CN115336983A - 基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，该系统进行测量被试记忆力水平的行为学实验，给被试呈现熟悉预设面孔的图片并要求记忆图片顺序，接着识别不同图片的相对位置；利用识别正确时的记忆编码阶段磁共振信号计算出显著激活的记忆脑区作为神经反馈训练的靶点；接着在神经反馈任务中提取该靶点当前时间与前一个时间点的信号变化百分比并生成神经反馈信号，指导被试自主地调节靶点活动。本发明通过对工作记忆相关脑区进行定位并利用实时功能磁共振神经反馈训练调控记忆脑区，用于增强被试的工作记忆能力，对治疗轻度认知障碍患者和老年痴呆患者的记忆力减退具有重要的研究意义。

Description

基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统

技术领域

本发明涉及认知干预技术领域，尤其涉及一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统。

背景技术

随着年龄的增长和社会环境的快速发展变化，大多数成年人发现在记忆维护和处理信息方面存在困难。这个过程涉及了大脑认知的一个核心功能——工作记忆，即一种在短时间内将有限的信息“在线”保存以备立即使用的能力，工作记忆在日常生活中发挥着至关重要的作用，小到记住一个英文单词，大到记住现实中发生过的事件，工作记忆功能困难可能会对生活工作造成相当大的损害。研究表明，工作记忆能力减弱与异常的功能脑区活动如海马体，背外侧前额叶，颞叶等有关，这种表现减弱在轻度认知障碍患者以及阿尔茨海默病患者身上更容易被观察到。目前增强工作记忆的方法主要是两种，一种是药物干预，如服用奥拉西坦等药物，另一种是认知干预，如正念记忆训练等，上述方法均对增强记忆有着很好地帮助作用，但是药物治疗有可能会产生副作用，认知干预未直接干预记忆相关脑区，并且不能实时地得到干预奖励，所以提出一种实时无创地干预记忆脑区有可能会成为另外一种有效的辅助治疗方法，对于轻度认知障碍患者等的记忆增强具有重要的临床研究价值。

基于实时功能磁共振（real-time functional Magnetic Resonance Imaging，rt-fMRI）的神经反馈技术是一种新型无创的脑疾病干预手段，该技术通过实时地计算被试当前的大脑活动，使用条形柱或更加形象具体的，能够最大化地激发被试潜力的形式反馈提供给被试，被试利用神经反馈策略实时改变反馈信号，以达到调节大脑活动，增强行为认知功能等的目的。目前已经有越来越多的研究表明实时功能磁共振神经反馈技术能够有效地改善抑郁症、焦虑症、失眠伴抑郁等患者的情绪状态（Young K D, Siegle G J, ZotevV, et al. Randomized clinical trial of real-time fMRI amygdala neurofeedbackfor major depressive disorder: effects on symptoms and autobiographicalmemory recall[J]. American Journal of Psychiatry, 2017, 174(8): 748-755；Morgenroth E, Saviola F, Gilleen J, et al. Using connectivity-based real-timefMRI neurofeedback to modulate attentional and resting state networks inpeople with high trait anxiety[J]. NeuroImage: Clinical, 2020, 25: 102191），另外该方法也可以调节帕金森、精神分裂、注意力缺陷多动症、肥胖等患者的相关脑区，达到症状减弱或者体重减小等效果（A systematic review of fMRI neurofeedbackreporting and effects in clinical populations. NeuroImage: Clinical.2020）。实时功能磁共振神经反馈技术的主要分为以下几个流程：（1）磁共振数据采集；（2）数据实时处理；（3）神经反馈模型搭建；（4）神经反馈形式呈现；（5）神经反馈调节，即给被试以视听觉等刺激信息，同步实时采集三维图像数据，然后在实时处理平台上提取与任务相关的激活脑区，通过神经反馈模型计算反馈信号并以温度计等形式反馈给被试，被试根据反馈信息以某种调节策略自主调节大脑活动。据研究可知，不同认知过程或者不同疾病对应的异常大脑区域和脑区连接不一致，比如，抑郁患者的杏仁核区域或者杏仁核到前额叶的连接边作为靶区，调控靶区的激活或者连接强度；而运动神经回路之间的失衡是帕金森病理生理学模型的核心，通过实时反馈运动神经回路的辅助运动区的活动，利用运动想象等调节策略增强患者对于运动脑区的控制，因此，选择合适的神经反馈靶区对于之后神经反馈模型的搭建非常重要。

