EP1456798A2 - Evaluation of images of the brain obtained by means of functional magnetic resonance tomography - Google Patents

Evaluation of images of the brain obtained by means of functional magnetic resonance tomography

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Publication number
EP1456798A2
EP1456798A2 EP02791617A EP02791617A EP1456798A2 EP 1456798 A2 EP1456798 A2 EP 1456798A2 EP 02791617 A EP02791617 A EP 02791617A EP 02791617 A EP02791617 A EP 02791617A EP 1456798 A2 EP1456798 A2 EP 1456798A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
brain
activity
neural network
image
pools
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP02791617A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bernd SCHÜRMANN
Gustavo Deco
Martin Stetter
Jan Storck
Silvia Corchs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1456798A2 publication Critical patent/EP1456798A2/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06VIMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V10/00Arrangements for image or video recognition or understanding
    • G06V10/40Extraction of image or video features
    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16HHEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
    • G16H50/00ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics
    • G16H50/50ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics for simulation or modelling of medical disorders
    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16ZINFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G16Z99/00Subject matter not provided for in other main groups of this subclass
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06VIMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V2201/00Indexing scheme relating to image or video recognition or understanding
    • G06V2201/03Recognition of patterns in medical or anatomical images
    • G06V2201/031Recognition of patterns in medical or anatomical images of internal organs

Definitions

  • the main reason for this discrepancy lies in the complexity of the brain:
  • the human cerebral cortex alone can be divided into around 200 functional units, the brain areas, between which there are around 10,000 closed, dense network paths.
  • the network paths each consist of several synaptic connections, ie nerve strands.
  • cerebral dysfunction usually manifests itself in a change in the interaction of the areas compared to healthy people, which in turn modifies the activity state of the entire brain in a complex manner.
  • the object of the invention is to make fMRI images more usable for diagnosis.
  • a method for evaluating an image (fMRI image) of the brain obtained by means of functional magnetic resonance tomography is specified.
  • a neural network is used to simulate the activities of the brain.
  • Suspected disturbances in the brain are simulated in the neural network (disturbed neural network).
  • the determined activities in the disturbed neural network are compared with the activities observed in the fMRI image. Brain disorders are deduced from the comparison.
  • the other two classes of fault causes, (b) and (c), can have a very hidden effect.
  • the dense networking of the brain areas means that the fully constant interruption of the connection between two areas does not only affect the two affected areas.
  • the interruption of the connection changes the overall signal propagation through the brain and thus indirectly causes disturbances in other brain functions that appear to be independent of the areas under consideration.
  • the doctor is provided with a tool with the aid of which the complex interaction of several brain areas can be simulated by the brain while solving defined tasks.
  • the simulator is based on the simulation of the dynamics of coupled populations of neurons, i.e. on a neural network.
  • the dynamics simulate the time course of the activities of the neurons.
  • the failure of any substructure in the brain can be artificially simulated in the model and its impact on the complex interplay of the areas of the brain can be quantified.
  • the comparison with the fMRI image or activity pattern measured on the patient leads to the localization of the cause of the fault and thus to a successful diagnosis.
  • a quantitative relationship is thus established between the measured spatial distribution of brain activity on the one hand and the medically relevant functional brain state on the other.
  • the neural network can also have a structure that is based on the structure of the brain in its division into areas and their connections. On the one hand, this leads to a reduction in the complexity of the neural network. On the other hand, the structure of the neural network corresponds to that of the brain.
  • a third-generation neurosimulator (neurocognition) is therefore advantageously used for the quantitative interpretation and thus diagnosis of fMRI images.
  • a neuro- First generation simulators are called models of networks of neurons on a more or less static basis, the classic neural networks.
  • Second generation neurosimulators are models of the dynamic behavior of the neurons, in particular the pulses they generate.
  • Third-generation neurosimulators are hierarchical models of the organization of neurons in pools and pools in areas. A pool contains thousands of neurons.
  • the method according to the invention can be integrated as an evaluation tool in the operating software of a computer which controls an fMRI tomograph, can be integrated, or can work in the form of an independent diagnostic support device.
  • the object is further achieved by a computer program which executes the method according to the invention when it is running on a computer, and by a computer program with program code means to carry out all of the steps according to the invention when the program is executed on a computer.
  • the object is achieved by a computer program with the program code means mentioned, which are stored on a computer-readable data carrier. Furthermore by a
  • Fig. 1 shows an example of an fMRI image
  • the local changes in the oxygen content in the blood during activation processes can be displayed with high spatial resolution using fMRI and precisely assigned to the individual anatomical structures of the brain.
  • the aim of the modeling is a detailed neural network model of the areas of the brain, which reflects the real conditions in the brain during activation processes, especially with regard to visual attention control, and thus provides an explanation of these services through physiological mechanisms.
  • top-down approach better reflects the realities of the visual cortex.
  • intermediate results at a higher processing level are used by feedback to meaningfully reevaluate lower processing levels. What is important is the moment of feedback between the individual levels. In the model to be described in more detail below, this feedback is realized by the interaction of the individual areas.
  • the feedback leads to a shift in the balance in the attention competition of the individual neurons or groups of neurons. This leads to an uneven situation
  • the "where” question is traditionally answered by searching the entire image using a given attention window.
  • the "what” question is answered by comparing the known patterns with the predefined image section or by searching the predefined image section for features on which attention is concentrated in order to recognize the image features.
  • Third generation neurosimulators are hierarchical models of the organization of neurons in pools and pools in areas, corresponding to the areas of the brain, as described below using the example of the visual cortex is described.
  • a pool contains thousands of neurons.
  • the 2 shows in simplified form the essential areas of the visual cortex of the brain 10.
  • the cerebrum 16 and the cerebellum 18 are shown.
  • the cerebrum 16 contains, among others, the areas VI, V4, PP and IT shown and explained in more detail below in the visual cortex , There are many-stranded synaptic connections 20 between these reales.
  • the IT area (inferotemporal) is used for image recognition or
  • the area PP serves to localize known patterns ("where" question).
  • the area PP in the present model therefore contains as many pools 24 as there are pixels in the image to be recognized.
  • the concentration of neuronal activity in a small number of neighboring pools in PP corresponds to a localization of the object.
  • the areas VI and V4 are combined in the present model to form the A-real V1-V4, which is also referred to as V4.
  • This area is generally responsible for the extraction of features. It contains approximately 1 million pools 24, one pool for each characteristic. The pools 24 speak to individual features of the
  • a characteristic is thus defined by a certain size or spatial frequency, a spatial orientation and a certain position in the x and y directions (see below). All captured image data initially go to area V1-V4.
  • each area there is at least one inhibitory pool 22, that is to say a pool which has an inhibitory effect on the activity of other pools.
  • the inhibitory pools are coupled to the stimulable pools 24 with bidirectional connections 26.
  • the inhibitory pools 22 result in competitive interaction or competition between the pools.
  • the competition in V1-V4 is carried out with pools 24, which encode both location and object information.
  • PP abstracts location information and mediates a competition on the spatial level.
  • IT abstracts information from classes of objects and mediates competition at the level of classes of objects.
  • synaptic connections 20 between the areas, through which the pools 24 can be stimulated to activity There are synaptic connections 20 between the areas, through which the pools 24 can be stimulated to activity.
  • the IT area is connected to the V4 area.
  • Area PP is connected to area V4.
  • the synaptic connections 20 between the areas simulated in the model reflect that
  • the activities of the neural pools are modeled using the mean field approximation.
  • Many areas of the brain organize groups of neurons with similar properties in columns or field assemblies, such as orientation columns, in the primary visual cortex and in the somatosensory cortex.
  • These groups of neurons, the pools are composed of a large and homogeneous population of neurons that receive a similar external input, are mutually coupled, and are likely to function together as a unit.
  • These pools can form a more robust processing and coding unit because their current population mean response, in contrast to the time average of a relatively stochastic neuron in a large time window, is better adapted to the analysis of rapid changes in the real world.
  • T refractory is the dead time of a neuron after sending out a
  • Pulses indicates (about 1 ms) and ⁇ the latency of the membrane of the neuron, ie the time between an external input and the complete polarization of the membrane (Usher, M. and Niebur, E .: “Modeling the temporal dynamics of IT neurons in visual search: A mechanism of top-down selective attention ", Journal of Cognitive Neuroscience, pages 311-327 (1996)).
  • is 7 ms.
  • the immediately recorded images are encoded in a gray value image which is described by an nxn matrix T "" 8 .
  • a non-square matrix is also possible.
  • the indices i and j denote the spatial one Position of the pixel.
  • the gray value T TM 8 within each pixel is preferably encoded by 8 bits. Bit value 0 corresponds to black and bit value 255 corresponds to white.
  • the nxn image matrix T y is obtained by subtracting the mean:
  • features are extracted from the image by the pools in area V4 in such a way that the pools carry out a Gabor wavelet transformation of the image, more precisely that the activity of the pools corresponds to the coefficients of a Gabor wavelet transformation ,
  • the functions G kqpl used for the Gabor wavelet transformation are functions of the location x and y or of the discrete ones
  • G kpql (x, y) a- k ⁇ ⁇ (a ⁇ k (x - 2p) - a- k (y - 2q))
  • k corresponds to the size of the feature, expressed by the octave k, ie the spatial frequency, determined by 2 A k times the basic frequency, which is scaled by the parameter a;
  • the value 2 is usually chosen for a.
  • ⁇ 0 ⁇ / L, i.e. the orientation resolution. Values from 2 to 10 are preferably chosen for L.
  • the activity l pql of a pool in area V4 which responds to the spatial frequency at the octave k, the spatial orientation with the index 1 and an incentive whose center is determined by p and q, is stimulated by
  • this corresponds to the coefficients of the Gabor wavelet transformation.
  • the respective behavior of the pools is determined by previous training (see below).
  • Equation (10) The third term on the right-hand side of equation (10), bE (/ 4 ' 7 ), describes the above-mentioned inhibitory effect of the inhibitory pool 22, which is described in more detail below.
  • the parameter b on the right side of equation (10) scales the strength of the inhibition. A typical value for b is 0.8.
  • I p V q PP r describes the attention control for a feature with the spatial position corresponding to p and q, ie the emphasis on the "where" question, as explained in more detail below becomes.
  • inhibitory pool 22 Effect of inhibitory pool 22 on area V4.
  • the pools 24 within an area are in competition with one another, which is conveyed by an inhibitory pool 22, which receives the exciting input 27 from all excitable pools 24 and directs a uniform inhibitory feedback 28 to all excitable pools 24.
  • This inhibiting feed-back 28 has a stronger effect on less active pools than on more active ones. This allows more active pools to prevail over less active pools.
  • bias an external input current 30 (bias) is shown in Fig. 4, which can excite one or more pools.
  • the exact function of the bias 30 is described below in connection with equation (15).
  • the first term on the right side of equation (11) again describes the decay of the inhibitory pool 22.
  • the second term describes the input current from V4 into the inhibitory pool 22 belonging to V4 with the index k, scaled by the parameter c.
  • a typical value for c is 0.1.
  • the third term represents a self-locking of the inhibitory pool 22 belonging to V4 with the index k.
  • a typical value for d is 0.1.
  • equation (11) already described. There is only one uniform inhibitory effect for the PP area.
  • equation (15) again describes the attention-controlling feedback from V4 to PP and is given by
  • the fifth term 1 u on the right-hand side of equation (15) is an external top-down bias that draws attention to a specific location (i, j). This is represented by arrow 30 in FIG. 4. If the bias is preset, an object is expected at the preset location. A typical value for this external bias is 0.07 for the expected location and 0 for all other locations.
