Multi-objective optimization via evolutionary algorithm (MOVEA) for high-definition transcranial electrical stimulation of the human brain
提出通用计算框架MOVEA,通过帕累托优化解决无预定方向的TES策略非凸优化问题,实现多目标同时优化并生成权衡最优解,全面比较了tACS与tTIS性能,推动了神经调控应用。
2023-04-03 cs.NE q-bio.NC q-bio.QM
Temporal interference stimulation for deep brain neuromodulation in humans
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)(洛桑联邦理工学院);EPFL Valais, Clinique Romande de Réadaptation(洛桑联邦理工学院瓦莱校区,罗马尼亚康复诊所);University Hospital Würzburg(维尔茨堡大学医院);University of Geneva Medical School(日内瓦大学医学院)
经颅时间干扰刺激(tTIS)首次实现了聚焦性非侵入性深部脑电刺激,为深部脑神经调节提供了新的方法和应用前景。
2025-12-16 cs.SY eess.SY q-bio.NC
Miniaturized optically-generated Bessel beam ultrasound for volumetric transcranial brain stimulation
针对当前超声神经调制在脑亚区靶向时的权衡问题,本文提出微型化光生贝塞尔光束超声(OBUS)装置,实现高分辨率容积刺激、高效经颅传输及无创神经激活,为脑功能研究提供新技术。
2025-07-08 q-bio.NC
Mechanisms and Controversies of tACS (Transcranial Alternating Current Stimulation)
本文是聚焦经颅交流电刺激(tACS)的综述,梳理多物种研究中关于其作用机制的趋同实验证据,指出尚存的混杂因素相关不确定性并提出可实验验证的解决方案,同时阐明深化机制研究对神经科学基础问题的价值。
2024-10-08 q-bio.NC
Personalized Transcranial Electrical Stimulation: A Review of Computational Modeling and Optimization
Southern University of Science and Technology(南方科技大学);University of Warwick(华威大学);Renji Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine(上海交通大学医学院附属仁济医院);Key Laboratory of Anesthesiology (Shanghai Jiao Tong University), Ministry of Education(教育部麻醉学重点实验室(上海交通大学));Shanghai Mental Health Center, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine and School of Psychology(上海市精神卫生中心,上海交通大学医学院和心理学系);Southeast University(东南大学)
本综述全面回顾了支持个性化经颅电刺激的计算建模与优化技术,系统考察了正向与逆向建模、头部建模流程及多模态脑数据整合的进展,突出了实现精准神经调控的挑战与未来方向。
2025-11-05 cs.CE cs.NE q-bio.NC
Repeated transcranial direct current stimulation (tDCS) in nondepressed reduces levels of reported negative affects from daily stressors
对日常生活压力的负面情绪反应具有累积效应,反过来又对情绪健康和神经认知表现施加了广泛的负面限制(Kalueff:2007cp,Charles:2013eq,Nadler:2010hk)。关键的认知功能,如记忆和解决问题,以及更短期的情绪反应(例如,对金钱奖励或损失的预期和反应)受情绪的影响。这些行为反应的负面影响是在个人层面上感受到的,但它也给现代医疗保健系统带来了重大的经济负担。尽管已经进行了大量的研究来了解抑郁情绪的潜在机制并设计有效的治疗途径,但相对而言,很少有人能够描述保持在健康心理功能范围内的情绪调节。在一项安慰剂对照实验中,我们每天在五个时间点应用前额经颅直流电刺激(tDCS),并发现自我报告的情绪评估有可靠的改善。我们在一项独立的双盲安慰剂对照实验中复制了这一发现,并表明在较短的时间内(3天)进行刺激足以产生可检测的情绪改善。总之,我们的数据表明,重复的双侧前额叶tDCS可以减少非抑郁个体的心理困扰。
2016-02-10 q-bio.NC
Review on Biophysical Modelling and Simulation Studies for Transcranial Magnetic Stimulation
经颅磁刺激(TMS)是一种非侵入性刺激大脑区域的技术,用于治疗,康复治疗和神经科学研究。尽管我们了解与TMS有关的物理原理和实验发展,但由于复杂和受试者依赖的大脑解剖结构以及缺乏可以量化TMS在大多数皮层区域中的影响的生物标志物,因此难以识别准确的大脑靶点,因为所产生的剂量表现出不均匀的分布。计算剂量学已经取得了显着进展,并且能够通过计算人体头部数字表示中的感应电场(已知激活大脑神经元的主要物理因子)来进行TMS评估。在这篇综述中,TMS剂量学研究进行了总结,阐明了解剖和人体生物物理参数和计算方法的重要性。这篇评论表明,有一个高度的共识的重要性,一个详细的皮质折叠表示和周围的脑脊液的准确建模。最近的研究还使得能够基于患者/受试者的磁共振成像来预测个体优化的刺激,并且试图通过结合神经建模来理解TMS在细胞水平上的时间效应。这些努力,再加上快速部署个性化TMS计算,将允许采用TMS剂量测定作为临床程序的标准程序。
