基于复杂网络理论的脑功能结构分析和多尺度建模

本项目拟应用复杂网络理论研究大脑的功能结构，并在此基础上建立动力学模型模拟脑的功能结构可塑性和神经动力学。具体来说，对大脑功能结构分析主要分为：基于扩散张量成像技术研究认知或病理状态大脑的结构网络，神经团簇作为节点由神经纤维进行连接，在微观（或介观）尺度上研究网络拓扑结构及次级结构特征；基于脑波和核磁共振成像技术研究认知或病理状态大脑的功能网络，皮层检测的电极对或功能区域作为节点由它们之间的相互作用作为连接，在宏观尺度上研究网络拓扑结构随时间和空间变化特征；对比研究认知（或病理）状态与静息（或健康）状态下大脑的功能结构网络的共异性，如小世界特征、群落结构等。在实证基础上，结合神经元模型和复杂网络局域同步理论建模，模拟大脑功能从局部到整体的涌现、结构可塑性和神经动力学。本项目基于复杂网络理论对脑科学的研究是一个全新的探索，旨在揭示大脑的内在机制和为临床诊断提供可能的参考。

本项目应用复杂网络理论研究大脑的功能结构，并在基础上建立动力学模型模拟脑的功能结构可塑性和神经动力学，本项目是应用复杂网络理论对脑科学研究的一个全新探索，旨在揭示大脑的内在机制和为临床应用提供可能的参考。目前已完成的研究内容基本涵盖项目的预期研究目标。具体来说，相关于大脑功能结构分析的研究内容包括：1）基于多通道EEG脑电信号实证研究认知活动时脑功能网络的拓扑结构特征及其功能网络与结构网络一致性问题（研究目标2和3）；2）对比研究由病理态和正常态脑电信号构造的回归网络，分析其网络特征的共异性（研究目标3）；3）基于DTI技术和神经纤维示踪算法研究人脑在微观尺度上的结构网络及分析其网络特征（研究目标1）；4)研究脑功能网络全局与局部结构在不同认知活动中的共异性和动态演化特征（研究目标3）；5）应用基于复杂网络局域同步理论的图聚类算法检测大脑功能激活区或对应社团结构（研究目标2）；6）短暂性发作患者脑默认状态网络连通性研究（研究目标2和3）。相关于脑功能结构的多尺度建模的研究内容包括：1）基于低等哺乳动物（如猿猴，猫）的解剖结构网络仿真研究脑神经动力学涌现出可塑性功能网络（研究目标4和5）；2）基于等级网络和分层同步研究大脑结构网络的可配置模型及大脑功能-结构之间的相互联系（研究目标4和5）。相关于复杂网络建模及网络拓扑结构与动力学之间的相互作用关系的研究内容包括：1）研究复杂网络的匹配模式对同步动力学的影响；2）研究复杂网络的小世界性和群落结构对导航能力和信息传输的影响，进一步研究复杂网络的相关理论在社会经济系统的应用研究，具体研究内容包括： 1）在线社会网络上人类活动的标度行为研究；2）复杂网络理论应用于实证分析金融市场网络结构特征及金融市场建模。.基于上述研究内容取得较好的研究成果，很好的完成项目的预期指标。具体来说，分别从脑功能结构分析和多尺度建模两部分研究内容获得的理论成果有效验证在不同状态小大脑的拓扑结构和次级结构特征及其它们的共异性，提出基于复杂等级网络脑和神经元团簇模型的大脑模型。部分理论成果已经发表（或接受），总计学术论文18篇，其中SCI收录9篇，EI收录4篇，并多次在国内外学术会议上做口头报告。项目资助培养的博士后2名，博士生3名，硕士生4名，本科生若干名。