  • I kp ⁇ , IT describes - as mentioned - the attention control in V4 for certain patterns from IT, ie the emphasis on the "what" question. Attention control takes place by feedback of an activity i 'of the pools, which stand for pattern c, from the area IT to associated pools in area V4. This feedback is modeled by
  • I C JT is the activity of a pool, which stands for pattern c, in the IT area.
  • the temporal development of I 1 follows the differential equation:
  • the weights w ck the synaptic connections between V4 and IT are through Hebbian learning (Hebbian Training) (Deco, G. and Obradovic, D.: "An Information-theoretical Approach to Neurocomputing", Springer Verlag (1996)) with known objects educated. To put it simply, pattern c is presented to the neural network one after the other and the weights w ckpql are varied until the grandmother pools c recognize pattern c in IT, ie show maximum activity. In a first approximation, the weights w ckpql result from the above-described Gabor wavelet transformation of the pattern c stored in IT.
  • simulations can be carried out with the neural network.
  • the evaluation of an fMRI image is basically an inverse problem: the cause (the activity of certain areas) should be used to determine the cause. Due to the complexity of the networking, the effect cannot be deductively deduced from the cause. It is only possible to reproduce the effects by varying a variety of causes.
  • the effect of such assumptions on the neural network is calculated by solving the differential equations given above and compared with the measured fMRI images.
  • the system of the given differential equations is highly parallel. It consists of approximately 1.2 million coupled differential equations. These are solved numerically, preferably by discretization with the aid of the Eu-1 or Runge-Kutta method.
  • the time increment chosen is preferably 1 ms, ie approximately T refraclo ⁇ y according to equation (2).
  • Ungerleider, L. "Mechanisms of directed attention in the human extrastriate cortex as revealed by functional MRI”; Science 282 (1998) 108-111. Kaster, S .; Pinsk, M .; De Weerd, P .; Desimone, R. and Ungerleider, L.: "Increased activity in human visual cortex during directed attention in the absence of visual stimulation”; Neuron 22 (1999) 751-761.). The dynamics of the activity of the pools in V4 with significant changes on the scale below one second could be tracked. Likewise, attention control through expectation and the inhibitory effect of simultaneous or neighboring stimuli.
  • Visual neglect is the fading out of half of the visual field from the

Abstract

The invention relates to a method for evaluating an image (fMRI-image) of the brain obtained by means of functional magnetic resonance tomography. According to said method, a neuronal network is used to simulate the activities of the brain. Supposed disorders of the brain are simulated in the neuronal network (disturbed neuronal network). The activities determined in the disturbed neuronal network are compared with the activities observed in the fMRI image. The loss of function of any substructures of the brain can be artificially simulated in the model and its effect on the complex synergy of the areas of the brain can be quantified. The comparison with the fMRI image or fMRI activity pattern relating to the patient enables the cause of the disorders to be localised, thus leading to a successful diagnosis.

Description

Beschreibungdescription
Auswerten von mittels funktionaler Magnet-Resonanz-Tomographie gewonnenen Bildern des GehirnsEvaluation of images of the brain obtained using functional magnetic resonance tomography
Dank der rasanten Entwicklung im Bereich der funktionellen Kernspintomographie (functional Magnetic Resonance Imaging, kurz fMRI, oder functional Magnetic Resonance Tomography, kurz fMRT) gelingt es in zunehmendem Maße, die Verteilung der Hirnaktivität von Patienten während der Lösung von komplexen Wahrnehmungs- und Planungs- sowie von motorischen Aufgaben aufzunehmen.Thanks to the rapid development in the field of functional magnetic resonance imaging (functional magnetic resonance imaging, fMRI for short, or functional magnetic resonance tomography, fMRI for short), it is increasingly possible to distribute the brain activity of patients while solving complex perception and planning as well as of motor tasks.
Die enormen Möglichkeiten dieser Technologie stehen jedoch noch immer im Widerspruch zu ihrem derzeitigen Nutzen für die Befundung und Diagnostik in der Neurologie und Neurochirurgie.However, the enormous possibilities of this technology still conflict with its current use for diagnosis and diagnosis in neurology and neurosurgery.
Die Hauptursache dieser Diskrepanz liegt in der Komplexität des Gehirns begründet: Allein die menschliche Großhirnrinde lässt sich in etwa 200 funktionale Einheiten, die Gehirnareale, einteilen, zwischen denen etwa 10.000 rückgekoppelte, dichte Vernetzungspfade - bestehen. Die Vernetzungspfade bestehen jeweils aus mehreren synaptischen Verbindungen, also Ner- vensträngen.The main reason for this discrepancy lies in the complexity of the brain: The human cerebral cortex alone can be divided into around 200 functional units, the brain areas, between which there are around 10,000 closed, dense network paths. The network paths each consist of several synaptic connections, ie nerve strands.
Als Folge dieses komplexen Aufbaus sowie der verteilt- parallelen Signalverarbeitung im Gehirn lassen sich Fehlfunktionen nur in sehr seltenen Fällen deutlich an einer Aktivi- tätsänderung im fMRI-Bild — etwa in einem Areal — ablesen.As a result of this complex structure and the distributed-parallel signal processing in the brain, malfunctions can only be clearly seen in very rare cases by a change in activity in the fMRI image - for example in an area.
Vielmehr äußern sich zerebrale Funktionsstörungen in der Regel in einem, verglichen mit dem gesunden Menschen, geänderten Zusammenspiel der Areale, das wiederum auf komplexe Weise den Aktivitätszustand des gesamten Gehirns modifiziert.Rather, cerebral dysfunction usually manifests itself in a change in the interaction of the areas compared to healthy people, which in turn modifies the activity state of the entire brain in a complex manner.
Es ergibt sich für den Arzt das hochgradig nichttriviale und bislang bis auf wenige Spezialfälle ungelöste Problem, aus den gemessenen komplexen Auffälligkeiten im fMRI-Bild die eigentliche Ursache der zerebralen Störung zu ermitteln.For the doctor, this results in the highly non-trivial problem that has so far been solved with the exception of a few special cases the measured complex abnormalities in the fMRI image to determine the actual cause of the cerebral disorder.
Aufgabe der Erfindung ist es, fMRI-Bilder stärker für die Di- agnose nutzbar zu machen.The object of the invention is to make fMRI images more usable for diagnosis.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is achieved by the inventions according to the independent claims. Advantageous developments of the inventions are characterized in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Auswerten eines mittels funktionaler Magnet-Resonanz-Tomographie gewonnenen Bilds (fMRI-Bild) des Gehirns angegeben. Es wird ein neuronales Netz zur Simulation der Aktivitäten des Gehirns verwen- det. Vermutete Störungen im Gehirn werden im neuronalen Netz simuliert (gestörtes neuronales Netz) . Die ermittelten Aktivitäten im gestörten neuronalen Netz werden mit den im fMRI- Bild beobachteten Aktivitäten verglichen. Aus dem Vergleich wird auf Störungen im Gehirn geschlossen.According to the invention, a method for evaluating an image (fMRI image) of the brain obtained by means of functional magnetic resonance tomography is specified. A neural network is used to simulate the activities of the brain. Suspected disturbances in the brain are simulated in the neural network (disturbed neural network). The determined activities in the disturbed neural network are compared with the activities observed in the fMRI image. Brain disorders are deduced from the comparison.
Die möglichen Störungsursachen lassen sich in mehrere Klassen unterteilen:The possible causes of malfunction can be divided into several classes:
(a) Ausfälle oder Teilausfälle in einem Areal.(a) Failures or partial failures in an area.
(b) Vollständiger Ausfall eines oder mehrerer Verbindungs- pfade zwischen zwei oder mehreren Arealen.(b) Complete failure of one or more connection paths between two or more areas.
(c) Ausfälle auf zellulärer Ebene, die beispielsweise eine veränderte Kurzzeitdynamik der Nervenzellpopulationen, z. B. innerhalb eines Areals, zur Folge haben.(c) Failures at the cellular level, which, for example, change the short-term dynamics of the nerve cell populations, e.g. B. within an area.
Nur die erste Klasse (a) von Störungsursachen ist überhaupt im fMRI-Bild direkt auszumachen. Die Auswirkungen dieser Störungen auf andere Areale sind jedoch aufgrund der dichten Vernetzung komplex und bedürfen der Quantifizierung.Only the first class (a) of causes of malfunction can be identified directly in the fMRI image. However, the effects of these disturbances on other areas are complex due to the dense network and require quantification.
Die anderen beiden Klassen von Störungsursachen, (b) und (c) , können sich sehr versteckt auswirken. Beispielsweise folgt aus der dichten Vernetzung der Gehirnareale, dass die voll- ständige Unterbrechung der Verbindung zwischen zwei Arealen nicht nur Auswirkungen auf die beiden betroffenen Areale hat. Die Unterbrechung der Verbindung ändert insgesamt die Signalausbreitung durch das Gehirn und bewirkt damit indirekt Stö- rungen anderer, von den betrachteten Arealen scheinbar unabhängiger Gehirnfunktionen.The other two classes of fault causes, (b) and (c), can have a very hidden effect. For example, the dense networking of the brain areas means that the fully constant interruption of the connection between two areas does not only affect the two affected areas. The interruption of the connection changes the overall signal propagation through the brain and thus indirectly causes disturbances in other brain functions that appear to be independent of the areas under consideration.
Erfindungsgemäß wird dem Arzt ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, mit dessen Hilfe das komplexe Zusammenspiel mehrerer Gehirnareale während der Lösung definierter Aufgaben durch das Gehirn simuliert werden kann. Der Simulator basiert auf der Simulation der Dynamik von gekoppelten Populationen von Neuronen, also auf einem neuronalen Netz. Die Dynamik simuliert den Zeitverlauf der Aktivitäten der Neuronen.According to the invention, the doctor is provided with a tool with the aid of which the complex interaction of several brain areas can be simulated by the brain while solving defined tasks. The simulator is based on the simulation of the dynamics of coupled populations of neurons, i.e. on a neural network. The dynamics simulate the time course of the activities of the neurons.
Der Ausfall beliebiger Substrukturen im Gehirn kann künstlich im Modell simuliert und seine Auswirkung auf das komplexe Zusammenspiel der Areale des Gehirns quantifiziert werden. Der Vergleich mit dem am Patienten gemessenen fMRI-Bild bzw. - Aktivitätsmuster führt zur Lokalisation der Störungsursache und damit zur erfolgreichen Diagnose. Es wird somit ein quantitativer Zusammenhang hergestellt zwischen der gemessenen räumlichen Verteilung der Hirnaktivität einerseits und dem medizinisch relevanten funktioneilen Hirnzustand anderer- seits.The failure of any substructure in the brain can be artificially simulated in the model and its impact on the complex interplay of the areas of the brain can be quantified. The comparison with the fMRI image or activity pattern measured on the patient leads to the localization of the cause of the fault and thus to a successful diagnosis. A quantitative relationship is thus established between the measured spatial distribution of brain activity on the one hand and the medically relevant functional brain state on the other.
Neben einer Simulierung des Gehirns auf der Basis einer Vielzahl einzelner Neuronen kann das neuronale Netz auch eine Struktur aufweisen, die sich an die Struktur des Gehirns in seiner Aufteilung in Areale und deren Verbindungen anlehnt. Dies führt einerseits zu einer Reduktion der Komplexität des neuronalen Netzes. Andererseits entspricht das neuronale Netz in seiner Struktur damit der Struktur des Gehirns.In addition to simulating the brain on the basis of a large number of individual neurons, the neural network can also have a structure that is based on the structure of the brain in its division into areas and their connections. On the one hand, this leads to a reduction in the complexity of the neural network. On the other hand, the structure of the neural network corresponds to that of the brain.
