大腦網絡系統(tǒng)

大家好，我是陳銳。

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提筆寫文真是一件費腦子的事情，相信最近正在趕畢業(yè)論文的你們深有體會。我倒不是寫文的困難者，只是每天得記錄和整理一些文章，需要動筆。不過在今年我更多的是通過我的視頻號在更新了一些教程視頻，算是承諾年初的flag。同時今年真是一個非常“難過”的一年，足不出戶真是憋的很。不能到各位的學校中逛逛真是心塞的很。

好了，廢話不說了。今天給大家更新一下，最近看到的一些新知識點—腦網絡。

以下內容是網址https://human-memory.net/brain-network-system/的部分整理，翻譯可能有誤，請擔待些，更建議看原文。

大腦是一個很復雜的器官，它執(zhí)行著多種功能。為了使大腦能夠發(fā)揮最佳功能，它需要通過神經傳導將指令分發(fā)下去，其特點是支持認知和各種行為的結構連接的異構模式。

大腦是由相互連接的細胞組成的復雜系統(tǒng)。Johnson 和 Wu 對人類大腦進行了粗略估計—10^12個神經元和 10^15 個突觸。說明神經細胞真的是非常多啊，這一部分內容可以去B站學習或者維基百科上搜索會了解的更多

大腦網絡系統(tǒng)由神經元或神經細胞組成，它們的主要目的是進行傳輸和處理從我們的感官接收到的信息。神經細胞在大腦中排列在一起，形成神經網絡。它們通過以下方式傳遞電脈沖：

?樹突——它們從相鄰神經元的突觸（終端按鈕）接收脈沖。將沖動傳遞到神經細胞的細胞核或體細胞。

?軸突——它是樹突中較長的分支，將電脈沖從體細胞傳送到突觸。

?突觸——它是大腦中的一種結構，允許神經元將電/化學信號傳遞給另一個神經元或效應細胞。

在人腦中，有更復雜的神經元網絡，包括大腦網絡系統(tǒng)。這些神經元需要相互交互以創(chuàng)建大腦網絡系統(tǒng)。

大腦中不同神經元之間的相互作用是根據(jù)我們的所見、所聞、所想和所動來交流和處理信息的。大腦網絡系統(tǒng)是身體所有活動的“終端”。

作為現(xiàn)代計算機的大腦網絡系統(tǒng)

大腦的功能與現(xiàn)代計算機相同。有輸入、輸出、存儲、處理和程序。

?輸入——與引起行動的刺激、對象或數(shù)據(jù)有關。在計算機中，輸入來自輸入設備，例如鼠標、鍵盤、照相機或掃描儀。它們的格式各不相同，例如文本、圖像和其它結構化數(shù)據(jù)。在人腦中，輸入以外部和內部刺激的形式出現(xiàn)。感覺細胞主要參與視覺、觸覺、聽覺和味覺等輸入（ps：這些也是現(xiàn)在腦科學研究的更多的刺激感覺器官了）。運動細胞和大腦中的一些細胞也可以作為輸入。

?輸出——處理輸入引起的動作或信息有關。如果將其比作機器，則輸出可以是打印某些東西或投影圖像的形式。在人腦中，輸出與使您控制內部和外部肌肉的活動有關。它還包括感官知覺、決策、情緒、解決問題、管理身體內部功能（如心率、血壓和體溫）以及社會行為。

?存儲——存儲輸入和輸出信息和程序的位置。在計算機中，它有兩種存儲類型—短期存儲和長期存儲。短期存儲采用運存的形式，它存儲執(zhí)行即時任務所需的有限信息量。長期存儲采用硬盤驅動器和U盤等形式。因為它們具有更大的存儲容量。人腦中的存儲與記憶系統(tǒng)有關。短期存儲稱為工作記憶，它利用大腦的記憶力和注意力來執(zhí)行即時任務，例如記下老師在課堂上所說的話。另一方面，長期記憶能夠無限期地存儲無限量的信息。它與大腦回憶特定事件的能力有關，經驗和其它事實信息。(3 )