2020-06-29 physics.bio-ph q-bio.NC
Transcranial low-level laser stimulation in near infrared-II region for brain safety and protection
该研究通过13项多维度定量实验验证特定参数下近红外二区经颅光生物调节的安全性与神经保护作用,发现其可降低神经元特异性烯醇化酶水平,无脑结构功能异常及认知损害,为脑部防护提供了新的非侵入性方案潜力。
2024-07-13 q-bio.NC
Evaluation of algorithms for correction of transcranial magnetic stimulation induced artifacts in electroencephalograms
经颅磁刺激结合脑电图(TMS-EEG)被广泛用于研究大脑区域的反应性和连通性,用于临床或研究目的。TMS装置的电磁脉冲在施用的瞬间产生大振幅的伪影,其持续时间长达数十毫秒,与大脑活动重叠。已经开发了用于TMS伪影校正的方法,以去除伪影并恢复大脑皮层对磁刺激的潜在的即时反应。在这项研究中,三个这样的算法进行评估。由于掩蔽的大脑活动没有基础事实,因此使用从EEG大脑活动上的孤立TMS伪影的叠加形成的导频数据来评估算法的性能。不同的情况下的TMS-EEG实验被认为是评价:TMS在静息状态下,TMS诱导癫痫样放电和TMS癫痫样放电期间管理。我们表明,建议的间隙填充方法是能够重现定性特征,并在许多情况下非常类似于隐藏的EEG信号。最后,讨论了TMS校正算法和导频数据法的不足。
2018-10-25 q-bio.NC q-bio.QM
Transcranial magnetic stimulation of visual-motion area V5/MT modulates sensory thalamus responses during visual speech recognition
Dresden University of Technology(德累斯顿工业大学);Basque Center on Cognition, Brain and Language(巴斯克认知、大脑与语言中心);Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences(马克斯·普朗克人类认知与脑科学研究所);Ikerbasque, Basque Foundation for Science(伊卡巴斯科,巴斯克科学基金会);Universitat Internacional de Catalunya, Faculty of Medicine and Health Sciences(加泰罗尼亚国际大学,医学与健康科学学院)
该研究发现对视觉运动区V5/MT施加抑制性TMS会减弱视觉言语识别中LGN的反应调节及V5/MT与LGN的功能连接,证实皮层-丘脑反馈是视觉加工的重要机制。
2026-08-20 q-bio.NC
SlicerTMS: Real-Time Visualization of Transcranial Magnetic Stimulation for Mental Health Treatment
本研究提出整合深度学习的SlicerTMS实时可视化系统,0.2秒即可预测电场分布,通过三项研究验证其临床可用性与计算效率,可辅助优化经颅磁刺激的心理健康治疗规划,且已开源。
2024-03-13 cs.GR cs.HC eess.IV
Contrast detection is enhanced by deterministic, high-frequency transcranial alternating current stimulation with triangle and sine waveform
本研究提出确定性高频周期信号可产生类共振效应,通过实验证实80Hz三角波/正弦波tACS可降低视觉对比度检测阈值,效果与tRNS相当,拓展了经颅电刺激的共振机制认知。
2023-09-28 eess.SP q-bio.NC
Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS) for patients with Post-Stroke Anomia: Preliminary Data on Picture Naming Performance
Aristotle University of Thessaloniki(萨洛尼卡亚里士多德大学);University of Ioannina(约阿尼纳大学);EuroMov Digital Health in Motion, University Montpellier, IMT Mines Ales(欧洲运动数字健康研究所,蒙彼利埃大学,阿尔勒国立高等矿业学院);Corstim, EuroMov Digital Health in Motion, Montpellier(Corstim,欧洲运动数字健康研究所,蒙彼利埃);University of Peloponnese(伯罗奔尼撒大学)
本研究评估了tACS对中风后命名障碍患者的效果,通过图片命名任务和单案例实验设计,发现tACS能显著提高患者准确性和速度,且效果在三个月后仍保持稳定。
2026-03-20 eess.SP q-bio.NC
Optically-generated focused ultrasound for noninvasive brain stimulation with ultrahigh precision
高精度神经调制是破译神经回路和治疗神经系统疾病的有力工具。目前的非侵入性神经调节方法在毫米级提供有限的精度。在这里,我们报告光学产生的聚焦超声(OFUS)的非侵入性脑刺激与高精度。OFUS是由一种柔软的光声垫(SOAP)产生的,这种光声垫是通过将蜡烛烟灰纳米颗粒嵌入弯曲的聚二甲基硅氧烷膜中制成的。SOAP在15 MHz下产生经颅超声聚焦,其横向分辨率为83 μ m,比传统的经颅聚焦超声(tFUS)小两个数量级。在这里,我们显示了有效的OFUS神经刺激在体外与一个单一的超声周期。我们证明了亚毫米经颅刺激小鼠运动皮层在体内。0.6 mJ/cm^2的声能(比tFUS小4个数量级)足以成功进行OFUS神经刺激。OFUS通过非侵入性地提供高精度聚焦,为神经科学研究和疾病治疗提供了新的能力。