总而言之，一方面，目前大部分研究采用脑区模板进行靶区定位，但被试的脑区位置和大小具有个体差异性，导致未能给被试提供比较准确的靶点脑区信息；另外一方面，尚未有研究建立一个针对于神经反馈调控工作记忆的完整实验流程系统，这样限制了实时功能磁共振神经反馈技术在工作记忆调控领域的进一步研究和在临床应用的推广。因此，本研究为解决以上问题，提出了一种基于单个脑区实时功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，该系统利用功能定位实验确定记忆靶点脑区，从而实现个体化的单个脑区神经反馈模型搭建，使得反馈信息更加精准。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于单个脑区实时功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明提供一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，该系统包括如下模块：

量表数据采集模块，用于采集情绪和认知行为学量表，将筛选入组的被试随机划分为年龄和人数相匹配的实验组和控制组；

工作记忆行为学实验模块，用于测量被试的工作记忆水平；

熟悉预设面孔筛选模块，用于筛选靶区定位模块的图片刺激；

靶区定位模块，用于定位与序列记忆相关的脑区，通过磁共振成像进行记忆序列学习实验数据采集，要求被试记忆熟悉预设面孔图片的顺序，并在识别阶段判断图片顺序，离线数据分析得到识别正确时记忆编码阶段与记忆有关的激活脑区，并作为神经反馈训练的靶点脑区，搭建单个脑区神经反馈模型；将神经反馈过程中的磁共振数据作为单个脑区神经反馈模型的输入，其靶点脑区的时间序列信号为单个脑区神经反馈模型的输出；

单个脑区神经反馈训练模块，用于在线实时调控被试靶点脑区活动从而训练工作记忆，通过磁共振成像进行实验数据采集，将所述靶区定位模块得到的激活脑区的时间序列信号变化百分比作为神经反馈信号，并提供给实验组被试，而给控制组被试提供假的神经反馈信号，让被试通过调节策略实现自我调节靶点脑区活动；

神经反馈效果评估模块，用于基于神经反馈训练前后的量表数据、行为学数据和脑影像变化，评估实验组和控制组所有被试的工作记忆能力是否通过神经反馈训练得到增强。

进一步地，量表数据采集模块采集的量表包括用于筛选情绪正常被试的抑郁和焦虑量表，以及用于评估被试当前记忆水平的认知量表。

进一步地，所述情绪和认知行为学量表包含：汉密尔顿抑郁量表、汉密尔顿焦虑量表、蒙特尔认知评估量表和认知简易精神状态检查量表。

进一步地，

工作记忆行为学实验模块通过记忆广度实验和3-back往回记忆实验测量，分别得到被试当前的记忆广度和记忆准确率；

所述记忆广度实验用于测试记忆容量即记忆广度，指在单位时间内按一定顺序逐一呈现一系列刺激后，被试能够立刻按刺激呈现顺序正确回忆刺激系列的内容，所述刺激分别包括字母和人名，即字母广度实验和人名广度实验；

所述3-back往回记忆实验用于测量记忆准确率，指要求被试将当前出现的刺激与它前面往回倒数第3个刺激进行比较，回忆刺激是否一致，所述刺激分别包括字母和人名，即字母3-back实验和人名3-back实验。

进一步地，熟悉预设面孔筛选模块用于被试从预设面孔数据库中选择自己熟悉的一系列预设面孔图片，用作靶区定位模块的图片刺激。

进一步地，所述靶区定位模块包括：编码阶段子模块、持续回忆阶段子模块和识别阶段子模块，具体如下：

所述编码阶段子模块用于给被试在磁共振刺激显示仪器里依次呈现若干张被试所熟悉的预设面孔图片，并要求记忆图片序列呈现顺序；

所述持续回忆阶段子模块用于要求被试回忆编码阶段子模块的预设面孔图片顺序；

所述识别阶段子模块用于随机呈现所述编码阶段子模块的预设面孔图片，并要求被试判断当前图片和上一张图片的顺序；

所述编码阶段子模块、持续记忆阶段子模块和识别阶段子模块重复执行若干次；对数据进行离线计算，利用识别阶段子模块全部判断正确试次的编码阶段子模块磁共振数据分析得到与序列记忆相关的激活脑区，记录该脑区坐标和半径，并作为神经反馈训练的靶点脑区；将神经反馈过程中的磁共振数据作为输入，搭建基于序列记忆的单个脑区神经反馈模型，其靶点脑区的时间序列信息为模型的输出。

