عنوان
بررسي كنترل پذيري نواحي مختلف مغز و نقش آن در تنظيم و انتقال حالت هاي شبكه مغز
نويسنده اصلي
نيازمند، طاهره
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
رشته تحصيلي
برق
مقطع تحصيلي
دكتري
چكيده
مغز انسان يك سامانه ديناميكي پيچيده است كه عملكردهاي شناختي آن از تعامل ميان ساختار آناتوميكي و ديناميك فعاليت‌هاي عصبي در مقياس كلان ناشي مي‌شود. در سال‌هاي اخير، نظريه كنترل شبكه به‌عنوان چارچوبي مؤثر براي مطالعه نحوه هدايت گذارهاي حالت مغزي و تحليل نقش نواحي مختلف در كنترل ديناميك شبكه مطرح شده است. با وجود پيشرفت‌هاي قابل توجه، هنوز ارتباط ميان معيارهاي كنترل‌پذيري، ويژگي‌هاي توپولوژيكي شبكه و اثرات ناشي از تحريك مغزي به‌طور كامل روشن نشده است. همچنين، بسياري از مطالعات پيشين از مدل‌هاي خطي يا مدل‌هاي غيرخطي استفاده كرده‌اند كه قادر به بازنمايي كامل برخي ويژگي‌هاي ديناميك زيستي مغز نيستند. در اين پژوهش، ابتدا شبكه ساختاري مغز با استفاده از داده‌هاي حاصل از تصويربرداري طيف انتشار و بر اساس اطلس لوزان مدل‌سازي شد. سپس، با بهره‌گيري از يك مدل خطي شبكه مغزي، معيارهاي كنترل‌پذيري متوسط و مودال براي تمامي نواحي محاسبه و ارتباط آن‌ها با مجموعه‌اي از شاخص‌هاي مركزيت شامل درجه، بينابيني، نزديكي، بردار ويژه، كاتز، هارمونيك و پيج‌رنك بررسي شد. نتايج نشان داد كه اگرچه برخي معيارهاي مركزيت، به‌ويژه درجه، همبستگي قابل توجهي با معيارهاي كنترل‌پذيري دارند، كنترل‌پذيري اطلاعاتي فراتر از ويژگي‌هاي صرفاً توپولوژيكي شبكه ارائه مي‌دهد. در ادامه، به‌منظور بررسي واقع‌گرايانه‌تر پاسخ مغز به تحريك، از يك مدل غيرخطي براي توصيف ديناميك شبكه مغزي، مبتني بر مدل توده عصبي معرفي‌شده توسط كومبز و برن در سال 2016، استفاده شد. برخلاف بسياري از مطالعات پيشين، تحريك به هر دو جمعيت تحريكي و مهاري اعمال شد و پاسخ شبكه در دو بازه زماني حين تحريك و پس از تحريك مورد ارزيابي قرار گرفت. براي اين منظور، تأثير ساختار اتصال بر ديناميك شبكه (اثر ساختاري) و اثر عملكردي تحريك در تمامي نواحي مغزي محاسبه و ارتباط آن‌ها با معيارهاي كنترل‌پذيري تحليل شد. يافته‌ها نشان دادند كه كنترل‌پذيري متوسط و كنترل‌پذيري مودال با ميزان انتشار اثرات تحريك داراي همبستگي معنادار هستند، اما شدت اين روابط در افراد مختلف متفاوت بوده و تفاوت‌هاي فردي در ساختار مغز نقش مهمي در پاسخ به تحريك ايفا مي‌كند.
در بخش پاياني، يك راهبرد جديد كنترل چندنقطه‌اي با عنوان «مجموعه كنترلي سوئيچ» ارائه شد كه نواحي كنترل را بر اساس وضعيت‌هاي اوليه و هدف و همچنين نواحي داراي تغيير وضعيت فعاليت انتخاب مي‌كند. نتايج شبيه‌سازي نشان داد كه در گذارهاي مختلف بين حالت‌هاي مغزي، راهبرد مبتني بر نواحي سوئيچ از نظر هزينه انرژي و ميزان درگيري نواحي غيرهدف، عملكرد مطلوبي دارد؛ به‌گونه‌اي كه نسبت به راهبردهاي مبتني بر كنترل‌پذيري متوسط و نواحي كنترل شناختي، بيش از 90 درصد كاهش در انرژي كنترل و بيش از 95 درصد كاهش در فعال‌سازي نواحي غيرهدف ايجاد كرد. راهبرد مبتني بر كنترل‌پذيري مودال نيز با كاهش 70 تا 90 درصدي انرژي، عملكرد مطلوبي داشت، اما با گسترش فضايي بيشتري نسبت به روش پيشنهادي همراه بود. در مقابل، راهبرد مبتني بر كنترل‌پذيري متوسط در تمامي انتقال‌ها بيشترين هزينه انرژي و بيشترين درگيري نواحي غيرهدف را نشان داد. همچنين، معرفي يك پارامتر تنظيم‌پذير براي بازتوزيع انرژي، امكان تنظيم ميزان درگيري نواحي هدف و غيرهدف و كنترل نحوه توزيع انرژي در شبكه را فراهم كرد.
در مجموع، اين پژوهش با تلفيق نظريه كنترل شبكه، مدل‌سازي عصبي مبتني بر داده‌هاي اتصال ساختاري و يك مدل غيرخطي براي شبيه‌سازي ديناميك شبكه مغزي، چارچوبي محاسباتي براي تحليل ديناميك مغز، بررسي اثرات تحريك و طراحي راهبردهاي كنترل ارائه مي‌دهد. نتايج اين مطالعه مي‌تواند مبنايي براي مطالعات آينده در زمينه طراحي پروتكل‌هاي تحريك مغزي شخصي‌سازي‌شده و مداخلات هدفمند براي اختلالات عصبي و روان‌پزشكي فراهم كند.
شماره ركورد
238362
گرايش رشته تحصيلي
كنترل
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
دانشگاه
دانشگاه صنعتي اصفهان