2022-11-03 q-bio.NC
Predicting Long-Term ADAS-Cog Change From Early Response After Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation in Alzheimer Disease
University of Manitoba(曼尼托巴大学)
本研究基于112名阿尔茨海默病患者的rTMS试验数据,发现早期ADAS-Cog总分反应比领域特异性反应更能预测长期认知变化,岭回归模型MAE为3.067,可作为早期反应更新工具。
2026-10-08 q-bio.NC stat.AP
Deep Learning Classification of EEG Responses to Multi-Dimensional Transcranial Electrical Stimulation
Imperial College London(伦敦帝国学院);King's College London(伦敦国王学院);UK Dementia Research Institute(英国痴呆症研究所)
本研究利用深度学习对EEG信号进行分类,通过多维经颅电刺激评估意识状态,实现了92%的分类准确率,超越人类水平。
2025-12-23 cs.AI q-bio.NC
Optical coherence tomography imaging of evoked neural activity in sciatic nerve of rat
重要性:使用光学相干断层扫描(OCT)对有髓鞘组织中的神经活动进行成像为外周和中枢神经系统中的功能成像创造了新的可能性。目的:研究离体大鼠坐骨神经诱发神经活动后OCT图像的变化。方法:用扫描源偏振敏感OCT系统对大鼠周围神经进行M扫描,同时用神经袖带进行神经电记录。在总共10名受试者中:3名无刺激(对照),3名有爪刺激,4名有神经刺激。计算每名受试者和溶液中镜子和微球的参考样品的OCT信号强度、相位延迟、相位和频谱的变化。结果如下:在3个爪刺激和2个神经刺激受试者中观察到的强度变化以及在2个爪刺激受试者中观察到的频谱振幅变化高于参考噪声水平,并且在时间上与神经活动期间离子电流引起的渗透性肿胀一致。结论:由渗透性肿胀产生的光散射变化,以前在鱿鱼和螃蟹神经中被描述,也被认为发生在有髓纤维中,其程度可以使用OCT检测到
2021-01-08 q-bio.NC
Discrimination Among Multiple Cutaneous and Proprioceptive Hand Percepts Evoked by Nerve Stimulation with Utah Slanted Electrode Arrays in Human Amputees
目的:本文的目的是证明恢复的手的感觉与不同的位置,质量和强度,在人类截肢者的残余传入纤维的微电极刺激诱发的功能辨别。研究方法:我们将犹他州倾斜电极阵列(USEA)植入三名经桡截肢者的正中和尺骨残臂神经中,并通过不同的电极和不同的频率提供刺激,以在缺失的手上产生不同的位置,质量和强度的感觉。进行了盲辨试验,以确定受试者在这些恢复的感觉中的辨别能力。结果如下:在盲法试验中,受试者在不同皮肤和本体感受位置、质量和强度的恢复感觉知觉之间进行辨别,包括在多达10种不同位置-强度组合之间进行辨别(15/30成功,p < 0.0005)。通过电极选择,神经内刺激部位的变化能够区分多达5个位置和质量(35/35成功,p < 0.0001)。刺激频率的变化使得能够区分相同位置处的4种不同强度(13/20成功,p < 0.005)。一名受试者区分了两个不同USEA电极的同时、交替和隔离刺激,这可能是多传感器闭环假体使用期间所需的(20/25成功,p < 0.001)。结论:USEA刺激能够编码具有不同位置、质量和强度的多种功能可辨别的感觉。重要性:这些感知提供了可能丰富的感官反馈源,其可以在多传感器闭环假体使用期间增强性能和实施例。
2020-03-07 cs.RO q-bio.NC
tACS Facilitates Flickering Driving by Boosting Steady-State Visual Evoked Potentials
经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation,tACS)在近十年前问世以来,受到越来越多的关注。tACS在调节大脑状态中是一个活跃研究领域,并已被证明在各种神经心理学和临床领域有效。在视觉领域中,许多努力致力于脑节律和节律刺激,即,tACS。然而,很少有人知道的节奏刺激和视觉刺激之间的相互作用。在这里,我们使用稳态视觉诱发电位(SSVEP),诱导闪烁驱动作为一种广泛使用的技术,频率标记,调查的后效tACS在健康人受试者。在20分钟10 Hz tACS给药前后记录了7块64通道脑电图,同时受试者执行了几个SSVEP任务。我们通过比较和验证真实tACS和假tACS中块之间和块内的时间、空间、时空和信噪比(SNR)模式来表征tACS后效的生理特性。我们的结果显示,tACS提高10-Hz SSVEP显着。此外,SSVEP的后效随着时间的推移而减轻,并持续了5分钟。我们的研究结果表明,通过外部节律刺激促进闪烁驱动的可行性,并打开了一个新的可能性,通过非侵入性经颅脑刺激改变大脑状态的方向。
2020-03-29 q-bio.NC
Stimulus-Evoked Network Dynamics in Human Cortical Organoids: From a Graph-Computational Framework to Repeated-Stimulation Depression
Faculty of Engineering, University of Southern Denmark(南丹麦大学工程学院);Faculty of Science, University of Southern Denmark(南丹麦大学理学院)
本研究开发图计算框架分析人类皮质类器官刺激诱发的网络动力学,发现重复刺激可抑制并空间收缩诱发反应,且该效应可与发育成熟区分开。
2026-07-31 cs.AI q-bio.NC
Brain Modeling for Control: A Review