进一步地，所述单个脑区神经反馈训练模块利用神经反馈过程中被试实时的神经反馈信号训练被试的工作记忆能力，包括预设面孔序列提示阶段子模块和神经反馈阶段子模块，具体如下：

所述预设面孔序列提示阶段子模块用于给被试呈现一系列的预设面孔图片，用于所述神经反馈阶段的神经反馈调节策略，即被试通过回忆预设面孔序列提示阶段的面孔序列顺序，提升反馈信号的高度，实时调整靶点脑区的活动；

所述神经反馈阶段子模块用于实现反馈和静息两个任务，反馈任务中被试看到自己当前的记忆脑区活动水平，当靶点脑区的神经反馈信号低于设定的阈值时，要求被试利用所述神经反馈调节策略调节靶点脑区的神经反馈信号，静息任务要求被试放空大脑，使大脑活动恢复至基线水平；

所述神经反馈阶段子模块的反馈和静息任务在一次实验中交替执行。

进一步地，所述靶点脑区的神经反馈信号即被试靶点脑区当前时间点与前一个时间点的序列信号变化百分比，将该信号变化百分比作为反馈信号并使用比较形象的火箭图形形式反馈给实验组被试，而用于对比神经反馈效果的控制组被试提供则假的神经反馈信号。

进一步地，所述神经反馈效果评估模块用于评估所述单个脑区神经反馈训练模块是否有效增强被试的工作记忆能力，包括行为学评估子模块和脑影像评估子模块，具体如下：

所述行为学评估子模块通过比较实验组和控制组神经反馈前后的蒙特尔认知评估量表和认知简易精神状态检查量表的记忆分数，以及记忆广度和3-back的分数和准确率，分析神经反馈训练的效果；

所述脑影像评估子模块用于比较实验组和控制组神经反馈前后的行为学和脑影像指标，分析神经反馈训练的效果。

进一步地，所述脑影像指标包括静息态脑影像指标和任务态脑影像指标；

所述静息态脑影像指标包括功能连接，局部一致性和低频振幅；

所述任务态脑影像指标包括，大脑激活分析和有效连接分析的心理生理交互作用。

本发明的有益效果是，本发明将实时功能磁共振神经反馈技术应用于工作记忆调控，通过序列学习记忆实验对记忆相关脑区进行功能定位，并在神经反馈训练中将记忆脑区的神经活动作为神经反馈信号反馈给被试，被试实现自主调节。该发明提供了一个比较完整的工作记忆调控实验流程，对于增强健康人、轻度认知障碍患者或者阿尔茨海默病患者的工作记忆能力有着重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统的结构图。

图2是本发明提供的一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控的实现过程示意图。

图3是字母和人名3-back实验的实验范式示意图。

图4是字母和人名记忆广度实验的实验范式示意图。

图5是记忆序列学习实验的实验范式示意图。

图6是实时功能磁共振神经反馈实验调控记忆的实验流程和实验范式示意图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的说明。但这仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请所述的具体实施例，本领域的其他人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都应当落在本发明的构思范围之内。

以下参考附图描述本发明的优选实施例。

如图1所示，本发明提出一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统。该系统包括量表数据采集模块、工作记忆行为学实验模块、熟悉预设面孔筛选模块、靶区定位模块、单个脑区神经反馈训练模块和神经反馈效果评估模块，通过量表数据采集模块采集的根据抑郁焦虑量表筛选正常被试，并采集神经反馈训练前后的认知行为学量表，认知量表中的记忆部分用于评估被试当前的记忆水平；通过工作记忆行为学实验模块让入组被试进行字母/人名广度实验，字母/人名3-back实验等行为学实验，进一步测量被试的工作记忆水平；通过熟悉预设面孔筛选模块给被试呈现预设面孔的图片并要求记忆图片顺序，并通过靶区定位模块使用编码阶段的磁共振数据定位记忆相关靶区，所述预设面孔的图片为公众人物面孔图片；通过单个脑区神经反馈训练模块将靶区的神经活动用图形方式反馈给被试，被试理解反馈信号，并采用调节策略实现自主调节靶区活动，重复训练3次；最后为了对比神经反馈训练的增强工作记忆的效果，通过神经反馈效果评估模块在训练之后再次进行记忆量表填写和行为学实验，通过对比神经反馈前后行为学量表实验以及脑影像的变化，评估实时功能磁共振神经反馈训练增强被试工作记忆能力的效果，从而得到该技术在工作记忆提升等方面的有效性，为之后将实时功能磁共振神经反馈技术应用于临床治疗起着重要的推动作用。

