將大腦視為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以使研究人員從腦電圖中提取更有意義的數(shù)據(jù)

華盛頓大學(xué)圣路易斯麥凱工程學(xué)院的研究人員將人工智能與系統(tǒng)理論相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一種更有效的方法來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)和準(zhǔn)確識(shí)別癲癇發(fā)作。

他們的研究結(jié)果于5月26日發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上。

這項(xiàng)研究來(lái)自普雷斯頓格林電氣與系統(tǒng)工程系教授Jr-Shin Li的實(shí)驗(yàn)室，由李實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Walter Bomela領(lǐng)導(dǎo)。

曾是李的學(xué)生，現(xiàn)在是德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的助理教授，以及東北大學(xué)的楚安安。

Bomela說(shuō)：“我們的技術(shù)使我們能夠獲取原始數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理并提取一個(gè)函數(shù)，這對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的使用更有用。”“我們方法的主要優(yōu)勢(shì)是將23個(gè)電極的信號(hào)融合成一個(gè)參數(shù)，可以用更少的計(jì)算資源進(jìn)行有效處理?！?

在腦科學(xué)中，目前對(duì)大多數(shù)癲癇發(fā)作的理解是，當(dāng)一組神經(jīng)元突然強(qiáng)烈的超同步放電中斷正常的大腦活動(dòng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生癲癇發(fā)作。在癲癇發(fā)作期間，如果一個(gè)人連接到腦電圖儀(一種稱為腦電圖的設(shè)備，用于測(cè)量電輸出)，異常的大腦活動(dòng)將表現(xiàn)為尖峰放電。

Bomela說(shuō)：“然而，當(dāng)使用臨時(shí)腦電圖信號(hào)時(shí)，癲癇發(fā)作的檢測(cè)準(zhǔn)確性不是很好。”該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種網(wǎng)絡(luò)推理技術(shù)，以促進(jìn)癲癇發(fā)作的檢測(cè)，并以更高的準(zhǔn)確性找到癲癇發(fā)作的位置。

在腦電圖會(huì)議期間，一個(gè)人的電極附著在他/她的頭部的不同部位，每個(gè)電極記錄該部位周?chē)碾娀顒?dòng)。

“我們將腦電圖電極視為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。使用每個(gè)節(jié)點(diǎn)的記錄(時(shí)間序列數(shù)據(jù))，我們開(kāi)發(fā)了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)推斷網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)變連接或關(guān)系，”Bomela說(shuō)。技術(shù)不僅考慮腦電圖數(shù)據(jù)(單個(gè)信號(hào)的峰值和強(qiáng)度)，還考慮關(guān)系。他說(shuō)：“我們想推斷大腦區(qū)域是如何與他人互動(dòng)的?！?

這些關(guān)系的總和構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)建立后，可以整體測(cè)量其參數(shù)。例如，可以評(píng)估整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度，而不是測(cè)量單個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度。有個(gè)參數(shù)叫Fiedler特征值，特別有用?！爱?dāng)癲癇發(fā)作時(shí)，你會(huì)看到這個(gè)參數(shù)開(kāi)始增加，”博梅拉說(shuō)。

在網(wǎng)絡(luò)理論中，F(xiàn)iedler特征值也與網(wǎng)絡(luò)同步有關(guān)——值越大，網(wǎng)絡(luò)越同步。博梅拉說(shuō)：“這與癲癇發(fā)作期間大腦活動(dòng)同步的理論是一致的?！?

偏置同步還有助于消除偽像和背景噪聲。例如，如果一個(gè)人抓傷了他的手臂，相關(guān)的大腦活動(dòng)會(huì)被一些腦電圖電極或通道捕捉到。但是，它不會(huì)與癲癇發(fā)作活動(dòng)同步。這樣，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將固有地降低無(wú)關(guān)信號(hào)的重要性。只有同步的大腦活動(dòng)才能引起費(fèi)德勒特征值的顯著增加。

目前，這項(xiàng)技術(shù)適用于單個(gè)患者。下一步是整合機(jī)器學(xué)習(xí)，普及識(shí)別不同類(lèi)型癲癇患者的技術(shù)。

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