神经刺激技术最近引起了神经科学和控制社区的兴趣,因为它们被证明具有治疗帕金森病和抑郁症等疾病的潜力。所提供的刺激可以是不同类型的,例如电的和光遗传学的,并且通常被施加到大脑的特定区域,以便将局部和/或全局动态驱动到期望的活动状态(不活动状态)。然而,仍然缺乏对神经刺激功效的基本理论理解。从控制理论的角度来看,重要的是要了解每种刺激方式如何与复杂的大脑网络相互作用,以评估系统的可控性,并开发神经生理学相关的计算模型,可用于设计的刺激配置文件在一个闭环的方式。在本文中,我们回顾了(i)脑深部电刺激,(ii)经颅磁刺激,(iii)直流电刺激,(iv)经颅电刺激和(v)光遗传学作为研究和临床环境中最流行的五种神经刺激技术的计算建模研究。对于每种技术,我们将回顾的研究分为(a)理论驱动的生物物理模型,捕获刺激源和神经元组织之间相互作用的低水平物理,(b)数据驱动的刺激-响应模型,其捕获刺激对各种感兴趣的生物标志物的端到端效应,以及驱动的动力系统模型,从神经数据中提取大脑对神经刺激反应的精确动力学。虽然我们的重点是特别是在后一类,由于其更大的效用在控制设计,我们审查的基础和背景下,动力系统模型已经和将要开发的前两类的关键工作。
2022-10-28 cs.SY eess.SY q-bio.NC
Hierarchical Bayesian estimation of motor-evoked potential recruitment curves yields accurate and robust estimates
针对现有运动诱发电位募集曲线参数估计需大样本的问题,提出带整流逻辑函数的分层贝叶斯框架,在小样本下精度更优,还提供了Python开源库hbMEP。
2024-07-11 q-bio.NC q-bio.QM stat.AP
The role of physiological complexity changes in resting-state EEG in clinical effectiveness of rTMS and tDCS in treatments of resistant depression
目前关于无创性电磁刺激治疗抑郁症(MDD)的可能机制的文献并不丰富。尽管在临床实践中的应用进行了广泛的研究,但确切的效果尚不清楚。我们正在比较我们以前的结果,重复经颅磁刺激(rTMS)和经颅直流电刺激(tDCS)引起的复杂性变化,这是已知的调节神经动力学。此外,我们正在审查与抑郁症相关的复杂性变化的不同生物标志物,以及它们如何随着刺激而变化。TDCS是低强度TES,已知具有极性特异性效应(神经调节效应),并且rTMS通过法拉第定律在组织中诱导电场。电磁刺激的两种非线性模态都可能影响大脑中生理复杂性的水平。我们还比较了脑电图(EEG)和心电图(ECG)的复杂性变化,作为未来治疗结果的潜在预测因素。
2019-03-25 q-bio.NC
Transcranial Focused Ultrasound for Identifying the Neural Substrate of Conscious Perception
本文提出使用经颅聚焦超声(tFUS)技术,以毫米级分辨率安全无创地刺激人类大脑皮层及深层结构,为探索意识知觉的神经基础提供实验路线图。
2025-07-11 q-bio.NC
Ultrasonic Brain Computer Interfaces for Enhancing Human-Machine Cognition
Center for Neuroengineering and Brain Computer Interfaces and Department of Biomedical Engineering, University of Alabama at Birmingham(阿拉巴马大学伯明翰分校神经工程与脑机接口中心及生物医学工程系);Heersink UAB School of Medicine(希尔斯克UAB医学院)
本文探讨了超声波在下一代超声脑计算机接口中的应用,通过闭环系统和实时反馈优化认知功能,推动双向神经接口的发展。
2026-04-01 q-bio.NC
Effects of a mixed reality headset on the delay of visually evoked potentials
本研究通过记录受试者在Varjo-XR3混合现实头戴设备下的视觉诱发电位,发现MR刺激会引入约4毫秒的N2-VEP处理延迟并降低VEP振幅,揭示了虚拟飞行训练中视觉认知延迟的神经机制。
2023-12-04 q-bio.NC
Analyzing the Brain's Dynamic Response to Targeted Stimulation using Generative Modeling
本文探讨了利用生成模型分析大脑对靶向刺激的动态响应,论证了刺激诱发动力学的新型机制,并回顾了跨尺度靶向实验技术与多种建模方法,指出两者结合有助于揭示自发环境下难以检测的大脑动力学新机制。
2024-11-15 physics.bio-ph q-bio.NC
Frequency Superposition -- A Multi-Frequency Stimulation Method in SSVEP-based BCIs
稳态视觉诱发电位(SSVEP)具有许多优点,是脑-机接口(BCI)中应用最广泛的模式之一。然而,SSVEP中谐波的存在和响应频率的有限范围使得在不牺牲接口的其他方面或对系统施加额外约束的情况下进一步扩展目标的数量具有挑战性。本文介绍了一种新的多频刺激方法的SSVEP,并探讨其潜力,有效地和有效地增加目标的数量。通过叠加不同频率的刺激信号获得的所提出的刺激方法是尺寸有效的,允许单步目标识别,对可用频率范围没有严格限制,可以适合于自定步BCI,并且不需要特定光源。除了刺激频率及其谐波之外,诱发的SSVEP波形包括作为刺激频率的整数线性组合的频率。使用典型相关分析(CCA)仅以频率和谐波作为参考对从9名受试者收集的SSVEP进行解码的结果也表明了在基于SSVEP的BCI中使用这种刺激范例的潜力。
2021-08-11 cs.HC eess.SP q-bio.NC
Beyond Flickering: Introducing Code-Modulated Motion Visual Evoked Potentials for Brain-Computer Interfacing