如图2所示，为本发明提供的基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统的实现过程示意图，具体如下：

模块1：量表数据采集模块

本实施例首先进行一般人口统计学数据采集和相关量表采集，被试纳入标准为身体和精神上健康的右利手被试，年龄跨度为18至30岁，被试的性别在总数上平衡，视力正常或者矫正后正常。进一步地，被试填写汉密尔顿抑郁量表、汉密尔顿焦虑量表、蒙特尔认知评估量表和认知简易精神状态检查量表，排除汉密尔顿抑郁或者汉密尔顿焦虑量表评分大于等于7分，以及蒙特尔认知评估量表或者认知简易精神状态检查量表总分小于26分的被试。纳入实验的被试记录蒙特尔认知评估量表或者认知简易精神状态检查量表的记忆力检测部分量表分数，在模块5（单个脑区神经反馈训练模块）完成之后，需要重新填写这两个认知量表。另外，被试的排除标准还包括妊娠、体内有不可取的假牙等金属物质、幽闭恐惧症、精神病、严重内科或神经系统疾病、近三周内服用影响脑功能的药物、酒精和药物滥用史等。被试被随机分为实验组和控制组。

模块2：工作记忆行为学实验模块

纳入实验的被试需要进行工作记忆相关的行为学实验，来测量被试当前的工作记忆情况，在磁共振外面的电脑屏幕面前进行，该实验采用Psychopy软件实现。本实施例结合实验内容采用记忆广度实验和3-back实验的变体进行行为学数据采集，即使用的实验范式为字母和人名广度记忆，以及字母和人名3-back往回记忆实验；所述记忆广度实验用于测试记忆容量即记忆广度，指在单位时间内按一定顺序逐一呈现一系列刺激后，被试能够立刻按刺激呈现顺序正确回忆刺激系列的内容，所述刺激分别包括字母和人名，即字母广度实验和人名广度实验；所述3-back往回记忆实验用于测量记忆准确率，指要求被试将当前出现的刺激与它前面往回倒数第3个刺激进行比较，回忆刺激是否一致，所述刺激分别包括字母和人名，即字母3-back实验和人名3-back实验。其中字母和人名的3-back往回记忆记忆实验范式如图3所示，实验刺激为大写的英文字母或者是公众人物的姓名和对应的拼音大写，要求被试记住呈现的刺激，并判断间隔为3的刺激是否一致，如果一致则在电脑键盘上按键“1”，如果不一致则按键“0”，每个刺激呈现2s，每个序列run总共有120个试次，持续4分钟。字母和人名广度记忆实验范式如图4所示，实验刺激为大写的英文字母或者是公众人物的姓名和对应拼音的首字母大写，要求被试记住长度为3到N的序列，并在回忆阶段用键盘输入呈现的字母，鉴于中文姓名输入耗时较长，采用输入姓名的大写拼音首字母，每个刺激呈现2s，如果被试出错两次，便提前结束实验，并记录序列记忆的长度。需要注意的是，在模块5（单个脑区神经反馈训练模块）完成之后，又进行一次模块2的行为学实验。

模块3：熟悉预设面孔筛选模块

每名被试进行熟悉预设面孔筛选实验，要求被试从预设面孔数据库中选择自己熟悉的100张公众人物面孔图片，用于靶区定位模块的实验刺激。

模块4：靶区定位模块

在靶区定位模块中，被试进行记忆序列学习实验，需要在磁共振中进行基线扫描和任务扫描，每个被试单次扫描时间约50分钟。采集时使用耳塞降低噪音，使用海绵垫填充来限制被试头动。基线扫描阶段，扫描被试的静息态、T1结构像、T2横向弛豫、弥散张量成像和场映射等参数；任务扫描阶段使用Psychopy软件实现，包括：编码阶段子模块，回忆阶段子模块和识别阶段子模块，所述编码阶段子模块用于给被试在磁共振刺激显示仪器里依次呈现5张被试所熟悉的公众人物面孔图片，并要求记忆图片序列呈现顺序；所述持续回忆阶段子模块用于要求被试回忆编码阶段子模块的公众人物面孔图片顺序；所述识别阶段子模块用于随机呈现所述编码阶段子模块的公众人物面孔图片，并要求被试判断当前图片和上一张图片的顺序；所述编码阶段子模块、持续记忆阶段子模块和识别阶段子模块重复执行若干次；对数据进行离线计算，利用识别阶段子模块全部判断正确试次的编码阶段子模块磁共振数据分析得到与序列记忆相关的激活脑区，记录该脑区坐标和半径，并作为神经反馈训练的靶点脑区；将神经反馈过程中的磁共振数据作为输入，搭建基于序列记忆的单个脑区神经反馈模型，其靶点脑区的时间序列信息为模型的输出。记忆序列学习实验的实验范式如图5所示。