Vorteilhafterweise wird daher ein Neurosimulator der dritten Generation (Neurokognition) zur quantitativen Interpretation und damit Befundung von fMRI-Bildern herangezogen. Als Neuro- Simulatoren der ersten Generation werden Modelle von Netzen von Neuronen auf mehr oder weniger statischer Basis bezeichnet, die klassischen neuronalen Netze. Als Neurosimulatoren der zweiten Generation werden Modelle des dynamischen Verhaltens der Neuronen, insbesondere der von ihnen erzeugten Pulse, bezeichnet. Als Neurosimulatoren der dritten Generation bezeichnet man schließlich hierarchische Modelle der Organisation der Neuronen in Pools und der Pools in Areale. Dabei umfasst ein Pool Tausende von Neuronen.A third-generation neurosimulator (neurocognition) is therefore advantageously used for the quantitative interpretation and thus diagnosis of fMRI images. As a neuro- First generation simulators are called models of networks of neurons on a more or less static basis, the classic neural networks. Second generation neurosimulators are models of the dynamic behavior of the neurons, in particular the pulses they generate. Third-generation neurosimulators are hierarchical models of the organization of neurons in pools and pools in areas. A pool contains thousands of neurons.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Auswerte-Tool in die Bediensoftware eines Computers integriert werden, der einen fMRI-Tomographen steuert, integriert werden, oder in Form eines eigenständigen Diagnose-Unterstützungsgeräts arbeiten.The method according to the invention can be integrated as an evaluation tool in the operating software of a computer which controls an fMRI tomograph, can be integrated, or can work in the form of an independent diagnostic support device.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Computerprogramm gelöst, das bei Ablauf auf einem Computer das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, sowie durch ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle erfindungsgemäßen Schritte durch- zuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.The object is further achieved by a computer program which executes the method according to the invention when it is running on a computer, and by a computer program with program code means to carry out all of the steps according to the invention when the program is executed on a computer.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Computerprogramm mit den genannten Programmcode-Mitteln gelöst, die auf einem compu- terlesbaren Datenträger gespeichert sind. Ferner durch einFurthermore, the object is achieved by a computer program with the program code means mentioned, which are stored on a computer-readable data carrier. Furthermore by a
Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um alle erfindungsgemäßen Schritte durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird. Schließlich durch einen Datenträ- ger, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Hauptspeicher eines Computers das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.Computer program product with program code means stored on a machine-readable carrier in order to carry out all the steps according to the invention when the program is executed on a computer. Finally, through a data carrier on which a data structure is stored, which executes the method according to the invention after loading into a main memory of a computer.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dar- gestellt sind. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche Elemente. Im Einzelnen zeigt:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments which are shown schematically in the figures. are posed. The same reference numbers in the individual figures denote the same elements. In detail shows:
Fig . 1 ein Beispiel eines fMRI-Bildes;Fig. 1 shows an example of an fMRI image;
Fig . 2 vereinfacht die wesentlichen Areale des visuellen Cortex des Gehirns;Fig. 2 simplifies the essential areas of the visual cortex of the brain;
Fig . 3 eine abstrakte Wiedergabe der Areale des Gehirns und ihrer synaptischen Verbindungen; undFig. 3 an abstract representation of the areas of the brain and their synaptic connections; and
Fig . 4 schematisch die Wechselwirkung zwischen einem Areal und einem zugehörigen inhibitorischen Pool.Fig. 4 schematically shows the interaction between an area and an associated inhibitory pool.
Im Folgenden wird die Arbeitsweise neurokognitiver Modellierung am Beispiel visueller Aufmerksamkeitsphänomene beschrie- ben.In the following, the working method of neurocognitive modeling is described using the example of visual attention phenomena.
Zunächst müssen fMRI-Bilder der Aktivitätsverteilung im Gehirn aufgenommen werden. Mit der Positronen-Emissions- Tomographie (PET) , einem Verfahren das Stoffwechsel- und Durchblutungsänderungen im Gehirn mit Hilfe radioaktiv markierter Substanzen darstellen kann, konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung bestimmter Hirnareale zu einer lokalen Steigerung der Durchblutung und des Sauerstoffverbrauchs der Nervenzellen führt (Fox PT, Raichle ME: "Focal physiological uncoupling of cerebral blood flow and oxydative metabolism during somatosensory Stimulation in human subjects" Procee- dings of the National Academy of Science of the USA, 1986, Band 83, Seiten 1140-1144) . Die hierfür notwendige Zufuhr von sauerstoffreichem, arteriellem Blut wird dadurch lokal ge- steigert. Normalerweise steigt die Durchblutung jedoch überproportional zum Sauerstoffverbrauch an, so dass ein Über- schuss an oxygeniertem Hämoglobin im venösen Abflussgebiet resultiert .First, fMRI images of the activity distribution in the brain must be taken. Using positron emission tomography (PET), a procedure that can show metabolic and blood flow changes in the brain with the help of radioactively labeled substances, it could be shown that the activation of certain brain areas leads to a local increase in the blood flow and oxygen consumption of the nerve cells ( Fox PT, Raichle ME: "Focal physiological uncoupling of cerebral blood flow and oxidative metabolism during somatosensory stimulation in human subjects" Procedures of the National Academy of Science of the USA, 1986, volume 83, pages 1140-1144). The supply of oxygen-rich arterial blood necessary for this is locally increased. Normally, however, the blood flow increases disproportionately to the oxygen consumption, so that an excess of oxygenated hemoglobin results in the venous drainage area.
Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) nutzt die Tatsache, dass der Sauerstoffgehalt des Blutes dessen magnetische Eigenschaften beeinflusst und so zu einer unterschied- liehen Signalgebung in der Magnetresonanztomographie führt. Da sich die magnetischen Eigenschaften und damit die Signal- gebung des Blutes mit dem Gehalt an oxygeniertem bzw. deoxy- genierte Hämoglobin ändern, verhält sich Blut in der funkti- onellen Magnetresonanztomographie wie ein (endogenes) Kontrastmittel. Bei einem hohen Anteil an deoxygeniertem Hämoglobin wird aufgrund seiner paramagnetischen Eigenschaften in der Umgebung der Gefäße ein lokaler Magnetfeldgradient induziert, der bei geeigneter Auswahl der MRT-Messsequenz (z. B. Gradientenechosequenz oder entsprechende Echo-Planar-Imaging- Sequenz) zu einer lokalen Signalminderung führt. Steigt der Anteil von oxygeniertem Hämoglobin im Blut an, nimmt der sog. Suszeptibilitätseffekt ab. Dies führt zu einem Anstieg des Messsignals. Dieser Zusammenhang wird als BOLD-Kontrast (blood oxygen level dependent contrast) bezeichnet. Mit zunehmender Feldstärke des Magnetresonanz-Tomographen nimmt dieser Effekt zu [Ogawa S, Lee TM, Nayak AS, Glynn P: "Oxyge- nation-sensitive contrast in magnetic resonance image of ro- dent brain at high magnetic flields." Magnetic Resonance Me- dicine, 1990, Band 14, Seiten 68- 78], so dass für die funktionelle MRT (fMRT) Geräte ab einer Magnetfeldstärke von 1,5 Tesla zum Einsatz kommen.Functional magnetic resonance imaging (fMRI) takes advantage of the fact that the oxygen content of the blood influences its magnetic properties and thus leads to a different borrowed signaling in magnetic resonance imaging leads. Since the magnetic properties and thus the signaling of the blood change with the content of oxygenated or deoxygenated hemoglobin, blood behaves like a (endogenous) contrast medium in functional magnetic resonance imaging. With a high proportion of deoxygenated hemoglobin, a local magnetic field gradient is induced due to its paramagnetic properties in the vicinity of the vessels, which, with a suitable selection of the MRI measurement sequence (e.g. gradient echo sequence or corresponding echo planar imaging sequence), leads to a local signal reduction leads. If the proportion of oxygenated hemoglobin in the blood increases, the so-called susceptibility effect decreases. This leads to an increase in the measurement signal. This relationship is called BOLD contrast (blood oxygen level dependent contrast). With increasing field strength of the magnetic resonance tomograph, this effect increases [Ogawa S, Lee TM, Nayak AS, Glynn P: "Oxygenation-sensitive contrast in magnetic resonance image of circular brain at high magnetic flields." Magnetic Resonance Medicine, 1990, Volume 14, pages 68-78], so that devices with a magnetic field strength of 1.5 Tesla or more are used for functional MRI (fMRI).
Die lokalen Veränderungen des Sauerstoffgehalts im Blut wäh- rend Aktivierungsvorgängen können mittels fMRI mit hoher räumlicher Auflösung dargestellt und exakt den individuellen anatomischen Strukturen des Gehirns zugeordnet werden.The local changes in the oxygen content in the blood during activation processes can be displayed with high spatial resolution using fMRI and precisely assigned to the individual anatomical structures of the brain.
Es kann also mittels fMRI ermittelt werden, welche Hirnareale zu einem gegebenen Zeitpunkt bzw. während einer Tätigkeit aktiv sind und welche nicht, bzw. zu welchem Grade einzelne Gehirnareale aktiv sind.Using fMRI, it can thus be determined which areas of the brain are active at a given point in time or during an activity and which are not, or to what degree individual areas of the brain are active.
Ein schematisches Beispiel einer fMRI-Aufnähme ist in Fig. 1 zu sehen. Fig. 1 zeigt eine Ansicht der linken Gehirnhälfte 10 mit angedeuteten Gehirnlappen. Gezeigt ist eine Aufnahme eines Patienten, der vor die Aufgabe gestellt wurde, den Ort eines Punktes in einem Bild zu finden. Bei der Lösung dieser Aufgabe werden schraffiert dargestellte Gehirnareale 12 aktiviert, die auf dem fMRI-Bild sichtbar sind.A schematic example of an fMRI recording can be seen in FIG. 1. 1 shows a view of the left hemisphere 10 with indicated brain lobes. Shown is a picture of a patient who was given the task, the location to find a point in an image. When solving this task, hatched brain areas 12 are activated, which are visible on the fMRI image.
Das Ziel der Modellierungen ist ein detailliertes neuronales Netzwerkmodell der Areale des Gehirns, das die realen Gegebenheiten im Gehirn bei Aktivierungsprozessen widerspiegelt, insbesondere hinsichtlich der visuellen Aufmerksamkeitsteuerung, und damit eine Erklärung dieser Leistungen durch phy- siologische Mechanismen liefert.The aim of the modeling is a detailed neural network model of the areas of the brain, which reflects the real conditions in the brain during activation processes, especially with regard to visual attention control, and thus provides an explanation of these services through physiological mechanisms.
Bei klassischen Modellen der Bildverarbeitung, etwa der digitalen Bildverarbeitung, wird ein aufgenommenes Bild im Wege eines so genannten bottom-up-approachs in sukzessiv höheren Ebenen der Verarbeitung analysiert.In classic models of image processing, such as digital image processing, a captured image is analyzed by means of a so-called bottom-up approach in successively higher levels of processing.
