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1、河北工业大学硕士学位论文 i基于基于 EEG 的正常青年人语义学习时的正常青年人语义学习时 脑电信号的相互依赖性研究脑电信号的相互依赖性研究 摘摘 要要 认知是大脑的高级功能之一，包括知觉、记忆、判断、思维、推理、学习和语言等，需要经历非常复杂的脑的动力学活动过程。脑电信号是大脑皮层活动的结果，脑电振荡与大脑复杂的认知过程有关，是研究脑与认知关系的重要方法之一。大脑是一个整体，其内部的各个部分是相互关联的，其本质可以视为信息的处理过程，了解不同脑功能区域之间的交互关系可以帮助我们了解大脑内部的认知过程。因为脑电信号属于非稳态的时变的非线性信号，论文选择了非线性方法非线性回归法对正常青年人汉语语
2、义学习时的脑电信号间相互依赖性进行了研究，课题主要包括实验和信号分析两个部分。 实验部分自行设计了三组语义学习试验，包括成语学习和词语学习，采集被试学习时的脑电信号， 将采集到的脑电信号进行脑电地形图分析， 找出认知任务执行时脑电波活动，特别是 Gamma 波段增强的脑区域，选取该区域电极作为信号分析的原始数据。 信号分析部分利用了非线性回归算法计算了选定电极对在实验过程的非线性相关系数。对比认知前的平静状态，得出了在认知任务执行时相关脑区域信号间相互依赖性增强的结论。 通常，用于脑功能连通性的研究方法主要有相干函数法和互信息法，在国外，有将非线性回归分析法应用于癫痫信号的报道，用于正常人认知
3、研究的工作还很少见。本文中，将非线性回归算法用于正常人语义学习的 EEG 分析， 得到了学习时前额叶信号相互依赖性增强的结论，这与已知的脑前额叶具有短时记忆功能的理论相符。 关键词：关键词：认知，语义学习，EEG，功能连通性，非线性相关系数 基于 EEG 的正常青年人语义学习时脑电信号的相互依赖性研究 iiTHE STUDY ON THE INTERDEPENDENCE BETWEEN THE HEALTH YOUTHS EEG SIGNALS DURING SEMANTIC STUDY ABSTRACT Cognition is one of the important advanced f
4、unctions in the human brain, undergoing some complex brain dynamical processes such as perception, memory, judgement, thinking, reasoning, study, language. EEG(electroencephalogram) signal is derived from the cerebral cortex activities so that it becomes the more important in the study of the brain
5、science. In fact, cognition is related with the processing of the neural information inside the brain, the brain oscillations play a role in the process of language study. The correlations between the neural information can be helpful to understand the mechanism of the cognition. EEG being unstable,
6、 time-variant and nonlinear, the non-linear methods named as the non-linear regression analysis are adopted in the research of the interdependence of the neural information based on EEG data sampled on the healthy university students when they are performing the Chinese semantic idioms and words. Th
7、e project is complied mainly in two steps, the experiments and the analysis of the signals. In the experiments, three groups of semantic tests are designed and the EEG data is recorded. The on-line data is marked at every visual stimulus where the off-line data are epoched. In the analysis, the EEGL
8、AB software is helpful to obtain the significance of the oscillations in different frequency domain in the whole brain by the EEG mapping, so that the areas where are related with the cognitive oscillation such as the Gamma oscillations and the Theta oscillations can be found. The electrodes in thes
9、e areas are chosen to be analyzed by the interdependence. The correlation coefficient in different states such as the resting, memory and retrieval can be calculated by using the non-linear regression method. The coherence function and the mutual information are the usual methods in the investigatio
10、n of the functional connectivity in the brain. In abroad, there are some reports of the memory of the languages based on the EEG signals of the epileptic patients while the monitor of the surgery operation, but little work has done on the normal peoples cognition. In this project, the non-linear reg
11、ression method is applied to analyze the normal peoples EEG signals during the semantic test. It is concluded that the interdependence in the prefrontal region is increased during the memory and the retrieval, which is corresponding with the published results that the left prefrontal lobe played an
12、important role in the short-term memory. KEY WORDS: cognition, semantic study, EEG, functional connectivity, non-linear correlation coefficient 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性
13、声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1第一章第一章 绪论绪论 1-1 引言 1-1 引言 关于脑的研究热潮是从
14、上个世纪的最后十年开始的，由于大脑结构和功能的高度复杂性，脑科学涉及的学科领域也非常广泛。它与医学，神经电生理学，神经病理学，神经物理学，神经化学以及心理学等学科都有着密切的联系。 人体的各种生理和精神活动都是在大脑的直接或者间接参与下完成的。 脑神经科学研究表明： 大脑以一种并行的方式通过多个神经元集群的活动对信息进行加工， 这些神经元集群可能占据着大脑皮层的不同区域。 认知过程的本质可以视为信息的处理过程， 了解不同脑区的信息交流模式，可以帮助我们了解大脑内部的认知过程的本质。大脑各区域之间是通过耦合来传递信息、产生意识的。近十年来，脑电的信息耦合和同步关系被广泛应用于音乐、词汇、语言、人
15、脸的辨识过程与短时记忆的研究1-3。 目前， 大脑功能整合是脑功能成像研究的主要内容之一。 对复杂的自然视觉刺激任务下(如看电影)的脑功能活动模式进行非假设和数据驱动(data-driven)的分析研究发现：不同大脑功能区域激活的时间进程确实是独立变化的4，支持了功能分离(functional segregation)的观点。更多的研究数据表明：即使是非常简单的认知任务如手指运动，也需要激活多个空间上分离的脑功能区域5。这些空间定位在不同位置的皮层区域，只有联合起来通过整合作用才能共同完成这一功能。 认知功能是包括感觉、知觉、记忆、判断、思维、推理、问题解决、学习、想象、概念形成和语言等在内的
16、广泛的脑功能,它是人体大脑高级机能的重要功能之一， 认知活动是非常复杂的脑活动过程。目前认知科学研究的方法多种多样， 而脑电信号分析是其中重要的一种。 相对于已有脑功能研究主要集中于定位各种认知功能和强调人脑的不同区域与特定认知功能的关联， 现在的脑功能研究开始逐渐重视人脑神经网络的并行性以及不同脑区之间的信息流动，并开始把功能整合作为功能定位的补充和修正，来更全面和深入地探索脑的认知功能的机制。 因此， 新的研究思路开始用大脑网络中的信息流动来描述大脑的功能整合(功能连通性)，探讨不同脑功能区域之间的交互关系和作用，以及认知任务对这种交互作用的影响和调制。 功能整合不仅着眼于特定脑区被激活的数量和强度变化， 而且更强调皮层区域之间的网络和连通性关系。目前，对大脑功能整合的研究，通常是基于Friston等6,7提出的功能连通性(functional conne