具体而言，正式的序列学习实验以10s的视觉注视十字开始，参与者被要求静息注视屏幕上的十字。在编码阶段，首先有2s的提示，接着5张公众人物面孔图片按照顺序依次呈现，每张呈现2s，该过程持续12s。然后是顺序回忆持续阶段，要求参与者持续地回忆呈现的5张图片的顺序，该过程持续6s。最后是以2s提示开始的顺序识别阶段，随机呈现在编码阶段呈现的5张图片，并要求参与者判断当前图片的在编码阶段对应的位置是否在上一张图片的前面，如果是，则按“1”键，否则按“2”键，第一张图片不作反应，判断阶段总共持续12s。在完成整个阶段之后，进行10s的静息，表示在下一次试验之前将有10s的延迟。整个序列学习过程重复10次，每次呈现的公众人物面孔图片不一致，总时长约10分钟，重复3个run。

实验结束之后，利用判断正确对应的编码阶段磁共振数据进行激活区分析，将激活程度最大的一个记忆脑区作为靶点，并保存为个体激活脑区模板，用于后期的神经反馈训练中的反馈模型搭建。将神经反馈过程中的磁共振数据和激活脑区模板作为输入，搭建基于序列记忆的单个脑区神经反馈模型，其靶点脑区的时间序列信息为模型的输出。

模块5：单个脑区神经反馈训练模块

所述单个脑区神经反馈训练模块利用神经反馈过程中被试实时的神经反馈信号训练被试的工作记忆能力，包括预设面孔序列提示阶段子模块和神经反馈阶段子模块，具体如下：

所述预设面孔序列提示阶段子模块用于给被试呈现一系列的公众人物面孔图片，用于所述神经反馈阶段的神经反馈调节策略，即被试通过回忆预设面孔序列提示阶段的公众人物面孔序列顺序，提升反馈信号火箭图片的高度，实时调整靶点脑区的活动；

所述神经反馈阶段子模块用于实现反馈和静息两个任务，反馈任务中被试看到自己当前的记忆脑区活动水平，当靶点脑区的神经反馈信号低于设定的阈值时，要求被试利用所述神经反馈调节策略调节靶点脑区的神经反馈信号，静息任务要求被试放空大脑，使大脑活动恢复至基线水平；

所述神经反馈阶段子模块的反馈和静息任务在一次实验中交替执行，同样的实验在1个实验(session)中重复3个正式神经反馈任务(run)，一共执行3个session，每个session大概持续50分钟，每周进行一个session实验数据采集。在神经反馈训练之前，要求被试记忆3个序列长度为15的人脸图片顺序作为调节策略。每个神经反馈session包括2次神经反馈前后的静息态扫描，预训练run，3次正式的神经反馈run，转移训练run。在静息态扫描过程中，要求被试睁眼注视屏幕上的十字，时间持续6分钟；预训练run的实验范式与正式神经反馈run一致，是为了让被试熟悉神经反馈训练过程，但不提供神经反馈信号；正式的神经反馈run由6次30 s的“静息”任务块（block）和6次由提示语“回忆”指导的30 s的“反馈”block交替组成，由于血液动力学响应函数的延迟，所以设定30 s的“静息”block目的是让被试的大脑活动回到基线水平。在“反馈”block时，要求被试利用回忆准备好的人脸图片序列的调节策略，提升屏幕上显示的火箭图形神经反馈信号。神经反馈信号是利用单个脑区神经反馈模型计算得到的，即被试靶区当前时间和前一个时间点的信号变化百分比，使用形象的神经反馈刺激图像方式反馈给被试。当信号变化百分比小于最小阈值时，图形的高度不变，当信号变化百分比大于阈值时，图形的高度上升，并随着靶点脑区的活动变化而变化，神经反馈信号每2s更新一次。被试通过尽可能正确地较多地回忆人脸的顺序，从而增强神经反馈信号。需要注意的是，实验组收到正确的神经反馈信号，而控制组收到一个电脑生成的随机的假的神经反馈信号，每个神经反馈训练run持续6分30秒。转移run的实验范式和正式神经反馈run一致，同样的，也不提供被试神经反馈信号，目的是探究被试是否掌握了调节记忆相关脑区的能力。神经反馈训练结束之后，又进行一次静息态扫描。实时功能磁共振神经反馈实验调控记忆的实验流程和实验范式如图6所示。