Im Gegensatz zu diesen klassischen Modellen der Bildverarbeitung hat sich gezeigt, dass ein so genannter top-down- approach die realen Gegebenheiten des visuellen Cortex besser widerspiegelt. Bei dem top-down-approach werden Zwischenergebnisse auf einer höheren Verarbeitungsebene im Wege der Rückkopplung dazu genutzt, tiefere Verarbeitungsebenen sinnvoll erneut auszuwerten. Wichtig ist das Moment der Rückkopplung zwischen den einzelnen Ebenen. Im weiter unten konkret zu schildernden Modell wird diese Rückkopplung durch die Wechselwirkung der einzelnen Areale realisiert.In contrast to these classic models of image processing, it has been shown that a so-called top-down approach better reflects the realities of the visual cortex. In the top-down approach, intermediate results at a higher processing level are used by feedback to meaningfully reevaluate lower processing levels. What is important is the moment of feedback between the individual levels. In the model to be described in more detail below, this feedback is realized by the interaction of the individual areas.
Die Rückkopplung führt zu einer Verschiebung des Gleichgewichts im Aufmerksamkeits-Wettbewerb der einzelnen Neuronen bzw. Gruppen von Neuronen. Es kommt so zu einem ungleichenThe feedback leads to a shift in the balance in the attention competition of the individual neurons or groups of neurons. This leads to an uneven situation
Wettbewerb um die Aufmerksamkeit ("biased competition") . Erst eine erhöhte Aufmerksamkeit für einen bestimmten räumlichen Bereich oder ein Merkmal und eine damit einhergehende Vernachlässigung der sonstigen Merkmale oder räumlichen Bereiche ermöglicht eine Reduzierung der Datenmenge eines Bildes und damit eine gezielte Wahrnehmung einzelner Objekte. Bei der Suche nach einem Merkmal in einem Bild, z. B. des Eiffelturms von Paris, würde in klassischer Bildverarbeitung zwischen zwei Fragen unterschieden:Competition for attention ("biased competition"). Only increased attention to a certain spatial area or a characteristic and an associated neglect of the other characteristics or spatial areas enables a reduction in the amount of data in an image and thus a targeted perception of individual objects. When looking for a feature in an image, e.g. B. the Eiffel Tower of Paris, would be differentiated in classic image processing between two questions:
- Wo ist der Eiffelturm? Dies ist eine so genannte "where"- Frage. Sie sucht den Ort des bekannten Merkmals in Bild- Where's the Eiffel Tower? This is a so-called "where" question. It looks for the location of the known feature in picture
(Suche) .(Search).
- Die zweite Frage lautet: Welches Objekt ist in der Mitte des Bildes zu sehen? Also eine so genannte "what"-Frage, die Frage nach der Erkennung eines Objekts am vorgegebenen Ort (Objekterkennung) .- The second question is: Which object can be seen in the middle of the picture? So a so-called "what" question, the question of recognizing an object at the specified location (object recognition).
Die "where"-Frage wird klassischerweise beantwortet, indem das gesamte Bild mit Hilfe eines vorgegebenen Aufmerksamkeitsfensters abgesucht wird. Die "what"-Frage wird beantwor- tet, indem die bekannten Muster mit dem vorgegebenen Bildausschnitt verglichen werden oder indem der vorgegebene Bildausschnitt nach Merkmalen abgesucht wird, auf die die Aufmerksamkeit konzentriert wird, um die Bildmerkmale zu erkennen.The "where" question is traditionally answered by searching the entire image using a given attention window. The "what" question is answered by comparing the known patterns with the predefined image section or by searching the predefined image section for features on which attention is concentrated in order to recognize the image features.
Bei dem neuen top-down-approach wird das gesamte Bild parallel verarbeitet. Die gesuchten Merkmale emergieren im Laufe der Verarbeitung, d. h. sie stechen nach einer Weile hervor, indem z. B. diejenigen "Großmutter-Pools" (siehe unten) aktiv werden, die den Wettbewerb zwischen den einzelnen Pools bzw. Merkmalen gewonnen haben. Die "what"- und die "where"-Frage werden mit ein und demselben Modell beantwortet. Lediglich der so genannte Input-Bias (siehe unten) wird verändert, d. h die Aufmerksamkeit wird in Richtung von "what" oder "where" verschoben. Es wird mittels des Bias eine Erwartungshaltung erzeugt.With the new top-down approach, the entire image is processed in parallel. The searched features emerge in the course of processing, i. H. after a while they stand out, e.g. For example, those "grandmother pools" (see below) that have won the competition between the individual pools or characteristics can become active. The "what" and "where" questions are answered using the same model. Only the so-called input bias (see below) is changed, i. h attention is shifted towards "what" or "where". An expectation is generated by means of the bias.
Für die Modellierung dieses top-down-approachs wird ein so genannter Neurosimulator der dritten Generation verwendet. Als Neurosimulatoren der dritten Generation bezeichnet man hierarchische Modelle der Organisation der Neuronen in Pools und der Pools in Areale, entsprechend den Arealen des Gehirns, wie es im Folgenden am Beispiel des visuellen Cortex beschrieben wird. Dabei umfasst ein Pool Tausende von Neuronen.A so-called third-generation neurosimulator is used to model this top-down approach. Third generation neurosimulators are hierarchical models of the organization of neurons in pools and pools in areas, corresponding to the areas of the brain, as described below using the example of the visual cortex is described. A pool contains thousands of neurons.
Fig. 2 zeigt vereinfacht die wesentlichen Areale des visuellen Cortex des Gehirns 10. Abgebildet ist das Großhirn 16 und das Kleinhirn 18. Im Großhirn 16 finden sich im visuellen Cortex neben anderen die dargestellten und weiter unten genauer erklärten Areale VI, V4, PP und IT. Zwischen diesen A- realen bestehen vielsträngige synaptische Verbindungen 20.2 shows in simplified form the essential areas of the visual cortex of the brain 10. The cerebrum 16 and the cerebellum 18 are shown. The cerebrum 16 contains, among others, the areas VI, V4, PP and IT shown and explained in more detail below in the visual cortex , There are many-stranded synaptic connections 20 between these reales.
Der Aufbau des mathematischen Modells wird nun im Detail mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben, die eine abstrakte Wiedergabe der Verhältnisse im Gehirn darstellt.The structure of the mathematical model will now be described in detail with reference to FIG. 3, which represents an abstract representation of the conditions in the brain.
Das Areal IT (inferotemporal) dient zur Bilderkennung bzw.The IT area (inferotemporal) is used for image recognition or
Objekterkennung innerhalb eines Bildes ("what"-Frage) . In ihm sind Bildmuster gespeichert, die Repräsentationen von Objekten der sichtbaren Welt entsprechen können. Beispielhaft gezeigt sind zwei Muster, Backsteine bzw. Waben. Ein Muster ist erkannt, wenn ein dem Muster zugeordnetes sog. "Großmutter- Neuron" maximal aktiv wird. Die Fähigkeit des "Großmutter- Neurons", ein bestimmtes Muster zu erkennen, wird durch Training erworben. Im vorliegenden Modell wird zur Mustererkennung nicht mit "Großmutter-Neuronen" gearbeitet, sondern mit der kleinsten Einheit des Modells: dem Pool. Ein Muster wird also von einem "Großmutter-Pool" erkannt, wenn der entsprechende Großmutter-Pool maximal aktiv ist. Dementsprechend enthält das Areal IT im vorliegenden Modell ebenso viele Pools wie es zu erkennende Muster bzw. Objekte gibt.Object recognition within an image ("what" question). It stores image patterns that can correspond to representations of objects in the visible world. Two patterns, bricks and honeycombs are shown as examples. A pattern is recognized when a so-called "grandmother neuron" assigned to the pattern becomes maximally active. The ability of the "grandmother neuron" to recognize a certain pattern is acquired through training. In the model at hand, the pattern recognition does not work with "grandmother neurons", but with the smallest unit of the model: the pool. A pattern is therefore recognized by a "grandmother pool" when the corresponding grandmother pool is active to the maximum. Accordingly, the IT area in the present model contains as many pools as there are patterns or objects to be recognized.
Das Areal PP (posterior parietal) dient der örtlichen Lokalisierung von bekannten Mustern ("where"-Frage) . Das Areal PP enthält im vorliegenden Modell daher ebenso viele Pools 24 wie es Pixel im zu erkennenden Bild gibt. Die Konzentration neuronaler Aktivität in einer kleinen Anzahl benachbarter Pools in PP entspricht einer Lokalisierung des Objekts. Die Areale VI und V4 werden im vorliegenden Modell zu dem A- real V1-V4 zusammen gefasst, das auch mit V4 bezeichnet wird. Dieses Areal ist allgemein zuständig für die Extraktion von Merkmalen. Es enthält etwa 1 Mio. Pools 24, für jedes Merkmal ein Pool. Die Pools 24 sprechen auf einzelne Merkmale desThe area PP (posterior parietal) serves to localize known patterns ("where" question). The area PP in the present model therefore contains as many pools 24 as there are pixels in the image to be recognized. The concentration of neuronal activity in a small number of neighboring pools in PP corresponds to a localization of the object. The areas VI and V4 are combined in the present model to form the A-real V1-V4, which is also referred to as V4. This area is generally responsible for the extraction of features. It contains approximately 1 million pools 24, one pool for each characteristic. The pools 24 speak to individual features of the
Bildes an. Die Merkmale des Bildes ergeben sich aus einer Wa- velet-Transfomation des Bildes (siehe unten) . Ein Merkmal ist damit durch eine bestimmte Größe bzw. räumliche Frequenz, eine räumliche Orientierung und eine bestimmte Lage in x- und y-Richtung definiert (siehe unten) . Alle aufgenommenen Bilddaten gelangen zunächst in das Areal V1-V4.Picture. The characteristics of the image result from a Wavelet transformation of the image (see below). A characteristic is thus defined by a certain size or spatial frequency, a spatial orientation and a certain position in the x and y directions (see below). All captured image data initially go to area V1-V4.
Hinzu kommt zu jedem Areal mindestens ein inhibitorischer Pool (inhibitory Pool) 22, also ein Pool, der eine hemmende Wirkung auf die Aktivität anderer Pools ausübt. Die inhibitorischen Pools sind mit bidirektionalen Verbindungen 26 mit den anregbaren Pools 24 gekoppelt. Durch die inhibitorischen Pools 22 kommt es zu kompetitiver Interaktion bzw. Wettbewerb zwischen den Pools. Der Wettbewerb in V1-V4 wird mit Pools 24 durchgeführt, die sowohl Orts- als auch Objektinformationen kodieren. PP abstrahiert Ortsinformationen und vermittelt einen Wettbewerb auf der räumlichen Ebene. IT abstrahiert Informationen von Klassen von Objekten und vermittelt einen Wettbewerb auf der Ebene der Klassen von Objekten.In addition, for each area there is at least one inhibitory pool 22, that is to say a pool which has an inhibitory effect on the activity of other pools. The inhibitory pools are coupled to the stimulable pools 24 with bidirectional connections 26. The inhibitory pools 22 result in competitive interaction or competition between the pools. The competition in V1-V4 is carried out with pools 24, which encode both location and object information. PP abstracts location information and mediates a competition on the spatial level. IT abstracts information from classes of objects and mediates competition at the level of classes of objects.