本文提出了一种基于运动刺激的代码调制运动视觉诱发电位(c-MVEP)用于脑机接口,通过对比不同刺激方式的性能,展示了其在信号质量和应用潜力上的优势。
2026-08-24 q-bio.NC
Desynchronizing effect of high-frequency stimulation in a generic cortical network model
经颅电刺激(TCES)和脑深部电刺激(DBS)是两种不同的电流应用于不同的医学领域。两者都具有类似的效率频率依赖性,在100 Hz左右效果最明显。我们应用超阈值电刺激,特别是去极化直流电流,在不同的频率中断,一个简单的模型的人口皮质神经元,使用现象学的描述神经元的Izhikevich和突触连接在一个类似的复杂程度。利用该模型,我们能够再现100Hz附近的最佳去离子效果,并预测去离子效率的全频率依赖性,从而对TCES的作用机理给出可能的解释。
2012-03-21 cond-mat.dis-nn nlin.CD physics.bio-ph
Dynamic and integrated mechanical movements of a rat brain associated with evoked potentials
通过使用压电传感器,它被证明,视觉诱发电位的大鼠大脑是伴随着机械运动的大脑时,它是兴奋的。一个阶段的向上运动被发现是由一个阶段的向下运动。最大的向上运动是100微克量级的膨胀压力的上升,这比牛蛙交感神经节的膨胀压力大大约40倍。机械运动的波形比诱发电位的波形复杂。这些发现被认为是由于诱发电位是从传感器的周围环境传播的,而机械信号是从压电传感器下方的任何地方产生的。讨论了电刺激在大脑中传播机械运动的机制。
2014-04-28 q-bio.NC
Analysis of Transcranial Focused Ultrasound Beam Profile Sensitivity for Neuromodulation of the Human Brain
Objective.虽然超声波主要用于诊断成像和加热治疗,但其在神经调节方面的应用相对较新,尚未得到很好的理解。本研究的目的是调查与聚焦声束和脑组织之间的相互作用相关的问题,以更好地了解经颅超声用于神经调节的可能局限性。Approach.建立了经颅聚焦超声的计算模型,并对实验数据进行了验证。然后逐步扩展模型,以解决和研究与使用超声进行神经调节相关的许多问题。这些包括颅骨几何形状和脑回解剖结构变化的影响,以及跨多个组织和介质层(如头皮、颅骨、CSF和灰质/白质)的传输对超声插入行为的影响。此外,还进行了敏感性分析,以表征颅内组织声学特性的影响。最后,对与设计用于神经调节的超声刺激波形相关的加热进行建模。主要结果。取决于诸如声频的因素,经颅聚焦超声波束的插入行为仅微妙地受下层组织的几何形状和声学特性的影响。意义这些问题对于器械设计的改进和无创神经调节超声方法的整体进步至关重要。
2015-03-06 q-bio.NC q-bio.TO
About the Neuronal Mechanism of Lateral Hypothalamic Self-Stimulation Response
本研究的实验部分已经表明,饥饿动机可以通过以133.6{ \pm }8.1 mkA的电流对“饥饿中心”进行长期(10=180 s)连续电刺激来诱发。积极情绪是由相同电流强度但持续时间较短(0.3-0.5秒)的电刺激引起的。动机中心的电刺激引起的积极感觉可以用动机和情绪的适应(极化)理论来解释(Murik,2001,2005)。
2011-10-18 q-bio.CB q-bio.NC
Analysis of evoked EMG using wavelet transformation
通过正中神经的电刺激从手掌中的鱼际肌获得的诱发EMG M-反应证明了正常健康受试者的良好建立的平滑双极形状,而在某些神经系统疾病中观察到扭结,特别是在颈椎病神经病变中。第一次分化未能识别这些扭结,因为获得的平滑区域的正常上升和下降段的可比值,并由于噪音。在这项研究中,有用的小波变换(WT),提供本地化措施的非平稳信号进行了研究。Haar WT用于分析从6名正常受试者(具有光滑形状)和12名假定神经系统疾病受试者(具有扭结)的正中神经记录的总共36个M-响应,用于同一神经上的两个刺激点。利用小波变换研究了M-响应的时间尺度表示特征,以区分光滑的M-响应和具有扭结的M-响应。还研究了WT的系数线的变化,以允许在不同尺度(频率的倒数)下可视化WT。WT中的高频和低频区域明显地出现,这有助于识别M-反应中的扭结,甚至是非常细微的扭结,这是使用分化信号难以获得的。总之,小波分析可能是一种技术的选择,在识别扭结的M-响应与时间的关系,从而提高神经诊断的准确性。
2019-05-29 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.NC
Update on the multimodal pathophysiological dataset of gradual cerebral ischemia in a cohort of juvenile pigs: auditory, sensory and high-frequency sensory evoked potentials
我们将幼年猪在不同的镇静、缺血和恢复状态下的脑电活动的自发电位(EP)数据集扩展为皮层电图(ECoG)和丘脑电图(EThG)。该EP数据集包括三种刺激范式:听觉(AEP,40和2000 Hz),感觉(SEP,左和右上颌神经)和高频振荡(HFO)SEP。这允许在这些条件下推导出皮质丘脑通信的脑电图(EEG)生物标志物。数据集以2000 Hz的全频带采样形式呈现。我们为镇静、缺血和恢复状态的诱发反应提供了技术验证。这个扩展的数据集现在允许在记录的模态中自发和诱发活动之间的相互推断。未来对该数据集的研究可能有助于开发新的大脑监测技术,这将有助于预防神经损伤。
2021-02-28 q-bio.NC q-bio.QM
Non-genetic acoustic stimulation of single neurons by a tapered fiber optoacoustic emitter