模块6：神经反馈效果评估模块

所述神经反馈效果评估模块用于评估所述单个脑区神经反馈训练模块是否有效增强被试的工作记忆能力，包括行为学评估子模块和脑影像评估子模块，具体如下：

所述行为学评估子模块通过比较实验组和控制组神经反馈前后的蒙特尔认知评估量表和认知简易精神状态检查量表的记忆分数，以及记忆广度和3-back的分数和准确率，分析神经反馈训练的效果；

所述脑影像评估子模块用于比较实验组和控制组神经反馈前后的行为学和脑影像指标，分析神经反馈训练的效果。所述脑影像指标包括静息态脑影像指标和任务态脑影像指标；所述静息态脑影像指标包括功能连接，局部一致性(Regional Homogeneity, ReHo)和低频振幅(The Amplitude of low-frequency fluctuations, Alff)；所述任务态脑影像指标包括，大脑激活分析和有效连接分析的心理生理交互作用(Psychophysiologicalinteraction, PPI)。

在3次神经反馈训练结束之后，整理所有的行为学数据和脑影像数据对实时功能磁共振神经反馈增强工作记忆的效果进行评估，主要分为2方面：基于行为学的神经反馈效果评估和基于脑影像的神经反馈效果评估。其中，神经反馈前表示模块5之前被试的状态，神经反馈后表示进行了3次模块5之后的被试状态。

基于行为学的神经反馈效果评估所用到的数据为模块1和模块2中采集的记忆部分量表以及工作记忆的行为学结果。从量表的结果来看，统计每个被试神经反馈前后记忆量表的总分，并在组水平上进行前后对比，如果训练后有改善并且差异显著，则表明神经反馈训练有效地增强了工作记忆能力；其次，从记忆广度和3-back的行为学结果来看，统计每名被试神经反馈前后被试的记忆广度和神经反馈前后3-back实验的准确率，同样也做显著性比较，如果记忆广度和3-back的准确性均有显著提升，则表明被试通过神经反馈训练显著增强了工作记忆能力。

基于脑影像的神经反馈效果评估使用神经反馈前后采集的脑影像数据，主要分为2方面：基于静息态的神经反馈效果评估和基于任务态的神经反馈效果评估。

一方面，基于静息态的神经反馈效果评估所用到模块5中神经反馈前后的静息态数据，主要利用静息态功能连接，ReHo和Alff这三种脑影像分析方法，首先将整理好的静息态数据在Dpabi中进行预处理，主要步骤为：转换为nifit格式，去除前10个时间点数据，时间层校正，头动校正，校准，标准化和平滑。针对静息态功能连接，利用人脑功能连接模板（Human Brainnetome Atlas）模板计算全脑的功能连接；在预处理的平滑之前进行ReHo；预处理之后 直接计算Alff结果。所有被试的指标均计算完之后，利用配对T检验对神经反馈前后的结果进行比较，利用双样本T检验对实验组和控制组神经反馈后的结果进行比较，通过校正之后得到最终的统计图，并查看差异脑区。将差异脑区与药物治疗或者行为治疗得到的脑影像结果进行对比，查看被试的工作记忆能力是否得到提升，如果工作记忆相关脑区的指标有往好的方向发展，则表明神经反馈训练在增强工作记忆方面起着重要的作用。

另一方面，基于任务态的神经反馈效果评估用到模块5中3个session的正式神经反馈训练的任务态数据。使用nilearn脑影像计算平台处理每个session的任务态数据，并进行与静息态一致的预处理步骤，接着进行一般线性模型分析和有效连接分析。

