科学家通过现代脑电磁
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人脑是世界上最为精妙复杂的系统,在这一系统中,数量巨大的神经元、神经元集群,及众多脑区相互连接形成了庞杂的网络,并通过协同作用实现脑的各项功能。科学家通过现代脑电磁技术、脑成像技术、统计物理学理论和复杂网络理论等来构建脑网络,并研究其拓扑结构,揭示了脑网络的拓扑结构与认知水平之间的关系,以及网络的拓扑结构与脑疾病之间的关系。但关于脑网络的神经动力学特性的相关研究,至今还未见报道。人工神经网络是对人类大脑信息处理特性的一种描述,具有联想记忆、非线性映射、分类识别、优化计算等基本功能。动物神经系统的电生理实验研究表明其具有明显的混沌特性,依据动物的电生理实验提出Aihara混沌神经网络模型具有生物学背景,比较真实的反映了神经系统的混沌特性,而受到广泛关注。大脑神经系统中存在混沌行为。本文在利用fMRI脑成像技术所获得的功能脑网络中,引入Aihara混沌神经网络模型,研究脑网络的神经动力学行为特性。我们将脑网络的拓扑结构作为神经网络的拓扑结构,脑区作为神经网络的节点,节点间的连接权重采用各脑区间的相关系数。我们发现,各脑区的动力学行为不尽相同,大致可以分为三类：部分脑区的状态快速变化,其输出值在0和1之间快速变换,反映出脑区动力学行为十分活跃;部分脑区的状态变化缓慢；还有一部分脑区的状态稳定在某状态,其输出值几乎稳定在某一值上。并且左右脑区显示出不同的动力学特性,这也说明了大脑左右半球分工的不同。在脑功能网络的构建中,相关性的阈值选取对脑网络的拓扑结构影响很大,如何选取阈值,学术界对此有比较大的争议。我们通过网络动力学的研究考察了阈值对其的影响。我们发现,连接权重的阈值小于0.2时,对脑区的动力学特性基本没有影响。通过对不同Aihara混沌神经网络模型参数下的脑网络的动力学特性研究,我们发现脑网络存在混沌和有序两个不同的动力学相,脑网络脑区的输出时序斑图也证实了这一点。
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