?處理器——執(zhí)行指令的中央處理電路。如果要將人腦比作計算機，處理器就是中央處理單元。對于人類來說，它與中樞神經系統(tǒng)有關。它由人的大腦、脊髓和內部電路組成。

?程序/代碼——涉及一組指令，其中包含需要對輸入執(zhí)行的操作將其轉換為輸出，從而引入一組需要執(zhí)行的功能。在人腦中，代碼是通過大腦中的神經元執(zhí)行的，神經元相互連接并傳遞信號以處理所需的動作。整個過程由中樞神經系統(tǒng)控制，信息交換通過關鍵的神經系統(tǒng)結構（突觸）進行。人腦通過化學/電信號模式運行其代碼，并從一個神經元傳遞到另一個神經元，從而形成一個神經網絡。

分析大腦網絡系統(tǒng)

腦網絡的觀察

解剖和生理學——可以通過兩種方式進行功能和結構網絡。

大腦結構連通性

它涉及大腦中連接一組神經元的解剖學連接，特別是皮層和皮層下區(qū)域。結構連接往往在短時間內保持穩(wěn)定——從幾秒到幾分鐘不等。

依據(jù)大腦可塑性的變化，它也可以在更長的時間范圍內保持，這可能是幾個小時到幾天。大腦結構連接的測量是一種無向連接。

大腦的功能連接

通常是從時間序列中進行觀察，能顯示出不同類型的神經元之間的統(tǒng)計依賴模式。

有多種技術可用于觀察時間序列數(shù)據(jù)，例如 EEG 腦電圖、MEG 腦磁圖、fNIRS近紅外腦成像和fMRI 功能磁共振成像等，當然還包括其它的入侵性的技術。

可以參考文章《一文了解研究人腦的腦科學技術手段》

大腦的功能連接性是時間依賴性的，并且在數(shù)十或數(shù)百毫秒的跨度內發(fā)生變化。感覺刺激和任務環(huán)境調節(jié)大腦的功能連接。

大腦的有效連接

它是被用作一種分析大腦網絡系統(tǒng)的方法之一。這種方法能捕獲了不同神經元之間的網絡定向因果效應。

有效的連通性代表生成模型和機械模型，導致觀察到的數(shù)據(jù)源自各種可能的模型。研究大腦網絡系統(tǒng)的有效連接是相當新的。大多數(shù)大腦網絡研究是使用結構和功能連接進行的。

當然，對于功能性連接的方法有很多種

1、相關系數(shù)，包括Pearson和Spearman相關系數(shù)；

2、譜相干(spectral coherence)；

3、相鎖值(phase-locking value)；

4、部分有向相干(Partial directed coherence,PDC)；

5、同步似然指數(shù)(Synchronization likelihood)；

6、Granger因果分析(Granger causality)；

7、互信息(mutual information,MI)；

8、有向傳遞函數(shù)(Directed transfer function,DTF)等

不同類型的腦網絡系統(tǒng)

1.默認模式

?- 當人清醒和休息時，它處于活動狀態(tài)。如果該人專注于內部導向的任務，則默認模式大腦網絡系統(tǒng)被激活，例如：

1.夢想著未來

1.白日夢

1.回憶

1.心智理論

2.背側注意力——涉及自愿給予注意以及對意外情況的重新定位。

3.腹側注意力——與人對突然發(fā)生的行為相關刺激的反應有關。

4.額頂葉——大腦中調節(jié)認知控制的系統(tǒng)。

5.顯著性——它追蹤內部大腦事件和外部輸入的顯著性。

6.橫向視覺——它在復雜的情緒刺激中起著重要作用。

參考

1.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5485642/

2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4854276/

3.https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-neuro-062111-150525

4.https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1004029

5.https://www.omicsonline.org/scholarly/neural-network-journals-articles-ppts-list.php

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