Zwischen den Arealen bestehen synaptische Verbindungen 20, durch die die Pools 24 zu Aktivität angeregt werden können. Das Areal IT ist mit dem Areal V4 verbunden. Das Areal PP ist mit Areal V4 verbunden. Die im Modell simulierten synapti- sehen Verbindungen 20 zwischen den Arealen spiegeln denThere are synaptic connections 20 between the areas, through which the pools 24 can be stimulated to activity. The IT area is connected to the V4 area. Area PP is connected to area V4. The synaptic connections 20 between the areas simulated in the model reflect that
"what"- und den "where"-Pfad der visuellen Verarbeitung wieder. Der "what"-Pfad verbindet das Areal V4 mit dem Areal IT für die Objekterkennung. Der "where"-Pfad verbindet das Areal V4 mit dem Areal PP für die örtliche Lokalisierung. Die Area- le IT und PP sind untereinander nicht verbunden. Die synaptischen Verbindungen 20 sind stets bidirektional, d. h. die Daten aus V4 werden in PP oder IT weiter verarbeitet. Gleichzeitig werden aber auch Ergebnisse aus PP oder IT in V4 zurück gekoppelt, um den Wettbewerb um die Aufmerksamkeit zu steuern."what" - and the "where" path of visual processing again. The "what" path connects the V4 area with the IT area for object recognition. The "where" path connects the area V4 with the area PP for localization. The areas IT and PP are not interconnected. The synaptic connections 20 are always bidirectional, ie the data from V4 are further processed in PP or IT. At the same time, results from PP or IT in V4 are also coupled back in order to steer the competition for attention.
Die Aktivitäten der neuronalen Pools werden unter Verwendung der Mean-Field-Näherung modelliert. Viele Bereiche des Gehirns organisieren Gruppen von Neuronen mit ähnlichen Eigen- schaften in Spalten oder Feldzusammenstellungen, wie beispielsweise Orientierungsspalten, im primären visuellen Cortex und im somatosensorischen Cortex. Diese Gruppen von Neuronen, die Pools, sind aus einer großen und homogenen Population von Neuronen zusammengesetzt, die eine ähnliche externe Eingabe empfangen, gegenseitig verkoppelt sind und wahrscheinlich zusammen als eine Einheit fungieren. Diese Pools können eine robustere Verarbeitungs- und Kodierungseinheit bilden, weil ihre momentane Populationsmittelwertantwort, im Gegensatz zum zeitlichen Mittel eines relativ stochastischen Neurons in einem großen Zeitfenster, besser an die Analyse von schnellen Wechseln in der realen Welt angepasst ist.The activities of the neural pools are modeled using the mean field approximation. Many areas of the brain organize groups of neurons with similar properties in columns or field assemblies, such as orientation columns, in the primary visual cortex and in the somatosensory cortex. These groups of neurons, the pools, are composed of a large and homogeneous population of neurons that receive a similar external input, are mutually coupled, and are likely to function together as a unit. These pools can form a more robust processing and coding unit because their current population mean response, in contrast to the time average of a relatively stochastic neuron in a large time window, is better adapted to the analysis of rapid changes in the real world.
Die Aktivität der Pools der Neuronen wird mit Hilfe der Mean- Field-Näherung beschrieben. Dabei wird die Puls-Aktivität ei- nes Pools durch einen Ensemble-Mittelwert x der Pulsrate aller Neuronen des Pools ausgedrückt. Diese mittlere Aktivität x des Pools ergibt sich durch die Anregung der Neuronen des Pools durch einen Eingangs-Pulsstrom I allgemein aus:The activity of the pools of the neurons is described using the mean field approximation. The pulse activity of a pool is expressed by an ensemble mean x the pulse rate of all neurons in the pool. This average activity x of the pool generally results from the excitation of the pool's neurons by an input pulse current I:
Dabei ist F eine reelle Funktion. Für gepulste Neuronen vom Typ "integriere und feure" (integrate-and-fire) , die deterministisch auf den Eingangsstrom I reagiert, gilt in adiabati- scher Näherung (Usher, M. und Niebur, E.: "Modelling the temporal dynamics of IT neurons in Visual search: A mechanism of top-down selective attention" , Journal of Cognitive Neuros- cience, Seiten 311-327 ( 1996) ) :F is a real function. For pulsed neurons of the type "integrate and fire" (integrate-and-fire), which reacts deterministically to the input current I, the following applies in an adiabatic approximation (Usher, M. and Niebur, E .: "Modeling the temporal dynamics of IT neurons in Visual search: A mechanism of top-down selective attention ", Journal of Cognitive Neuroscience, pages 311-327 (1996)):
F(I(t)) = -F (I (t)) = -
Trefraclo - τlog(l — — ) τl(t) f (2) T refraclo - τlog (l - -) τl (t) f (2)
wobei Trefractory die Totzeit eines Neurons nach Aussenden eineswhere T refractory is the dead time of a neuron after sending out a
Pulses angibt (etwa 1 ms) und τ die Latenz der Membran des Neurons, also die Zeit zwischen einem externen Input und der vollständigen Polarisierung der Membran (Usher, M. und Nie- bur, E.: "Modelling the temporal dynamics of IT neurons in visual search: A mechanism of top-down selective attention", Journal of Cognitive Neuroscience, Seiten 311-327 (1996) ) . Ein typischer Wert für τ ist 7 ms.Pulses indicates (about 1 ms) and τ the latency of the membrane of the neuron, ie the time between an external input and the complete polarization of the membrane (Usher, M. and Niebur, E .: "Modeling the temporal dynamics of IT neurons in visual search: A mechanism of top-down selective attention ", Journal of Cognitive Neuroscience, pages 311-327 (1996)). A typical value for τ is 7 ms.
Die Aktivität eines isolierten Pools von Neuronen kann außer durch die mittlere Aktivität x auch durch die Stärke des zwischen den Neuronen fließenden Eingangsstroms I charakterisiert werden. Diese entwickelt sich zeitlich gemäß der folgenden Gleichung:The activity of an isolated pool of neurons can be characterized not only by the average activity x but also by the strength of the input current I flowing between the neurons. This develops over time according to the following equation:
τ^-I(t) = -I(t) + qF(I(t)) dt ■ (3)τ ^ -I (t) = -I (t) + qF (I (t)) dt ■ (3)
Dabei beschreibt der erste Term auf der rechten Seite das Abklingen der Aktivität und der zweite Term auf der rechten Seite die Selbsterregung zwischen den Neuronen innerhalb des Pools. Der zweite Term beschreibt die kooperative erregende Interaktion in dem Pool, q parametrisiert die Stärke der Selbsterregung. Ein typischer Wert für q ist 0,8.The first term on the right describes the decay of the activity and the second term on the right describes the self-excitation between the neurons within the pool. The second term describes the cooperative, exciting interaction in the pool, q parameterizes the strength of self-excitation. A typical value for q is 0.8.
Die unmittelbar aufgenommenen Bilder seien kodiert in einem Grauwertbild, das durch eine nxn-Matrix T""8 beschrieben wird. Eine nicht-quadratische Matrix ist ebenfalls möglich. Üblicherweise wird mit einer 64x64-Matrix gearbeitet, d. h. n = 64. Dabei bezeichnen die Indizes i und j die räumliche Position des Pixels. Der Grauwert T™8 innerhalb jedes Pixels ist vorzugsweise durch 8 Bit kodiert. Dabei entspricht der Bitwert 0 der Farbe Schwarz und der Bitwert 255 der Farbe Weiß.The immediately recorded images are encoded in a gray value image which is described by an nxn matrix T "" 8 . A non-square matrix is also possible. A 64x64 matrix is usually used, ie n = 64. The indices i and j denote the spatial one Position of the pixel. The gray value T ™ 8 within each pixel is preferably encoded by 8 bits. Bit value 0 corresponds to black and bit value 255 corresponds to white.
Im ersten Verarbeitungsschritt wird der konstante Anteil desIn the first processing step, the constant portion of the
Bildes subtrahiert. Dies erfolgt im Gehirn vermutlich im sog.Image subtracted. This probably takes place in the brain in the so-called
LGN (lateral geniculate nucleus) des Thalamus. Durch Subtraktion des Mittelwerts erhält man die nxn-Bildmatrix Ty :LGN (lateral geniculate nucleus) of the thalamus. The nxn image matrix T y is obtained by subtracting the mean:
1 n n y yorig _ ~' X"1 γ°rig1 nny yorig _ ~ 'X " 1 γ ° rig
U Ü 2 ____ £__ VU Ü 2 ____ £ __ V
'=1 . ( 4 )'= 1. (4)
Die Extraktion von Merkmalen aus dem Bild durch die Pools im Areal V4 erfolgt modellgemäß in der Weise, dass die Pools ei- ne Gabor-Wavelet-Transformation des Bildes durchführen, genauer, dass die Aktivität der Pools den Koeffizienten einer Gabor-Wavelet-Transformation entspricht .According to the model, features are extracted from the image by the pools in area V4 in such a way that the pools carry out a Gabor wavelet transformation of the image, more precisely that the activity of the pools corresponds to the coefficients of a Gabor wavelet transformation ,
Die für die Gabor-Wavelet-Transformation verwendeten Funktio- nen Gkqpl sind Funktionen des Ortes x und y bzw. der diskretenThe functions G kqpl used for the Gabor wavelet transformation are functions of the location x and y or of the discrete ones
Indizes i und j und sind definiert durchIndices i and j and are defined by
Gkpql (x, y) = a-kΨθι (a~k (x - 2p) - a-k(y - 2q))G kpql (x, y) = a- k Ψ θι (a ~ k (x - 2p) - a- k (y - 2q))
(5)(5)
wobeiin which
ψe, (*> y)= ψ(x cos(lθ0 ) + y sin(lθ0 ),~x sm(lθϋ ) + y cos(W0)) . ( 6) ψ e, (*> y) = ψ (x cos (lθ 0 ) + y sin (lθ 0 ), ~ x sm (lθ ϋ ) + y cos (W 0 )). (6)
Das Grund-Wavelet (x,y) ist definiert durch das Produkt einer elliptischen Gauß-Funktion und einer komplexen ebenen Welle:The basic wavelet (x, y) is defined by the product of an elliptic Gaussian function and a complex plane wave:
(7) Die Gabor-Wavelet-Funktionen besitzen somit vier Freiheitsgrade: k, 1, p und q.(7) The Gabor wavelet functions thus have four degrees of freedom: k, 1, p and q.
k entspricht der Größe des Merkmals, ausgedrückt durch die Oktave k, also die räumliche Frequenz, ermittelt durch das 2Ak-fache der Grundfrequenz, die durch den Parameter a skaliert wird; für a wird in der Regel der Wert 2 gewählt.k corresponds to the size of the feature, expressed by the octave k, ie the spatial frequency, determined by 2 A k times the basic frequency, which is scaled by the parameter a; The value 2 is usually chosen for a.
1 entspricht der Winkelorientierung, ausgedrückt durch Θ, = l - ΘQ . θ, ist also ein Vielfaches der Winkel-Schrittweite1 corresponds to the angular orientation, expressed by Θ, = l - Θ Q. θ is a multiple of the angular increment
Θ0 = π/L , also der Orientierungsauflösung. Für L werden vorzugsweise Werte von 2 bis 10 gewählt.Θ 0 = π / L, i.e. the orientation resolution. Values from 2 to 10 are preferably chosen for L.
p und q bestimmen die räumliche Lage des Mittelpunkts c der Funktion in x- und y-Richtung, ausgedrückt durchp and q determine the spatial position of the center point c of the function in the x and y directions, expressed by
Demnach wird die Aktivität lpql eines Pools im Areal V4, der auf die räumliche Frequenz bei der Oktave k, der räumlichen Orientierung mit dem Index 1 und auf einen Anreiz anspricht, dessen Zentrum durch p und q bestimmt ist, angeregt durchAccordingly, the activity l pql of a pool in area V4, which responds to the spatial frequency at the octave k, the spatial orientation with the index 1 and an incentive whose center is determined by p and q, is stimulated by
VA,E kpql mit :VA, E kpql with:
Dies entspricht modellgemäß eben den Koeffizienten der Gabor- Wavelet-Transformation. Das jeweilige Verhalten der Pools wird im Wege eines vorherigen Trainings festgelegt (siehe unten) .According to the model, this corresponds to the coefficients of the Gabor wavelet transformation. The respective behavior of the pools is determined by previous training (see below).