其中，利用一般线性模型分析（General linear model analysis，GLM）得到被试的显著激活脑区，主要步骤为：设置参数建立一般线性模型，如重复时间（TR），实验设计的开始时间和持续时间参数，利用实验设计参数和6个头动参数生成实验设计矩阵，与HRF函数进行卷积，接着估计一般线性模型，与真实的磁共振数据进行拟合，然后计算“反馈”条件减去“静息”条件的对比激活图，查看每个被试在“反馈”条件下的大脑激活图。最后在组水平上利用配对T检验对神经反馈前后的结果进行比较，利用双样本T检验对实验组和控制组神经反馈后的结果进行比较，通过校正之后得到最终的统计图，查看差异脑区并提取差异脑区中能代表激活程度的beta值，通过对比session1、session2和session3的beta值，查看被试的beta值变化，探究被试的大脑激活是否随着训练次数的增加而变化，如果beta值随着训练次数增加而呈现显著上升趋势，则表明神经反馈训练对于增强工作记忆有效果。另外，利用基于任务态的分析方法计算每个session中转移训练run时的大脑激活变化，如果该过程中的beta值与正式训练run的值相比有持续效应，则表明被试有可能在没有神经反馈信号的情况下依然可以自主调节相关脑区，已掌握了神经调控的策略。

进一步地，利用有效连接方法心理生理交互作用(Psychophysiologicalinteraction, PPI)分析在“反馈”的心理意义下相关脑区之间的有向连接，即探讨两个与工作记忆相关脑区之间的连接是否在“反馈”这个心理变量下得到加强。使用spm12中的PPI对特定任务的变化进行研究。心理生理交互作用分析包括三个变量：生理、心理和心理生理相互作用。实施例中所用的数据是一般线性模型分析之后的数据，对实验组和对照组分别进行了心理生理交互作用分析。

1）PPI的第一步是选择生理变量。通过将GLM分析结果进行T检验，得到与工作记忆相关的脑区，如背外侧前额叶或者背侧颞叶部分，设定该脑区的半径，将该脑区视为所有被试的感兴趣脑区，提取每个被试感兴趣区的时间序列并回归到PPI模型中。

2）根据实验条件设定心理变量：将“反馈”相比于“基线”条件（“反馈 > 基线”）设定为PPI模型的心理情境，以探讨神经反馈训练的效果。

3）生理变量（工作记忆脑区）和心理变量（“反馈 > 基线”）共同构成了交互作用项。最后，进行第二次GLM分析，将PPI模型中变量的结果作为回归量，计算“反馈 > 基线”交互条件下的差异。提取实验组和控制组的有效连接值，进行双样本T检验；提取神经反馈前后的有效连接值，进行配对T检验。如果结果中实验组的神经反馈感兴趣区域与工作记忆相关脑区的连接增强，则表明“反馈”过程加强了工作记忆脑区之间的连接，有利于增强工作记忆能力。

以上所揭露的仅为本申请一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本申请权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，其特征在于，该系统包括如下模块：

量表数据采集模块，用于采集情绪和认知行为学量表，将筛选入组的被试随机划分为年龄和人数相匹配的实验组和控制组；

工作记忆行为学实验模块，用于测量被试的工作记忆水平；

熟悉预设面孔筛选模块，用于筛选靶区定位模块的图片刺激；

靶区定位模块，用于定位与序列记忆相关的脑区，通过磁共振成像进行记忆序列学习实验数据采集，要求被试记忆熟悉预设面孔图片的顺序，并在识别阶段判断图片顺序，离线数据分析得到识别正确时记忆编码阶段与记忆有关的激活脑区，并作为神经反馈训练的靶点脑区，搭建单个脑区神经反馈模型；将神经反馈过程中的磁共振数据作为单个脑区神经反馈模型的输入，其靶点脑区的时间序列信号为单个脑区神经反馈模型的输出；

单个脑区神经反馈训练模块，用于在线实时调控被试靶点脑区活动从而训练工作记忆，通过磁共振成像进行实验数据采集，将所述靶区定位模块得到的激活脑区的时间序列信号变化百分比作为神经反馈信号，并提供给实验组被试，而给控制组被试提供假的神经反馈信号，让被试通过调节策略实现自我调节靶点脑区活动；

神经反馈效果评估模块，用于基于神经反馈训练前后的量表数据、行为学数据和脑影像变化，评估实验组和控制组所有被试的工作记忆能力是否通过神经反馈训练得到增强。

2.根据权利要求1所述的一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，其特征在于，量表数据采集模块采集的量表包括用于筛选情绪正常被试的抑郁和焦虑量表，以及用于评估被试当前记忆水平的认知量表。

3.根据权利要求1所述的一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，其特征在于，所述情绪和认知行为学量表包含：汉密尔顿抑郁量表、汉密尔顿焦虑量表、蒙特尔认知评估量表和认知简易精神状态检查量表。

