本文關(guān)鍵詞：局部信息方法在功能腦網(wǎng)絡(luò)建模中的應(yīng)用研究

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【摘要】：近年來,隨著研究的深入,腦網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了熱點領(lǐng)域。腦網(wǎng)絡(luò)由結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)與功能腦網(wǎng)絡(luò)兩部分組成,并且二者之間有著密不可分的關(guān)系。人們對腦網(wǎng)絡(luò)進行研究,其主要關(guān)注點在于結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)與功能腦網(wǎng)絡(luò)的拓撲特性以及屬性分析。腦網(wǎng)絡(luò)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)。在人腦中,神經(jīng)元數(shù)量達數(shù)十億之多,規(guī)模非常龐大。并且,神經(jīng)元的連接還存在著不同的行為、認知模式。目前人們對腦網(wǎng)絡(luò)的研究有神經(jīng)元級別、體素級別以及腦區(qū)級別等不同的研究層面。有研究顯示,當腦區(qū)劃分達到4000個時,其計算量已經(jīng)超出了目前的計算能力。由此可見,對功能腦網(wǎng)絡(luò)的研究在很大程度上依賴于科學(xué)計算。正是由于計算量問題,許多學(xué)者開始尋求利用模擬仿真的方法來研究功能腦網(wǎng)絡(luò)的拓撲屬性,腦網(wǎng)絡(luò)建模這一熱點問題也就應(yīng)運而生了。隨著腦網(wǎng)絡(luò)建模研究的不斷發(fā)展,人們已經(jīng)嘗試過基于很多網(wǎng)絡(luò)特性的建模方法,并已取得了一定的成果。在功能腦網(wǎng)絡(luò)建模領(lǐng)域,經(jīng)過大量的研究證實,結(jié)構(gòu)度在預(yù)測功能腦網(wǎng)絡(luò)特性方面具有很大的優(yōu)勢。也有一些研究將解剖距離作為功能連接的一個參數(shù),也取得了一定的效果。還有一些研究將節(jié)點的共同鄰居(Common Neighbor,CN)作為節(jié)點相似度指標用于模擬功能連接,并經(jīng)過證實,基于共同鄰居的建模結(jié)果非常好。至于建模所采用的數(shù)學(xué)模型,目前主流的模型是將腦網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性與功能特性分別作為建模的變量來模擬功能連接。經(jīng)過大量的調(diào)研,本文最終也沿用了基于結(jié)構(gòu)特性與功能特性的數(shù)學(xué)模型。本文的主要創(chuàng)新工作有以下幾點:第一,將鏈路預(yù)測方法中所采用的局部信息指標應(yīng)用到功能腦網(wǎng)絡(luò)建模中。鏈路預(yù)測中的局部信息指標指的是根據(jù)節(jié)點的相似度來對節(jié)點之間是否存在連接進行預(yù)測。先前研究曾將節(jié)點的共同鄰居作為節(jié)點相似性指標用于功能腦網(wǎng)絡(luò)建模。本文經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn),共同鄰居就是一個最典型的局部信息指標。而且,除了共同鄰居之外,還有很多局部信息指標存在,如果將這些指標用于建模,是否也能取得與共同鄰居一樣甚至更好的效果呢?本文根據(jù)鏈路預(yù)測精確度篩選出了8個指標,并將其用于預(yù)測功能腦網(wǎng)絡(luò)的連接。局部信息指標的計算方式其實是有所不同的。有的指標是基于節(jié)點的度計算得到的,有的則是基于共同鄰居計算得到的,而還有的指標是既要考慮節(jié)點的度,又要考慮共同鄰居。因此,本文將局部信息指標分為3種類型:基于共同鄰居的指標;基于節(jié)點的度的指標;將二者相結(jié)合的指標。本文重點研究了究竟哪類指標對功能腦網(wǎng)絡(luò)建模的適用度最高。第二,提出了一種基于腦網(wǎng)絡(luò)屬性之間相對誤差的網(wǎng)絡(luò)相似度評價方法。在腦網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域,公認的網(wǎng)絡(luò)性能的評價指標是腦網(wǎng)絡(luò)的全局與局部屬性。全局屬性,如特征路徑長度,全局效率等;局部屬性,如聚合系數(shù),局部效率等。腦網(wǎng)絡(luò)屬性從本質(zhì)上說是衡量網(wǎng)絡(luò)通信效率的指標。在計算腦網(wǎng)絡(luò)屬性時,采用的是圖論中的節(jié)點和邊的概念。并且,腦網(wǎng)絡(luò)屬性都是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域所采用的網(wǎng)絡(luò)分析指標。