基于神经元集群模型的稳态视觉诱发电位机制研究

Due to the high signal-to-noise ratio, steady-state visual evoked potential (SSVEP) is widely used in cognition research and brain-computer interface (BCI). The previous studies demonstrate that the frontal and occipital regions and the connections between them play important role in the generation of SSVEP, while up to now their modulation functions on the SSVEP are poorly understood. This project adopts the model simulation and rat data to construct the frontal-occipital network of SSVEP from forward and inversion levels. This project will study the modulation functions of physiological parameters of the two brain regions and the connection patterns between them on the generation of SSVEP, and explore the neural mechanisms of the amplitude differences of the rat SSVEP under different frequencies. Furthermore, our research will explore the neural mechanism of the differences of the rat SSVEP at the individual level. The research results will provide new insights to the brain mechanisms of SSVEP, provides new approaches for the future SSVEP study, which is significant to the theoretical research and practical applications.

稳态视觉诱发电位由于具有高信噪比等特性，目前被广泛用于认知机制研究和脑-机接口领域。已有研究表明，额叶、枕叶及其连接在SSVEP的产生中起到了重要的作用，但迄今它们对SSVEP的调控机制尚不完全明确。本项目将结合模型仿真和大鼠实验数据，从前馈和反演两个层次建立额叶-枕叶网络模型，深入研究额叶、枕叶两脑区的生理参数和区域连接模式对SSVEP的调控作用，探讨不同频率刺激下大鼠SSVEP幅度差异的神经机制，并进一步在个体水平上探索大鼠SSVEP响应差异的神经机理。本项目研究成果将丰富稳态视觉诱发电位的脑机制内涵，为以后研究提供新的思路，具有重要的科学意义和应用价值。

稳态视觉诱发电位广泛用于认知机制研究和脑-机接口领域，但迄今稳态视觉诱发电位的脑机制尚不完全明确。 项目组成员根据项目最初的研究方案，主要开展了以下三个方面的工作：1）在稳态视觉诱发电位机制研究方面，基于神经元集群双柱模型和大鼠颅内数据，研究了枕叶与额叶间的信息流向和不同频率的差异机制。实验结果表明相比于其他频率刺激，8 Hz刺激下表现出从枕叶到额叶增强的信息流向，从而诱发出了更强的稳态视觉诱发电位响应。基于Hodgkin-Huxley(HH) 神经元模型，研究了双频周期性刺激下的差频依赖的随机共振现象，发现当两个刺激频率处在Gamma频带时，差频响应最强。基于正常人的脑电数据，采用图论的分析方法，我们分析了稳态视觉诱发电位谐波响应及响应差异的脑机制。发现谐波响应与对应网络的平均功能连接，聚类系数，全局效率和局部效率呈正相关，与特征路径长度呈负相关。这些发现证实了效率越高的脑网络对应越大的稳态视觉诱发电位。同时发现稳态视觉诱发电位谐波响应网络的主要连接模式来自于额叶与枕-顶脑区间的相互作用。2）在稳态视觉诱发电位的信号分析方面，提出了基于时间延时嵌入的多变量同步指数方法和局部时间信息约束的多变量同步指数方法，提出的算法效地改进了原始算法的性能，尤其是在短时间窗下具有更高的识别精度、更强的抗干扰性能。3）在神经元建模方面，研究了具有自突触反馈连接的突触后神经元建模，发现自突触参与对神经元放电规则性的调控，主要是通过调节神经元产生簇放电的频率实现。其中，兴奋性自突触和电自突触能够增加神经元产生簇放电频率，从而能够增加神经元放电的不规则性；而抑制性自突触能抑制神经元簇放电的发放，从而改善神经元放电的规则性。.本项目执行期间，在包括Scientific Reports、 Neurocomputing、Cognitive Neurodynamics、Physical Review E等国际著名期刊发表SCI 检索论文8篇。项目所研究成果丰富了稳态视觉诱发电位的脑机制内涵，为以后研究提供新的思路和方法，具有重要的科学意义和应用价值。