Estimation of Cortical Connectivity in Humans pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Morgan and Claypool Publishers

作者:Laura Astolfi

出品人:

页数:112

译者:

出版时间:2008-02-06

价格:USD 40.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781598295320

丛书系列:

图书标签:

心理学
认知神经科学
神经科学
脑连接
皮层
估计
人类
功能性磁共振成像
连接组学
认知神经科学
计算神经科学
大脑网络

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具体描述

In the last ten years many different brain imaging devices have conveyed a lot of information about the brain functioning in different experimental conditions. In every case, the biomedical engineers, together with mathematicians, physicists and physicians are called to elaborate the signals related to the brain activity in order to extract meaningful and robust information to correlate with the external behavior of the subjects. In such attempt, different signal processing tools used in telecommunications and other field of engineering or even social sciences have been adapted and re-used in the neuroscience field. The present book would like to offer a short presentation of several methods for the estimation of the cortical connectivity of the human brain. The methods here presented are relatively simply to implement, robust and can return valuable information about the causality of the activation of the different cortical areas in humans using non invasive electroencephalographic recordings. The knowledge of such signal processing tools will enrich the arsenal of the computational methods that a engineer or a mathematician could apply in the processing of brain signals.

神经元回路的动态编织：连接组学在认知神经科学中的前沿应用本书聚焦于理解人类大脑复杂网络的动态构建、功能整合以及在健康与疾病状态下的可塑性。在过去的几十年里，神经科学领域取得了突破性的进展，但要真正破解人类心智的奥秘，我们必须超越对单个脑区的孤立研究，转而深入探索数十亿神经元之间错综复杂的连接模式。本书旨在提供一个全面且深入的视角，探讨如何利用尖端的连接组学（Connectomics）技术和计算模型，来揭示大脑在执行认知任务、适应环境变化以及应对病理损伤时的内在组织原理。第一部分：连接组学基础与技术革新本部分将奠定理解大脑连接的理论和方法论基础。我们首先回顾从早期解剖学研究到现代分子示踪技术的演变历程，重点阐述神经解剖学如何为理解宏观连接提供微观依据。微观到宏观的桥梁：详细介绍跨尺度连接组学的挑战与机遇。我们将探讨神经元轴突束如何在组织层面形成宏观的白质纤维束（Tractography），以及这些纤维束如何构成了我们所观察到的功能网络的基础结构。成像技术的飞跃：深入剖析当前主流的成像技术。重点讨论弥散张量成像（DTI）及其后续发展，如高阶纤维追踪技术（如Q-ball成像、限制性扩散成像），如何提高对交叉、弯曲纤维的解析能力。同时，我们将全面评估功能性磁共振成像（fMRI）在静息态（Resting-State）和任务态下，揭示功能连接（Functional Connectivity）的潜力与局限性。此外，本书还将对电子显微镜连接组学（Electron Microscopy Connectomics）在超微结构水平上重建局部回路的重要性进行深入探讨，并分析其向全脑规模扩展的工程挑战。信号采集与预处理的严谨性：强调数据质量在连接组学中的决定性作用。我们将详细论述如何校正运动伪影、脉冲伪影以及系统误差，确保从原始信号中提取出可靠的结构和功能连接矩阵。第二部分：网络拓扑结构与组织原则理解大脑连接的本质在于识别其背后的数学和物理组织原则。本部分将侧重于应用复杂的网络科学理论来描述和量化大脑网络的拓扑结构。图论在神经科学中的应用：详细介绍如何将大脑建模为加权或无权图，节点代表脑区（如皮层区域或特定核团），边代表纤维束的连接强度或功能同步性。深入解析关键的网络度量指标，包括度中心性（Degree Centrality）、介数中心性（Betweenness Centrality），以及它们如何对应于神经信息流中的重要性。小世界与效率：探讨大脑网络普遍展现的“小世界”特性——即高聚类系数（Clustering Coefficient）和短平均路径长度（Shortest Path Length）。我们将分析这种拓扑结构如何平衡信息在局部处理的特异性与全局整合的效率。模块化与功能分区的出现：重点研究社区检测算法（Community Detection Algorithms），如Louvain或Infomap方法，如何自动识别出具有高度内部连接性的功能模块（Modules）。这些模块通常与已知的认知域（如视觉、运动、执行控制）相对应，揭示了大脑的模块化组织如何支持专业化处理。主干网络（The Backbone Network）：探讨在不同连接阈值下，哪些连接是稳定且跨物种保守的。分析“主干网络”在信息快速传输和关键认知功能维持中的核心地位。第三部分：动态连接性与时间演变大脑并非一个静态的电路，其连接性是高度依赖于时间、状态和经验的。本部分将超越静态连接图谱，关注连接的动态变化过程。功能连接的时间依赖性（TD-fMRI）：介绍如何分析fMRI时间序列中功能连接的快速波动。探讨滑动窗口分析（Sliding Window Analysis）和动态社区检测如何揭示大脑在不同认知负荷或情感状态下网络拓扑的瞬时重组。因果推断与信息流：介绍超越相关性的方法，如格兰杰因果关系（Granger Causality）、动态因果建模（DCM），以及基于信息论的传递熵（Transfer Entropy），用于推断信息在网络中的单向或双向流动方向和强度。可塑性与学习的机制：讨论连接的结构可塑性（突触强度改变）如何被动态功能网络所反映。结合行为学实验，阐述经验学习、长期增强（LTP）和抑制如何实时地重塑连接权重。第四部分：连接组学在理解认知与精神障碍中的应用连接组学的最终目标是提供一个框架，用以理解人类行为的生物学基础，并为临床诊断和治疗提供新的靶点。认知功能与结构-功能匹配：分析高级认知功能（如工作记忆、决策制定）如何依赖于特定结构连接的支持，以及功能整合区域（如前额叶皮层）如何依赖于大量高效的白质投射。精神分裂症与网络解耦：探讨精神分裂症谱系障碍中常见的连接组学特征，例如局部过度连接与远距离连接的效率降低，以及这如何导致感知和认知的整合障碍。阿尔茨海默病与连接衰退：分析在神经退行性疾病中，网络中心性节点（Hubs）的早期脆弱性，以及连接的解体如何预示着认知能力的系统性下降，而非仅是区域性病理的累积。自闭症谱系障碍的超/低连接假设：讨论在ASD中观察到的局部过度连接与长程连接不足的模式，并尝试将其与社交和沟通困难建立联系。连接组学引导的干预：评估经颅磁刺激（TMS）和经颅直流电刺激（tDCS）等神经调控技术如何通过靶向特定网络枢纽或连接通路来实现功能恢复。本书面向神经科学家、生物医学工程师、计算机科学家以及对复杂系统建模感兴趣的研究人员。它不仅是一本技术手册，更是一部关于人类心智组织哲学层面的探索指南，致力于构建一个更精确、更动态的人脑蓝图。