作为一种新兴的技术,经颅聚焦超声已被证明可以成功地诱发小鼠、兔的运动反应和人类的感觉/运动反应。然而,超声的空间分辨率不允许高精度刺激。在这里,我们开发了一种锥形光纤光声发射器(TFOE),用于神经元的光声刺激,具有前所未有的20微米的空间分辨率,能够选择性激活单个神经元或亚细胞结构,如轴突和树突。由TFOE从3纳秒的单个激光脉冲转换的1微秒的单个声脉冲被示出为迄今为止成功激活神经元的最短声刺激。由TFOE产生的高度局部化的超声使得在单个神经元上集成光声刺激和高度稳定的膜片钳记录成为可能。直接测量单个神经元对声刺激的电响应,这是传统的超声刺激难以实现的,已经首次得到证实。通过将TFOE与离体脑片电生理学耦合,我们揭示了兴奋性和抑制性神经元对声刺激的细胞类型特异性反应。这些结果表明,TFOE是一种非遗传的单细胞和亚细胞调制技术,这可能会为神经刺激机制提供新的见解。
2020-12-17 q-bio.NC
Towards tailoring non-invasive brain stimulation using real-time fMRI and Bayesian optimization
非侵入性脑刺激,如经颅交流电刺激(tACS),提供了一个强大的工具,直接调制脑振荡,介导复杂的认知过程。虽然关于tACS对行为和认知表现的影响的证据体不断增长,但这些研究未能解决受试者特异性刺激方案的重要性。通过这项研究,我们为将tACS与最近提出的框架相结合奠定了基础,该框架利用实时fRMI和贝叶斯优化,以便为给定的个体确定最佳的tACS协议。虽然贝叶斯优化与这种情况特别相关,但它的成功取决于两个基本选择:高斯过程先验的协方差核的选择以及指导搜索的采集函数的选择。使用经验(功能性神经成像)以及模拟数据,我们确定了平方指数核和置信上限采集函数最适合我们的问题。这些结果将用于通知我们即将进行的实时实验。
2016-05-04 q-bio.NC
Predicting brain evoked response to external stimuli from temporal correlations of spontaneous activity
自发性和受激性脑活动之间的关系是理解脑功能的一个基本问题。在非平衡涨落耗散关系的背景下,从理论和实验两方面研究了这个问题。我们考虑随机粗粒度的Wilson-Cowan模型的线性噪声近似和比较分析结果的实验数据从脑磁图(MEG)的人脑。自发活动的自相关函数的短时间行为的特征在于双指数衰减,具有两个特征时间,相差两个数量级。相反,响应函数表现出一个单一的指数衰减与视觉刺激下的诱发活动的实验数据。结果表明,大脑对弱的外部刺激的反应,可以预测从自发活动的观察,并铺平了道路,在不同的外部扰动下的大脑反应的对照实验。
2020-09-04 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.NC
Assessment of corticospinal tract dysfunction and disease severity in amyotrophic lateral sclerosis
肌萎缩侧索硬化症的上运动神经元功能障碍,量化使用三重刺激和更集中的经颅磁刺激技术,开发,以减少记录的变化。将这些测量结果与临床和神经生理学数据相结合,以开发一种新的基于随机森林的监督机器学习预测模型。该模型能够预测横截面ALS疾病的严重程度所测量的ALSFRSr规模与97%的总体准确度和99%的精度。本研究开发的机器学习模型为量化ALS疾病严重程度和识别疾病进展的细微变化提供了一种新的、独特的、客观的诊断方法。
2016-09-28 q-bio.NC q-bio.TO
Personalized rTMS for Depression: A Review
个性化治疗在所有医学领域都获得了发展势头。精准医学可以应用于神经调节技术,其中集中的脑刺激治疗,如重复经颅磁刺激(rTMS),用于调节大脑回路和缓解临床症状。rTMS耐受性良好,对难治性抑郁症(TRD)和其他神经精神疾病临床有效。然而,尽管其刺激参数空间很宽(位置、角度、模式、频率和强度可以调整),但rTMS目前以一种一刀切的方式应用,可能导致其临床反应不佳(约50%)。在这篇综述中,我们研究了rTMS的组成部分,可以优化,以解释神经功能和解剖结构的个体间变异。我们讨论了TRD的当前治疗方案,认为是治疗基础的神经机制,FDA批准的器械的差异,靶向策略,刺激参数选择和自适应闭环rTMS,以改善治疗结果。我们认为,更好地了解广泛的和可修改的参数空间的rTMS将大大提高临床结果。
2022-06-27 q-bio.NC
Inferring brain plasticity rule under long-term stimulation with structured recurrent dynamics
Southern University of Science and Technology(南方科技大学);Center for Neurocognition and Social Behavior, Institute of Artificial Intelligence, SUAT(深圳大学人工智能学院神经认知与社会行为中心);Shenzhen Loop Area Institute(深圳河套学院)
STEER框架通过双时间尺度模型揭示长期刺激下脑回路重组的动态规律,提供可解释的可塑性规则推断方法。
2026-02-27 q-bio.NC
Paired associative stimulation demonstrates alterations in motor cortical synaptic plasticity in patients with hepatic encephalopathy
目的:肝性脑病(Hepatic encephalopathy,HE)是一种由肝功能衰竭引起的可逆性脑功能障碍.改变的突触可塑性被认为在HE的病理生理学中起主要作用。在这里,我们使用成对的联想刺激,刺激间隔为25 ms(PAS 25),经颅磁刺激(TMS)协议,以测试突触可塑性的运动皮层的患者明显HE。方法:23例HE患者和23例健康对照者入组研究。运动诱发电位(MEP)振幅作为皮质兴奋性的指标进行评估。比较PAS25干预后两组MEP振幅变化的时间进程。结果:对照组中PAS 25后MEP振幅增加,表明健康对照组中PAS 25诱导的突触可塑性,正如预期的那样。相比之下,MEP振幅在HE组没有变化,低于对照组,表明没有诱导可塑性。结论:HE大鼠初级运动皮层突触可塑性降低。重要性:HE中突触可塑性的降低提供了分子水平上的病理变化与疾病的早期临床症状之间的联系。这种降低可能是由于HE患者中已知的高氨血症引起的多巴胺能神经传递障碍所致。