4.根据权利要求1所述的一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，其特征在于，工作记忆行为学实验模块通过记忆广度实验和3-back往回记忆实验测量，分别得到被试当前的记忆广度和记忆准确率；

所述记忆广度实验用于测试记忆容量即记忆广度，指在单位时间内按一定顺序逐一呈现一系列刺激后，被试能够立刻按刺激呈现顺序正确回忆刺激系列的内容，所述刺激分别包括字母和人名，即字母广度实验和人名广度实验；

所述3-back往回记忆实验用于测量记忆准确率，指要求被试将当前出现的刺激与它前面往回倒数第3个刺激进行比较，回忆刺激是否一致，所述刺激分别包括字母和人名，即字母3-back实验和人名3-back实验。

5.根据权利要求1所述的一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，其特征在于，熟悉预设面孔筛选模块用于被试从预设面孔数据库中选择自己熟悉的一系列预设面孔图片，用作靶区定位模块的图片刺激。

6.根据权利要求1所述的一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，其特征在于，所述靶区定位模块包括：编码阶段子模块、持续回忆阶段子模块和识别阶段子模块，具体如下：

所述编码阶段子模块用于给被试在磁共振刺激显示仪器里依次呈现若干张被试所熟悉的预设面孔图片，并要求记忆图片序列呈现顺序；

所述持续回忆阶段子模块用于要求被试回忆编码阶段子模块的预设面孔图片顺序；

所述识别阶段子模块用于随机呈现所述编码阶段子模块的预设面孔图片，并要求被试判断当前图片和上一张图片的顺序；

所述编码阶段子模块、持续记忆阶段子模块和识别阶段子模块重复执行若干次；对数据进行离线计算，利用识别阶段子模块全部判断正确试次的编码阶段子模块磁共振数据分析得到与序列记忆相关的激活脑区，记录该脑区坐标和半径，并作为神经反馈训练的靶点脑区；将神经反馈过程中的磁共振数据作为输入，搭建基于序列记忆的单个脑区神经反馈模型，其靶点脑区的时间序列信息为模型的输出。

7.根据权利要求1所述的一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，其特征在于，所述单个脑区神经反馈训练模块利用神经反馈过程中被试实时的神经反馈信号训练被试的工作记忆能力，包括预设面孔序列提示阶段子模块和神经反馈阶段子模块，具体如下：

所述预设面孔序列提示阶段子模块用于给被试呈现一系列的预设面孔图片，用于所述神经反馈阶段的神经反馈调节策略，即被试通过回忆预设面孔序列提示阶段的面孔序列顺序，提升反馈信号的高度，实时调整靶点脑区的活动；

所述神经反馈阶段子模块用于实现反馈和静息两个任务，反馈任务中被试看到自己当前的记忆脑区活动水平，当靶点脑区的神经反馈信号低于设定的阈值时，要求被试利用所述神经反馈调节策略调节靶点脑区的神经反馈信号，静息任务要求被试放空大脑，使大脑活动恢复至基线水平；

所述神经反馈阶段子模块的反馈和静息任务在一次实验中交替执行。

8.根据权利要求7所述的一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，其特征在于，所述靶点脑区的神经反馈信号即被试靶点脑区当前时间点与前一个时间点的序列信号变化百分比，将该信号变化百分比作为反馈信号并使用比较形象的图形形式反馈给实验组被试，而用于对比神经反馈效果的控制组被试提供则假的神经反馈信号。

9.根据权利要求1所述的一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，其特征在于，所述神经反馈效果评估模块用于评估所述单个脑区神经反馈训练模块是否有效增强被试的工作记忆能力，包括行为学评估子模块和脑影像评估子模块，具体如下：

所述行为学评估子模块通过比较实验组和控制组神经反馈前后的蒙特尔认知评估量表和认知简易精神状态检查量表的记忆分数，以及记忆广度和3-back的分数和准确率，分析神经反馈训练的效果；

所述脑影像评估子模块用于比较实验组和控制组神经反馈前后的行为学和脑影像指标，分析神经反馈训练的效果。

10.根据权利要求8所述的一种基于单个脑区功能磁共振神经反馈的工作记忆调控系统，其特征在于，所述脑影像指标包括静息态脑影像指标和任务态脑影像指标；

所述静息态脑影像指标包括功能连接，局部一致性和低频振幅；

所述任务态脑影像指标包括，大脑激活分析和有效连接分析的心理生理交互作用。

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