融合时-空脑信息的理论、方法及其在人类工作记忆及老化研究中的应用

As for the study of working memory and its aging process, it is necessary to deeply mine the complementary information of multi-modality physiological signals. However, the analysis techniques that can effectively integrate the information of multi-modality signals have not been explored yet. In this project, to satisfy the urgent requirement of working memory and its aging, we will build a series of theories and methods for the fusion of non-invasive multi-modality brain signals, whose core is the basis of information theory. As for the aspect of theory and methology, we will use the Venn graph to unify the relationships existed among multi-modality signals, which may provide a very consistent framework to perform the further fusion. Based on information theory, we will develop a series of fusion methods to mine the complementary information of multi-modality signals revealed by the Venn graph, among which not only the common information but also the specified information of certain modality can be extracted as desired. After the fusion methods have been developed, we will apply them to the neural mechanism study of working memory and its aging process. Compared to previous similar working memory studies, two novel points will be provided in this project: 1) The population has a very wide range cover, which will provide the dynamic temporal information for memory aging study; 2) The developed fusion methods can generate the high temporal-spatial multi-modality information for this study, which may facilitate to reveal the neural mechanism for memory and its aging process.

工作记忆及其老化研究的深入需要有效整合多模态信号提供的时-空互补信息，但目前还缺乏能对功能-结构、功能-功能信息进行有效整合的理论与方法。本项目将基于信息科学理论与方法，对多模态时-空脑信息融合的理论、方法及结合记忆研究的应用进行系统性的研究，发展和建立满足不同情况需求的,系列无创多模脑信息融合的方法与技术，为记忆及其老化机制的深入研究提供新的技术手段。在理论方法方面，将以维恩关系图为纽带来对多模态数据间的关系进行统一的描述，发展以信息理论为主线的，对多模信息的共性和特异性信息同时关注的系列融合方法；在应用方面，将获取具有较长时间跨度的不同年龄人群的结构、功能及行为信息，然后利用新发展的多模时-空信息融合方法为工作记忆及其老化研究提供有较高时空区分度的动态信息，以对记忆相关机制进行从单模态到多模态，从点（功能定位）到面（网络、有效连接）的系统研究，揭示工作记忆及其老化过程的深层神经机制。

深入研究工作记忆及其老化问题需要有效整合多模态信号提供的时-空互补信息，但目前还缺乏能对功能-结构，功能-功能信息进行有效整合的理论与方法。本项目将基于信息科学理论与方法，对多模态时-空脑信息融合的理论、方法及结合工作记忆研究的应用开展系统性的研究。根据项目最初的设计，进行了以下方面的工作：（1）在理论方法方面就非零参考对认知脑电的影响研究，发现只有零参考对应的统计参数头表映射分布（SPSM）与脑成像旁证的结果一致。这一情况表明，不同参考电极可能导致南辕北辙的结果和解释；在脑电的脑网络特征方面，系统发展了基于共空间模式的脑网络模式识别方法。该方法初步解决了如何有效地利用脑电高时间分辨率的特性为脑网络研究服务的基本问题；在单模态fMRI信号处理技术方面，发展了基于时空信息的四维局部神经活动区检测方法。经仿真和实验验证该方法能够在神经活动定位研究中起到重要作用；在多模态信息融合方面，针对同步脑电（EEG）与功能磁共振成像（fMRI）融合，提出了一种基于线性和非线性典型相关分析的时域约束的融合机制。该技术为基于时域信息特征提取认知加工过程活动区域提供了重要的方法学支持。(2)在针对工作记忆的应用研究中，发现了负载条件调节工作记忆抗干扰表现的电生理证据，以及发现了具有长期音乐学习经验的被试在执行工作记忆功能时具有更好的抗干扰成绩。这些结果表明学习经验帮助工作记忆对抗干扰因素的机制可能是降低了任务执行时负载水平即降低了认知资源的耗费需求。（3）在针对老化的应用研究中，发现老年人的喙腹侧前扣带与与双侧背中部丘脑核团，额上回/额中回，后扣带/楔前叶的联结减弱。这些脑区主要负责工作记忆和认知控制。此外，还发现老年人的感觉运动连接特征则没有显著的变化，但在基底节，脑岛和中扣带回等具有运动控制和运行计划的脑区发现显著的连接减弱。在EEG的相位耦合研究中，发现老化对注意的消极影响在自上而下成分要比自下而上成分更大。这些结果提示老化过程可能是从高阶认知系统开始。进一步的训练实验发现，长期的舞蹈和音乐经历能够改善大脑中参与工作记忆，注意和感觉运动等功能的系统。这些结果为工作记忆等高级认知功能的老化神经机制研究和神经干预提供了新的思路。本项目执行期间，在国际著名期刊上发表期刊论文38篇SCI检索论文。这些研究成果为工作记忆及其老化研究提供方法学基础和应用切入点。