2022-05-06 q-bio.NC
Deep Learning Architectures for Code-Modulated Visual Evoked Potentials Detection
Department of Computer Science, College of Science and Mathematics, California State University, Fresno, CA, USA(计算机科学系,科学与数学学院,加州州立大学,弗雷斯诺分校)
本文提出基于深度学习的C-VEPs检测架构,通过多类孪生网络实现高准确率的单次试验解码,展示了数据驱动方法在非侵入式BCI中的应用潜力。
2025-11-26 cs.LG eess.SP q-bio.NC
The Shift in brain-state induced by tDCS: an EEG study
已知经颅直流电刺激(tDCS)对神经组织具有调节作用,并且具有极性特异性。还表明,tDCS在治疗应用中表现出持久的效果。该研究的主要目的是通过分析EEG记录来检查tDCS对皮层动力学的影响。我们在这里应用的措施,从复发量化分析,平均状态转移(MSS)和状态方差(SV),这是以前用来检测TMS后的脑状态动态变化。研究队列由16例健康受试者组成;所有受试者均接受阳极和阴极tDCS,在同一天分两次单独给药。EEG由10个电极记录,定位在左侧运动皮层上并镜像对应于10/20标准的右侧皮层。从三个记录轨迹(前、后1和后2/刺激前、tDCS后立即和30分钟)中,我们提取了包括500个样本的五个不同间隔(T1-T5)。在计算这些时期的MSS和SV并对显著差异进行统计学检验后,我们对同一时间序列应用主成分分析(PCA)来检查数据是否可分离。结果表明,tDCS对MSS产生极性特异性效应,如阴极刺激后MSS值显著低于阳极刺激后MSS值所示。与阳极刺激相比,阴极刺激影响SV,阳极刺激未导致可检测的变化。我们在这里首次提供了一个信息丰富的PCA可视化的时间效应的tDCS刺激对大脑状态的转变。需要进一步的研究来阐明这种变化可以被检测到多长时间,以及这种现象引起了什么样的神经生物学变化。
2018-12-04 q-bio.NC
End-to-end semantic segmentation of personalized deep brain structures for non-invasive brain stimulation
Nagoya Institute of Technology(名古屋工业大学);Suez Canal University(苏伊士运河大学)
脑深部区域的电刺激或调制通常用于治疗几种神经系统疾病的临床程序中。特别地,经颅直流电刺激(tDCS)被广泛用作通过附接到头皮的电极施加的负担得起的临床应用。然而,由于解剖结构的复杂性和受试者间的高度变异性,很难确定不同脑区域中电场(EF)的量和分布。个性化tDCS是一种新兴的临床手术,用于耐受电极导联以实现准确定位。该过程由从诸如MRI的解剖图像生成的计算头部模型引导。通过仿真研究,可以计算分割头部模型中的EF分布。因此,快速,准确,可行的分割不同的大脑结构将导致更好地调整定制的tDCS研究。在这项研究中,提出了一种单编码器多解码器卷积神经网络用于深层脑分割。所提出的架构被训练为使用T1加权MRI分割七个深部脑结构。将网络生成的模型与使用半自动方法构建的参考模型进行比较,并且网络生成的模型呈现出高匹配,特别是在丘脑(Dice系数(DC)= 94.70%)、尾状核(DC = 91.98%)和壳核(DC = 90.31%)结构中。生成模型和参考模型中tDCS期间的电场分布彼此匹配良好,表明其在临床实践中的潜在有用性。
2020-02-13 cs.LG eess.IV q-bio.NC
The explanatory power of activity flow models of brain function
本文综述了活动流模型,它结合连接组与任务诱发活动,模拟激活生成,提供神经认知功能的机械性解释,优于纯预测模型,并展望其在脑疾病治疗中的应用。
2024-02-03 q-bio.NC
Closed-loop targeted optogenetic stimulation of C. elegans populations
我们提出了一种高通量光遗传学照明系统,能够同时闭环光传递到移动的秀丽隐杆线虫种群中的指定目标。该仪器解决了三个技术挑战:它提供有针对性的照明到动物的身体的指定区域,如它的头部或尾部;它自动提供刺激触发动物的行为;它实现了高吞吐量通过同时瞄准许多动物。该仪器用于光遗传学探测动物对前部和后部软触觉受体神经元中的竞争性机械感觉刺激的行为反应。测量了对来自一系列前后强度组合的超过$10^4$刺激事件的反应。该动物的概率向前冲刺,以响应机械感觉刺激取决于前和后的刺激强度,而逆转的概率主要取决于后的刺激强度。我们还探讨了动物的反应,机械感官刺激的开始转向,一个相对罕见的行为事件,自动提供刺激时,动物开始转向。使用这种闭环方法,超过$10^3$刺激事件在转弯开始期间以每蠕虫小时9.2个事件的速率递送,与先前的调查相比,吞吐量增加了25倍以上。这些测量验证了更大的统计功率以前的研究结果,转向行为门机械感应诱发逆转。与以前的方法相比,目前的系统为特定的身体区域或行为提供了靶向的光遗传学刺激,其吞吐量增加了许多倍,以更好地约束感觉运动处理的定量模型。
2021-09-11 physics.bio-ph q-bio.NC
Beta Power May Mediate the Effect of Gamma-TACS on Motor Performance
经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation,tACS)是运动康复领域的一种重要方法,因为它能够无创地影响任意频率的脑振荡。然而,据报道,tACS在个体之间的效果存在很大差异,这使得tACS成为目前不可靠的治疗工具。这种变化的一个原因是缺乏关于tACS与正在进行的脑振荡的确切方式的知识。本交叉刺激研究对20名健康受试者的γ(70 Hz)tACS对侧运动皮层的交叉频率效应的理解提供了经验证据,这与低(12~-20 Hz)和高(20-~30 Hz)β功率作为γ-tACS对运动性能的介导剂的作用是一致的。