Betrachten wird nun die neurodynamischen Gleichungen, die die zeitliche Entwicklung des Systems bestimmen. Die Aktivität lpql eines Pools im Areal V4 mit Eigenschaften, die durch die oben beschriebenen Parameter k, p, q und 1 beschrieben werden, entwickelt sich in Weiterführung der Gleichung (3) durch die inhibitorischen und erregenden Eingangsströme in der Zeit gemäßWe now consider the neurodynamic equations that determine the temporal development of the system. The activity l pql of a pool in area V4 with properties that are described by the parameters k, p, q and 1 described above develops in a continuation of equation (3) due to the inhibitory and excitatory input currents over time
Die ersten beiden Terme auf der rechten Seite wurden weiter oben erläutert. Sie stellen das natürliche Abklingen der Aktivität bzw. die Selbsterregung innerhalb des Pools dar.The first two terms on the right were explained above. They represent the natural decay of activity or self-excitement within the pool.
Der dritte Term auf der rechten Seite der Gleichung (10) , bE(/ 4'7) , beschreibt die oben erwähnte inhibitorische Wirkung des inhibitorischen Pools 22, die weiter unten näher beschrieben wird. Der Parameter b auf der rechten Seite der Gleichung (10) skaliert die Stärke der Inhibition. Ein typischer Wert für b ist 0,8.The third term on the right-hand side of equation (10), bE (/ 4 ' 7 ), describes the above-mentioned inhibitory effect of the inhibitory pool 22, which is described in more detail below. The parameter b on the right side of equation (10) scales the strength of the inhibition. A typical value for b is 0.8.
Der vierte Term auf der rechten Seite der Gleichung (10), llpyf > beschreibt die Anregung durch das aufgenommene Bild gemäß der Gabor-Wavelet-Transformation nach Gleichung (9) .The fourth term on the right side of the equation (10), ll py f > describes the excitation by the recorded image according to the Gabor-Wavelet transformation according to equation (9).
Der fünfte Term auf der rechten Seite der Gleichung (10) , Ip V q PP r beschreibt die Aufmerksamkeitssteuerung für ein Merkmal mit der räumlichen Lage entsprechend p und q, also die Betonung der "where"-Frage, wie es weiter unten näher erläutert wird.The fifth term on the right-hand side of equation (10), I p V q PP r describes the attention control for a feature with the spatial position corresponding to p and q, ie the emphasis on the "where" question, as explained in more detail below becomes.
Der sechste Term auf der rechten Seite der Gleichung (10) , lp ~,'τ , beschreibt die Aufmerksamkeitssteuerung in V4 für bestimmte Muster aus IT, also die Betonung der "what"-Frage, wie es weiter unten näher erläutert wird.The sixth term on the right side of equation (10), l p ~ , ' τ , describes the attention control in V4 for certain patterns from IT, ie the emphasis on the "what" question, as will be explained in more detail below.
Der siebte Term auf der rechten Seite der Gleichung (10), I- , beschreibt eine diffuse spontane Hintergrundeingabe. Ein ty- pischer Werte für I0 ist 0,025. v steht für ein stochasti- sches Rauschen der Aktivität. Es ist für alle Pools als gleichstark angenommen. Ein typischer Mittelwert für v ist Null, bei einer Gaußschen Verteilung mit einer Standardabwei- chung von 0,01.The seventh term on the right side of equation (10), I-, describes a diffuse spontaneous background input. A ty- The typical value for I 0 is 0.025. v stands for a stochastic noise of the activity. It is assumed to be equally strong for all pools. A typical mean for v is zero, with a Gaussian distribution with a standard deviation of 0.01.
Der dritte Term auf der rechten Seite der Gleichung (10) , bFUζ4'1) , beschreibt, wie oben erwähnt, die inhibitorischeThe third term on the right side of equation (10), bFUζ 4 ' 1 ), as mentioned above, describes the inhibitory
Wirkung des inhibitorischen Pools 22 zum Areal V4. Im Folgen- den wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Die Pools 24 innerhalb eines Areals stehen im Wettbewerb zueinander, was durch einen inhibitorischen Pool 22 vermittelt wird, der die erregende Eingabe 27 von allen erregbaren Pools 24 empfängt und ein gleichförmiges hemmendes .Feed-Back 28 an alle erregbaren Pools 24 leitet. Dieses hemmende Feed-Back 28 wirkt auf weniger aktive Pools stärker als auf aktivere. Dadurch können sich stärker aktive Pools gegen schwächer aktive Pools durchsetzen.Effect of inhibitory pool 22 on area V4. In the following reference is made to FIG. 4. The pools 24 within an area are in competition with one another, which is conveyed by an inhibitory pool 22, which receives the exciting input 27 from all excitable pools 24 and directs a uniform inhibitory feedback 28 to all excitable pools 24. This inhibiting feed-back 28 has a stronger effect on less active pools than on more active ones. This allows more active pools to prevail over less active pools.
Zusätzlich ist in Fig. 4 ein externer Eingangsstrom 30 (Bias) gezeigt, der ein oder mehrere Pools anregen kann. Die genaue Funktion des Bias 30 wird weiter unten im Zusammenhang mit Gleichung (15) geschildert.In addition, an external input current 30 (bias) is shown in Fig. 4, which can excite one or more pools. The exact function of the bias 30 is described below in connection with equation (15).
Die Aktivitäten E 4' innerhalb des inhibitorischen Pools genügen der Gleichung:Activities E 4 'within the inhibitory pool satisfy the equation:
Der erste Term auf der rechten Seite der Gleichung (11) beschreibt wiederum das Abklingen des inhibitorischen Pools 22. Der zweite Term beschreibt den Eingangsstrom aus V4 in den zu V4 gehörigen inhibitorischen Pool 22 mit dem Index k, skaliert durch den Parameter c. Ein typischer Wert für c ist 0,1. Der dritte Term stellt eine Selbsthemmung des zu V4 gehörigen inhibitorischen Pools 22 mit dem Index k dar. Ein typischer Wert für d ist 0,1.The first term on the right side of equation (11) again describes the decay of the inhibitory pool 22. The second term describes the input current from V4 into the inhibitory pool 22 belonging to V4 with the index k, scaled by the parameter c. A typical value for c is 0.1. The third term represents a self-locking of the inhibitory pool 22 belonging to V4 with the index k. A typical value for d is 0.1.
Die inhibitorische Wirkung innerhalb von V4 wirkt erfahrungsgemäß allein innerhalb einer räumlichen Struktur einer vorgegebenen Größe, ausgedrückt durch die Oktave k. Innerhalb der Struktur der Größe k kommt es zu Wettbewerb zwischen den Orten p und q und der Orientierung 1, vermittelt durch die Sum- me _y_ F\lζpql{t)) . Jedes Indextripel (p, q, 1) hemmt alle anderen pqlExperience has shown that the inhibitory effect within V4 acts solely within a spatial structure of a predetermined size, expressed by the octave k. Within the structure of size k there is competition between the locations p and q and the orientation 1, mediated by the sum _y_ F \ lζ pql {t)). Each index triplet (p, q, 1) inhibits all other pql
Indextripel (p, q, 1) . Räumliche Strukturen unterschiedlicher Größe k, d. h. unterschiedlicher räumlicher Frequenzen k, beeinflussen sich nicht, da die inhibitorische Wirkung in Gleichung (10), -bF(Ik v*J) , nur auf k selbst zurückwirkt.Index triple (p, q, 1). Spatial structures of different sizes k, ie different spatial frequencies k, do not influence each other, since the inhibitory effect in equation (10), -bF (I k v * J ) only affects k itself.
Der fünfte Term auf der rechten Seite der Gleichung (10), jvi-pp ^ beschreibt, wie erwähnt, die Aufmerksamkeitssteuerung für ein Merkmal mit der räumlichen Lage entsprechend p und q, also die Betonung der "where"-Frage. Die Aufmerksamkeitssteu- erung erfolgt durch eine Rückkopplung der Aktivität Ip v ~FP derThe fifth term on the right side of equation (10), jv i - pp ^ , as mentioned, describes the attention control for a feature with the spatial position corresponding to p and q, ie the emphasis on the "where" question. Attention control takes place by feedback of the activity I p v ~ FP der
Pools mit den Indizes i und j nahe bei den Werten p und q aus dem Areal PP auf alle Pools mit den Indizes p und q in das Areal V4. Diese Rückkopplung wird modelliert durchPools with the indices i and j close to the values p and q from the area PP to all pools with the indices p and q in the area V4. This feedback is modeled by
C =ΣΣ Ab) (12) C = ΣΣ Ab) ( 12 )
wobei die Koeffizienten W ihrerseits ermittelt werden aus :where the coefficients W are in turn determined from:
dιst2((p,q),(ι,j))dιst 2 ((p, q), (ι, j))
W PDaΨJ = Ae ^ -B ( 13 ;WP Da ΨJ = Ae ^ -B (13;
mit der Kopplungskonstante A (typischer Wert 1,5), mit dem räumlichen Skalierungsfaktor S, der die Reichweite des räumlichen Einflusses eines Merkmals festlegt (typischerweise ist S = 2), und mit der Entfernungsfunktion dist(p, q, i, j), die die Entfernung zwischen dem Ort i, j und dem durch p, q fest- gelegten Mittelpunkt der Gabor-Wavelet-Funktion berechnet. Vorzugsweise wird hier die Euklidische Metrik genommen:with the coupling constant A (typical value 1.5), with the spatial scaling factor S, which defines the range of the spatial influence of a feature (typically S = 2), and with the distance function dist (p, q, i, j), which determines the distance between the location i, j and the location defined by p, q center of the Gabor wavelet function. The Euclidean metric is preferably used here:
(i )) = (p -ϊf + (q - j)2. (14) (i)) = (p -ϊf + (q - j) 2. (14)
Zusätzlich gibt es eine negative Verbindung B zur Umgebung, was zu einer Überbetonung von benachbarten Merkmalen und einer Abwertung weiter entfernten Merkmalen führt. Ein typischer Wert für B ist 0,01.In addition, there is a negative connection B to the surroundings, which leads to an overemphasis on neighboring features and a devaluation of more distant features. A typical value for B is 0.01.
Im Effekt regen die Pools mit der räumlichen Lage entsprechend p und q die entsprechenden Pools in V4 nicht unmittelbar an, sondern erst nach Durchführung einer Faltung mit einem Gaußschen Kernel. Mit anderen Worten: V4 und PP sind mit symmetrischen, lokalisierten Verbindungen verbunden, die durch Gaußsche Gewichte modelliert werden.In effect, the pools with the spatial position corresponding to p and q do not directly stimulate the corresponding pools in V4, but only after a convolution with a Gaussian kernel. In other words, V4 and PP are connected with symmetrical, localized connections that are modeled by Gaussian weights.
Die zeitliche Entwicklung der Aktivität Ipp der Pools im Areal PP ist gegeben durchThe temporal development of activity I pp of the pools in area PP is given by
τ-ι;p I^ + qF(I^) -bF(I P^P.1' ') + I r^PP-VH + L τPP,A + /0 + V ( 15 ) dt "τ-ι; p I ^ + qF (I ^) -bF (IP ^ P.1 '') + I r ^ PP-VH + L τPP, A + / 0 + V (15) dt "
Die Gleichung entspricht im ersten, zweiten, sechsten und siebten Term der Gleichung (10) , jedoch für das Areal PP.In the first, second, sixth and seventh term, the equation corresponds to equation (10), but for the area PP.
