耦合时延与耦合强度的相互作用对脑功能连接的影响规律

摘要

脑网络结构连接参数耦合时延和耦合强度对脑功能连接具有重要影响。由于神经信号经过神经元、脑区（节点）间的信号通路时需要一定的传输时间和响应时间，所以介观尺度脑网络的节点间存在较大的耦合时延，而这种大耦合延迟对脑网络结构节点间功能连接的影响规律有待于深入和定量的研究；为深入揭示含有反馈回路结构中耦合时延对功能连接的影响机制，进一步分析含有不同反馈回路个数的模体耦合时延对相位同步的影响；并通过构建反馈回路结构，分析不同耦合时延下节点的振荡输出信号的频率，为相位同步呈现周期性规律提供有效的解释。 本文基于alpha频段神经群模型，通过相位相干函数分析节点间的耦合时延与耦合强度的相互作用对功能连接的影响规律。 1、本文首先构建介观尺度的脑网络模型，通过仿真得到每个节点的alpha频带神经振荡信号；然后基于相位相干函数分析神经振荡信号间的相位同步。通过功能连接矩阵、节点间相位同步随耦合时延的变化曲线、以及在耦合时延与耦合强度（连接概率）的共同作用下对相位同步的二维分析图分析耦合时延与耦合强度的相互作用下对节点间相位同步的影响，研究结果表明：①耦合时延对脑网络节点间相位同步总体上具有周期性影响规律。②耦合时延与耦合强度（或连接概率）的相互作用决定了周期性影响规律的具体形式：当耦合强度较小时，耦合时延对脑功能网络的相位同步呈现近似于“正弦”形态的周期性影响规律；当耦合强度较大时，时延对相位同步的周期性影响规律呈现“强同步-弱同步”切换形态。③当耦合强度很大时，节点间的相位逐渐趋于同步状态。 2、为了进一步解释耦合时延与耦合强度的相互作用对功能连接的影响，本节研究典型三节点模体并将其分为3大类：①模体中不含有反馈回路的连接方式；②模体中含有单个反馈回路的连接方式；③模体中含有多个反馈回路的连接方式。通过含有不同个数的反馈回路模体解释网络中的反馈连接对相位同步的影响，并通过分析各个节点间相位同步的变化趋势以及耦合时延和耦合强度共同作用下的二维分析图，研究耦合时延与耦合强度的相互作用下对节点间相位同步的影响，研究结果表明：①若模体中含有反馈回路，模体节点间的相位更易趋于同步状态，并且反馈回路越该多趋势越明显。②对于不含有反馈回路的模体结构，随着耦合时延的增加相位同步呈现近似于“正弦”形态的周期性影响规律，但不会因为耦合强度的增加相位逐渐趋于同步状态。③对于含有反馈回路的模体结构，随着耦合时延的增加相位同步呈现周期性变化，并随着耦合强度的增加相位逐渐达到同步状态，并保持不变。通过模体包含反馈回路的个数解释结构网络中存在反馈连接并且反馈连接对相位同步的影响。 3、为了进一步解释耦合时延对节点间相位同步产生周期性影响，本节通过由多个神经群节点模型构建的反馈回路结构，分析不同耦合时延下节点输出振荡所包含的频率解释耦合时延对相位同步的影响。研究结果表明：随着耦合时延的增加，相位同步的周期与节点输出信号包含频谱宽度的变化周期一致，当振荡中包含多频率成分时，节点间的相位同步较小；当振荡频率越单一时，节点间的相位同步较大。

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