2019-05-01 q-bio.NC
Time-frequency analysis of event-related brain recordings: Connecting power of evoked potential and inter-trial coherence
本文通过理论推导、仿真和实验数据,揭示了事件相关脑记录时频分析中 POWavg、ITC 与 avgAMP 之间的近似关系 POWavg ≈ avgAMP² × ITC²,为研究诱发脑节律提供了新的分析工具。
2022-11-16 q-bio.NC q-bio.QM
Three mechanistically different variability and noise sources in the trial-to-trial fluctuations of responses to brain stimulation
针对脑刺激响应中生理变异性与背景噪声难以分离的问题,提出一种无下侧平台期的三变异性源对数逻辑斯谛模型,通过独立提取隐藏变异性信息并隔离背景噪声,实现了对输入-输出曲线参数的准确估计,为临床和实验神经科学提供了更稳健的分析工具。
2024-12-22 eess.SP q-bio.NC q-bio.QM
Computational paradigm for dynamic logic-gates in neuronal activity
1943年,McCulloch和Pitts提出,大脑是由可靠的逻辑门组成的,类似于今天计算机的核心逻辑。这个框架对神经科学的影响有限,因为神经元表现出更丰富的动力学。在这里,我们提出了一个新的实验证实的范式,其中大脑的逻辑门的真值表是时间依赖的,即动态逻辑门(DLG)。DLG的真值表取决于它们的活动历史和它们的输入神经元的刺激频率。我们的实验结果是基于一个程序,其中条件刺激被强制嵌入在一个大规模的网络皮层细胞在体外的神经元电路。我们证明,潜在的生物学机制是不可避免的增加神经元响应延迟到正在进行的刺激,这对网络延迟施加了不均匀的逐步拉伸。有限的实验结果证实和扩展的模拟和理论论据的基础上相同的神经元与固定增加的神经元响应潜伏期每诱发尖峰。我们预计我们的研究结果将导致更好地理解这种计算范式的适用性,以考虑大脑的功能,并将需要开发新的系统的数学方法,超越传统的布尔代数开发的方法。
2014-04-15 q-bio.NC q-bio.QM
Mapping effective connectivity by virtually perturbing a surrogate brain
提出NPI框架,通过虚拟扰动替代大脑模型映射全脑有效连接,克服传统方法局限,验证显示其优于现有方法且与真实刺激传导显著相关,推动脑功能因果理解。
2024-09-27 q-bio.NC
Modulating task outcome value to mitigate real-world procrastination via noninvasive brain stimulation
Faculty of Psychology, Southwest University(西南大学心理学部);Key Laboratory of Cognition and Personality, Ministry of Education, China(教育部认知与人格重点实验室);Experimental Research Center for Medical and Psychological Sciences, School of Psychology, Third Military Medical University(第三军医大学心理学院医学心理科学实验研究中心);The Clinical Hospital of the Chengdu Brain Science Institute, China(成都脑科学研究所临床医院);Key Laboratory for Neuroinformation, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, Sichuan, China(电子科技大学神经信息重点实验室);School of Psychology, Clark University, Massachusetts, USA(克拉克大学心理学院);Institute for Psychological Research, Leiden University, Leiden, Netherlands(莱顿大学心理研究所)
本研究通过高频定向经颅直流电刺激(HD-tDCS)调节左背外侧前额叶皮层(DLPFC)功能,发现其能有效降低现实世界中的拖延行为,主要通过增强未来奖励的价值评估来实现,而非单纯减少任务负面感受。
2026-07-28 q-bio.NC
Characterizing TMS-EEG perturbation indexes using signal energy: initial study on Alzheimer's Disease classification
Massachusetts General Hospital(麻省总医院);Harvard Medical School(哈佛医学院);University of Ferrara(费拉拉大学)
经颅磁刺激(TMS)结合脑电记录(TMS-EEG)在脑研究,特别是阿尔茨海默病(AD)的研究中显示出巨大的潜力。在这项研究中,我们提出了一个自动的方法来确定的持续时间TMS引起的扰动的EEG信号作为一个潜在的度量反映大脑的功能改变。在阿尔茨海默病(AD)患者中进行了初步研究。提出了表征TMS诱发的脑电(TEP)活动强度和持续时间的三个指标,并研究了它们在识别AD患者和健康对照中的潜力。在我们的分析中使用了17个AD和17个健康对照(HC)的TMS-EEG记录的数据集。随机森林分类算法的训练提取的TEP指标,其性能进行评估,留一个主题的交叉验证。建立的模型在从HC中识别AD患者方面显示了良好的结果,其准确性、敏感性和特异性分别为69.32%、72.23%和66.41%。
2022-04-29 cs.LG eess.SP q-bio.NC