Der dritte Term auf der rechten Seite beschreibt wiederum die inhibitorische Wirkung des gemeinsamen inhibitorischen Pools I zum Areal PP. Dessen Aktivität IPP genügt der GleichungThe third term on the right again describes the inhibitory effect of the common inhibitory pool I on the area PP. Its activity I PP satisfies the equation
τ~IPPJ = -IPPJ + c∑F(i;r )~dF(lpp'' ) . (16)τ ~ I PPJ = -I PPJ + c∑F (i; r ) ~ dF (l pp ''). (16)
^ ι,J^ ι, J
Diese Gleichung entspricht in ihrer Struktur der bereits beschriebenen Gleichung (11) . Es gibt für das Areal PP nur eine einheitliche inhibitorische Wirkung. Der vierte Term auf der rechten Seite der Gleichung (15) beschreibt wiederum die aufmerksamkeitssteuernde Rückkopplung von V4 nach PP und ist gegeben durchThe structure of this equation corresponds to equation (11) already described. There is only one uniform inhibitory effect for the PP area. The fourth term on the right side of equation (15) again describes the attention-controlling feedback from V4 to PP and is given by
jpp-vi γ w F(τv* \ γy Z_ι yypψJr VkPqi ) ' ( 1 ; k,p,q,lj pp -vi γ w F (τv * \ γ y Z_ι yy pψJ r Vk P qi) '(1; k, p, q, l
wobei die W PmΨiJ! oben im Zusammenhang mit Gleichung (13) defi- niert wurden. Die synaptischen Verbindungen 20 zwischen V4 und PP sind also symmetrisch ausgebildet. V4 steuert in PP somit die Aufmerksamkeit hinsichtlich bestimmter Orte ("whe- re"-Frage) .where the WP m Ψ i J ! were defined above in connection with equation (13). The synaptic connections 20 between V4 and PP are thus symmetrical. In PP, V4 controls attention with regard to certain locations ("where" question).
Der fünfte Term 1 u auf der rechten Seite der Gleichung (15) ist ein externer, die Aufmerksamkeit auf einen bestimmten Ort (i, j) richtender Top-Down-Bias . Dieser ist in Fig. 4 durch den Pfeil 30 repräsentiert. Bei Voreinstellung des Bias wird ein Objekt an dem voreingestellten Ort erwartet. Ein typischer Wert für diesen externen Bias ist 0,07 für den erwarteten Ort und 0 für alle anderen Orte.The fifth term 1 u on the right-hand side of equation (15) is an external top-down bias that draws attention to a specific location (i, j). This is represented by arrow 30 in FIG. 4. If the bias is preset, an object is expected at the preset location. A typical value for this external bias is 0.07 for the expected location and 0 for all other locations.
Der sechste Term auf der rechten Seite der Gleichung (10), Ikp ~,IT , beschreibt - wie erwähnt - die Aufmerksamkeitssteuerung in V4 für bestimmte Muster aus IT, also die Betonung der "what"-Frage . Die Aufmerksamkeitssteuerung erfolgt durch eine Rückkopplung einer Aktivität i' der Pools, die für das Muster c stehen, aus dem Areal IT auf zugehörige Pools im Areal V4. Diese Rückkopplung wird modelliert durchThe sixth term on the right-hand side of equation (10), I kp ~ , IT , describes - as mentioned - the attention control in V4 for certain patterns from IT, ie the emphasis on the "what" question. Attention control takes place by feedback of an activity i 'of the pools, which stand for pattern c, from the area IT to associated pools in area V4. This feedback is modeled by
Die Bestimmung der Gewichte wck , der Eingangsströme von IT inThe determination of the weights w ck , the input streams from IT in
V4 und damit der zum Muster c gehörigen Pools im Areal V4 wird weiter unten erklärt. IC JT ist die Aktivität eines Pools, der für das Muster c steht, im Areal IT. Die zeitliche Entwicklung von I1 folgt der Differentialgleichung:V4 and thus the pools belonging to pattern c in area V4 are explained below. I C JT is the activity of a pool, which stands for pattern c, in the IT area. The temporal development of I 1 follows the differential equation:
r + qF(Ac τ )-bF(IJT'1) + llτ-v* + 1 +/0 +v . (19) r + qF (A c τ ) -bF (I JT ' 1 ) + ll τ - v * + 1 + / 0 + v. (19)
Die Gleichung entspricht im ersten, zweiten, sechsten und siebten Term den Gleichungen (10) und (15), jedoch für das Areal IT.In the first, second, sixth and seventh term, the equation corresponds to equations (10) and (15), but for the IT area.
Der dritte Term auf der rechten Seite der Gleichung (19), - bF(I,r'') , beschreibt wiederum die inhibitorische Wirkung des inhibitorischen Pools 22 zum Muster c des Areals IT. Die Aktivität IIT des inhibitorischen Pools zum Areal IT genügt der GleichungThe third term on the right side of equation (19), - bF (I , r ''), in turn describes the inhibitory effect of the inhibitory pool 22 on pattern c of the IT area. The activity I IT of the inhibitory pool for the IT area satisfies the equation
τ ι*J = -l'r + c∑E(/ )-</E(//r'7) . (20 ) oi c τ ι * J = -l ' r + c ∑E (/) - </ E (/ / r ' 7 ). (20) oi c
Diese Gleichung entspricht in ihrer Struktur den bereits be- schriebenen Gleichungen (11) und (16) . Es gibt für das Areal IT nur eine einheitliche inhibitorische Wirkung, die den Wettbewerb um die Aufmerksamkeit zwischen den einzelnen Mustern c bewirkt.The structure of this equation corresponds to the already described equations (11) and (16). There is only one uniform inhibitory effect for the IT area, which causes the competition for attention between the individual patterns c.
Der vierte Term auf der rechten Seite der Gleichung (19),The fourth term on the right side of equation (19),
Ic ~ , beschreibt . iederum die aufmerksamkeitssteuernde Rückkopplung von V4 nach IT und ist gegeben durchI c ~ , describes. in turn, the attention-controlling feedback from V4 to IT and is given by
wobei die wckpq, bereits in Gleichung (18) auftraten und weiter unten näher erläutert werden. Die synaptischen Verbindungen 20 zwischen V4 und IT sind also symmetrisch ausgebildet. V4 steuert in IT somit die Aufmerksamkeit hinsichtlich bestimm- ter Muster ( "what"-Frage) . Der fünfte Term auf der rechten Seite der Gleichung (19) , A 'A , ist wiederum ein externer, die Aufmerksamkeit auf ein bestimmtes Muster c richtender Top-Down-Bias . Bei Voreinstel- lung des Bias wird ein bestimmtes Muster c bzw. Objekt c erwartet. Ein typischer Wert für diesen externen Bias ist 0,07 für das erwartete Muster und 0 für alle anderen Muster.where w ckpq already occurred in equation (18) and are explained in more detail below. The synaptic connections 20 between V4 and IT are thus symmetrical. V4 controls the attention in IT with regard to certain patterns ("what" question). The fifth term on the right side of equation (19), A ' A , is again an external top-down bias that draws attention to a particular pattern c. If the bias is preset, a certain pattern c or object c is expected. A typical value for this external bias is 0.07 for the expected pattern and 0 for all other patterns.
Die Gewichte wck , der synaptischen Verbindungen zwischen V4 und IT werden durch Hebbsches Lernen (Hebbian Training) (Deco, G. und Obradovic, D. : "An Information-theoretic Approach to Neurocomputing", Springer Verlag (1996)) mit bekannten Objekten ausgebildet. Vereinfacht ausgedrückt werden dazu dem neuronalen Netz nacheinander Muster c präsentiert und die Ge- wichte wckpql solange variiert, bis jeweils die Großmutter- Pools c in IT die Muster c erkennen, d. h. maximale Aktivität zeigen. In erster Näherung ergeben sich die Gewichte wckpql durch die oben beschriebene Gabor-Wavelet-Transformation der in IT gespeicherten Muster c.The weights w ck , the synaptic connections between V4 and IT are through Hebbian learning (Hebbian Training) (Deco, G. and Obradovic, D.: "An Information-theoretical Approach to Neurocomputing", Springer Verlag (1996)) with known objects educated. To put it simply, pattern c is presented to the neural network one after the other and the weights w ckpql are varied until the grandmother pools c recognize pattern c in IT, ie show maximum activity. In a first approximation, the weights w ckpql result from the above-described Gabor wavelet transformation of the pattern c stored in IT.
Nach dem Training können Simulationen mit dem neuronalen Netz durchgeführt werden, um z. B. ein fMRI-Bild auszuwerten. Bei der Auswertung eines fMRI-Bildes handelt es sich grundsätzlich um ein inverses Problem: aus der Wirkung (der Aktivität gewisser Areale) soll auf die Ursache geschlossen werden. Aufgrund der Komplexität der Vernetzung kann nicht von der Wirkung deduktiv auf die Ursache geschlossen werden. Einzig möglich ist ein Nachbilden der Wirkungen durch Variation einer Vielzahl von Ursachen.After the training, simulations can be carried out with the neural network. B. evaluate an fMRI image. The evaluation of an fMRI image is basically an inverse problem: the cause (the activity of certain areas) should be used to determine the cause. Due to the complexity of the networking, the effect cannot be deductively deduced from the cause. It is only possible to reproduce the effects by varying a variety of causes.
Dies geschieht mit Hilfe von Variation der Parameter des geschilderten neuronalen Netzes, z. B. durch das ausschalten einzelner Pools oder ganzer Teile eines Areals. Die Wirkung solcher Annahmen auf das neuronale Netz wird durch Lösung der oben angegebenen Differentialgleichungen berechnet und mit den gemessenen fMRI-Bildern verglichen. Das System der angegebenen Differentialgleichungen ist hoch parallel. Es besteht aus etwa 1,2 Mio. gekoppelten Differentialgleichungen. Diese werden iterativ numerisch gelöst, vorzugsweise mittels Diskretisierung unter Zuhilfenahme des Eu- 1er- oder Runge-Kutta-Verfahrens. Als zeitliche Schrittweite wird vorzugsweise 1 ms gewählt, also etwa Trefracloιy gemäß Gleichung (2) .This is done by varying the parameters of the described neural network, e.g. B. by switching off individual pools or entire parts of an area. The effect of such assumptions on the neural network is calculated by solving the differential equations given above and compared with the measured fMRI images. The system of the given differential equations is highly parallel. It consists of approximately 1.2 million coupled differential equations. These are solved numerically, preferably by discretization with the aid of the Eu-1 or Runge-Kutta method. The time increment chosen is preferably 1 ms, ie approximately T refracloιy according to equation (2).
Mit Hilfe des geschilderten neuronalen Netzes konnten experi- mentelle Daten (Kaster, S.; De Weerd, P.; Desimone, R. andWith the help of the described neural network, experimental data (Kaster, S .; De Weerd, P .; Desimone, R. and
Ungerleider, L. : "Mechanisms of directed attention in the human extrastriate cortex as revealed by functional MRI"; Science 282 (1998) 108-111. Kaster, S.; Pinsk, M.; De Weerd, P.; Desimone, R. and Ungerleider, L. : "Increased activity in human Visual cortex during directed attention in the absence of Visual Stimulation"; Neuron 22 (1999) 751-761.) übereinstimmend simuliert werden. Die Dynamik der Aktivität der Pools in V4 mit deutlichen Änderungen auf der Skala unterhalb einer Sekunde konnte nachvollzogen werden. Ebenso die Auf- merksamkeitssteuerung durch Erwartung und die inhibitorische Wirkung von gleichzeitigen oder benachbarten Stimuli.Ungerleider, L.: "Mechanisms of directed attention in the human extrastriate cortex as revealed by functional MRI"; Science 282 (1998) 108-111. Kaster, S .; Pinsk, M .; De Weerd, P .; Desimone, R. and Ungerleider, L.: "Increased activity in human visual cortex during directed attention in the absence of visual stimulation"; Neuron 22 (1999) 751-761.). The dynamics of the activity of the pools in V4 with significant changes on the scale below one second could be tracked. Likewise, attention control through expectation and the inhibitory effect of simultaneous or neighboring stimuli.
Ebenso konnte das medizinisch bekannte Phänomen des "visual neglect" durch Simulation aufgeklärt werden. "Visual neglect" ist die Ausblendung einer Hälfte des Gesichtsfeldes von derThe medically known phenomenon of "visual neglect" could also be clarified by simulation. "Visual neglect" is the fading out of half of the visual field from the
Aufmerksamkeit oder Wahrnehmung, obwohl die Augen des Patienten keinerlei Schäden aufweisen. Die Ausblendung von der Aufmerksamkeit ist eine Störung in der Verarbeitung der aufgenommenen visuellen Daten durch den visuellen Cortex des Ge- hirns. In der Simulation mit Hilfe des geschilderten neuro- kognitiven neuronalen Netzes wurde angenommen, dass eine Hälfte des für die örtliche Lokalisierung zuständigen Areals PP beschädigt ist. Beispielsweise möge eine Hälfte von PP einen erhöhten Grad an Rauschen v aufweisen. Es konnte durch Lösung der Differentialgleichungen gezeigt werden, dass unter diesen Umständen die Aufmerksamkeit nicht mehr auf diese Hälfte des Gesichtsfelds gelenkt werden konnte. Die für diese Hälfte des Gesichtsfelds zuständigen Pools erreichten kein erhöhtes Maß an Aktivität mehr.Attention or perception even though the patient's eyes are undamaged. The suppression of attention is a disturbance in the processing of the visual data recorded by the visual cortex of the brain. In the simulation using the described neurocognitive neural network, it was assumed that half of the area PP responsible for localization was damaged. For example, one half of PP may have an increased level of noise v. By solving the differential equations, it could be shown that under these circumstances attention could no longer be drawn to this half of the visual field. The one for this Half of the pools responsible for the field of vision no longer achieved an increased level of activity.
Somit bietet sich als Diagnose für "visual neglect" eine Schädigung des für die örtliche Lokalisierung zuständigen A- reals PP an.As a diagnosis for "visual neglect", damage to the Areal PP responsible for local localization is therefore possible.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirk- lichbar. Insbesondere kann die Erfindung bei entsprechenderNumerous modifications and further developments of the exemplary embodiments described can be implemented within the scope of the invention. In particular, the invention can be used with a corresponding
Anwendung auf geeignete Areale des Gehirns zur Diagnose aller neuropsychiatrischer Phänomene, d. h. aller Störungen der Funktionsfähigkeit des Gehirns eingesetzt werden. Application to suitable areas of the brain to diagnose all neuropsychiatric phenomena, ie all disorders of the functioning of the brain.
Liste der zitierten Literatur:List of literature cited:
1. Fox, P. T. und Raichle, M. E.: "Focal physiological uncou- pling of cerebral blood flow and oxydative metabolism dur-1. Fox, P.T. and Raichle, M.E .: "Focal physiological uncoupling of cerebral blood flow and oxidative metabolism through-
5 ing somatosensory Stimulation in human subjects" Proceed- ings of the National Academy of Science of the USA, 1986, Band 83, Seiten 1140-1144.5 ing somatosensory stimulation in human subjects "Proceedings of the National Academy of Science of the USA, 1986, volume 83, pages 1140-1144.
2. Ogawa S, Lee TM, Nayak AS, Glynn P: "Oxygenation-sensitive 10 contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic flields . " Magnetic Resonance Medicine, 1990, Band 14, Seiten 68- 78.2. Ogawa S, Lee TM, Nayak AS, Glynn P: "Oxygenation-sensitive 10 contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic flields." Magnetic Resonance Medicine, 1990, volume 14, pages 68-78.
3. Usher, M. und Niebur, E.: "Modelling the temporal dynamics 15 of IT neurons in isual search: A mechanism of top-down selective attention", Journal of Cognitive Neuroscience, Seiten 311-327 (1996) .3. Usher, M. and Niebur, E .: "Modeling the temporal dynamics 15 of IT neurons in isual search: A mechanism of top-down selective attention", Journal of Cognitive Neuroscience, pages 311-327 (1996).
4. Deco, G. und Obradovic, D. : "An Information-theoretic Ap- 20 proach to Neurocomputing" , Springer Verlag (1996).4. Deco, G. and Obradovic, D.: "An Information-theoretical Ap-20 proach to Neurocomputing", Springer Verlag (1996).
5. Kaster, S.; De Weerd, P.; Desimone, R. und Ungerleider, L.: "Mechanisms of directed attention in the human ex- trastriate cortex as revealed by functional MRI"; Science5. Kaster, S .; De Weerd, P .; Desimone, R. and Ungerleider, L .: "Mechanisms of directed attention in the human extra cortex as revealed by functional MRI"; Science
25 282 (1998) 108-111.25 282 (1998) 108-111.
6. Kaster, S.; Pinsk, M. ; De Weerd, P-. ; Desimone, R. und Ungerleider, L.: "Increased activity in human visual cortex during directed attention in the absence of visual6. Kaster, S .; Pinsk, M.; De Weerd, P-. ; Desimone, R. and Ungerleider, L .: "Increased activity in human visual cortex during directed attention in the absence of visual
^0 Stimulation"; Neuron 22 (1999) 751-761. ^ 0 stimulation "; Neuron 22 (1999) 751-761.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Auswerten eines mittels funktionaler Magnet- Resonanz-Tomographie gewonnenen Bildes des Gehirns (fMRI- Bild) , dadurch gekennzeichnet, a) dass ein neuronales Netz zur Simulation der Aktivität des1. A method for evaluating an image of the brain (fMRI image) obtained by means of functional magnetic resonance tomography, characterized in that a) that a neural network for simulating the activity of the
Gehirns verwendet wird; b) dass eine im Gehirn vermutete Störung im neuronalen Netz simuliert wird (gestörtes neuronales Netz) ; c) dass die ermittelte Aktivität im gestörten neuronalen Netz mit der im fMRI-Bild beobachteten Aktivität des Gehirns verglichen wird; und e) dass aus dem Vergleich auf Störungen im Gehirn geschlossen wird.Brain is used; b) that a disturbance suspected in the brain is simulated in the neural network (disturbed neural network); c) that the activity determined in the disturbed neural network is compared with the activity of the brain observed in the fMRI image; and e) that the comparison suggests disorders in the brain.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Simulation der Aktivität des Gehirns verwendete neuronale Netz die Aktivität von Neuronen derart simuliert, dass jeweils eine Mehrzahl von Neuronen des neuronalen Netzes zu einem Pool zusammengefasst wird; und dass die Aktivität der Pools simuliert wird.2. The method according to the preceding claim, characterized in that the neural network used to simulate the activity of the brain simulates the activity of neurons in such a way that a plurality of neurons of the neural network are combined to form a pool; and that the activity of the pools is simulated.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Simulation der Aktivität des Gehirns verwendete neuronale Netz die Aktivität des Gehirns derart simuliert, dass die Aktivität des Gehirns in funktional ausdifferenzierten Arealen (IT, PP, V4, VI) erfolgt.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the neural network used to simulate the activity of the brain simulates the activity of the brain in such a way that the activity of the brain takes place in functionally differentiated areas (IT, PP, V4, VI).
4. Verfahren nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Areale derart gewählt werden, dass sie jeweils eine Mehrzahl von Pools aufweisen. 4. The method according to the two preceding claims, characterized in that the areas are selected such that they each have a plurality of pools.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pools miteinander im Wettbewerb um Aufmerksamkeit stehen; und dass dieser- Wettbewerb über mindestens einen inhibitorischen Pool vermittelt wird, der eine hemmende Wirkung auf Aktivität der Pools ausübt.5. The method according to claim 2, characterized in that the pools compete for attention with each other; and that this competition is mediated by at least one inhibitory pool which has an inhibitory effect on the activity of the pools.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivität des Gehirns während des Sehvorgangs analysiert wird; und dass das neuronale Netz zur Analyse des aufgenommenen Bildes eine Wavelet-Transformation verwendet.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the activity of the brain is analyzed during the vision process; and that the neural network uses a wavelet transform to analyze the captured image.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivität des Gehirns während des Sehvorgangs analysiert wird; und dass ein Areal (IT) des neuronalen Netzes die Funktion hat,7. The method according to claim 4, characterized in that the activity of the brain is analyzed during the vision process; and that an area (IT) of the neural network has the function
Objekte im Sehfeld zu identifizieren, indem Pools dieses Areals auf das Identifizieren jeweils spezifischer Objekte spezialisiert sind.Identify objects in the field of view, as pools in this area specialize in the identification of specific objects.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivität des Gehirns während des Sehvorgangs analysiert wird; und dass ein Areal (PP) des neuronalen Netzes die Funktion hat, den Ort von erkennbaren Objekten im Sehfeld zu identifizieren, indem Pools dieses Areals auf das Lokalisieren von Objekten an spezifischen Orten im Sehfeld spezialisiert sind.8. The method according to claim 7, characterized in that the activity of the brain is analyzed during the visual process; and that an area (PP) of the neural network has the function of identifying the location of recognizable objects in the visual field, in that pools of this area specialize in locating objects at specific locations in the visual field.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das neuronale Netz derart gestaltet wird, dass die Aufmerksamkeit für ein bestimmtes zu identifizierendes Objekt oder für ein bestimmtes zu lokalisierendes Objekt erhöht werden kann.9. The method according to claim 7, characterized in that the neural network is designed such that attention to a specific object to be identified or can be increased for a specific object to be located.
10. Anordnung zum Auswerten eines mittels funktionaler Mag- net-Resonanz-Tomographie gewonnenen Bildes des Gehirns (fMRI- Bild) a) mit einem neuronalen Netz zur Simulation der Aktivität des Gehirns; b) mit Mitteln zum Simulieren einer im Gehirn vermuteten Stö- rung im neuronalen Netz (gestörtes neuronales Netz) ; c) mit Mitteln zum Vergleichen der ermittelten Aktivität im gestörten neuronalen Netz mit der im fMRI-Bild beobachteten Aktivität des Gehirns; und d) mit Mitteln zum Erschließen von Störungen im Gehirn aus dem Vergleich.10. Arrangement for evaluating an image of the brain obtained by means of functional magnetic resonance tomography (fMRI image) a) with a neural network for simulating the activity of the brain; b) with means for simulating a suspected disturbance in the brain in the neural network (disturbed neural network); c) with means for comparing the determined activity in the disturbed neural network with the activity of the brain observed in the fMRI image; and d) with means for identifying disorders in the brain from the comparison.
11. Vorrichtung zum Auswerten eines mittels funktionaler Magnet-Resonanz-Tomographie gewonnenen Bildes des Gehirns (fMRI- Bild) a) mit Mitteln zum Erzeugen eines fMRI-Bildes des Gehirns eines Patienten; und b) mit einer Anordnung zum Auswerten des fMRI-Bildes nach dem vorhergehenden Anspruch. 11. Device for evaluating an image of the brain (fMRI image) obtained by means of functional magnetic resonance tomography a) with means for generating an fMRI image of a patient's brain; and b) with an arrangement for evaluating the fMRI image according to the preceding claim.
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