但是對于網(wǎng)絡(luò)相似度,目前腦網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域尚沒有一個權(quán)威的評價方法。本文結(jié)合腦網(wǎng)絡(luò)實際問題提出了一種新的相似度的量化指標。在本文提出的相似度計算方法中,利用相對誤差的絕對值來衡量各個模型網(wǎng)絡(luò)的屬性與真實網(wǎng)絡(luò)屬性的差異程度,并將各個屬性的相對誤差的絕對值相加,給出了一個綜合多種腦網(wǎng)絡(luò)屬性的整體相似度評價指標。事實上,相對誤差越大,說明網(wǎng)絡(luò)的差異越大,所以更確切地說,相對誤差衡量的是網(wǎng)絡(luò)的差異程度而不是相似度。因此,本文沿用了先前研究中的E值形式,將多種腦網(wǎng)絡(luò)屬性的相對誤差值作為分母,使得E值越大,網(wǎng)絡(luò)的相似度越高。第三,提出了一種基于鏈路預(yù)測精確度的快速判斷建模效果的方法。腦網(wǎng)絡(luò)建模非常復(fù)雜,包括前期的數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)預(yù)處理,以及后續(xù)的功能腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,網(wǎng)絡(luò)屬性的計算以及網(wǎng)絡(luò)相似度的評價等。完成腦網(wǎng)絡(luò)建模需要付出大量的時間和計算成本。本文根據(jù)局部信息指標在鏈路預(yù)測實驗中的表現(xiàn)提出了一種快速判斷建模效果的方法(實驗假設(shè)):假設(shè)局部信息指標在鏈路預(yù)測實驗中精確度越高,則越適合用于功能腦網(wǎng)絡(luò)建模。為了驗證該假設(shè),本文將網(wǎng)絡(luò)相似度E值與鏈路預(yù)測精確度指標Precision Power進行了關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果顯示,二者之間存在顯著的線性關(guān)系,說明假設(shè)成立,我們可以根據(jù)鏈路預(yù)測精確度的數(shù)值大小來對局部信息指標用于功能腦網(wǎng)絡(luò)建模的效果進行事前判斷。
【關(guān)鍵詞】：功能腦網(wǎng)絡(luò)建模 局部信息指標 網(wǎng)絡(luò)相似度 鏈路預(yù)測
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O157.5
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-21
• 1.1 研究背景及意義12-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-18
• 1.2.1 結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡(luò)與功能腦網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系15-16
• 1.2.2 基于解剖距離的腦網(wǎng)絡(luò)建模16-17
• 1.2.3 局部信息指標的應(yīng)用17-18
• 1.3 本文主要內(nèi)容18-19
• 1.4 本文的章節(jié)安排19-20
• 1.5 本章小結(jié)20-21
• 第二章 靜息態(tài)功能腦網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建21-29
• 2.1 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理21-24
• 2.1.1 實驗數(shù)據(jù)的采集21-23
• 2.1.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理23-24
• 2.2 腦網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建24-28
• 2.2.1 節(jié)點的定義25-26
• 2.2.2 時間序列的提取26-27
• 2.2.3 邊的定義27
• 2.2.4 閾值選擇27-28
• 2.3 本章小結(jié)28-29
• 第三章 基于解剖距離及局部信息指標的功能腦網(wǎng)絡(luò)建模方法29-42
• 3.1 建模實驗的控制因素29-33
• 3.2 腦網(wǎng)絡(luò)模型定義33-34
• 3.3 局部信息指標的選擇34-36
• 3.4 功能腦網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性的計算36-38
• 3.4.1 局部屬性36-37
• 3.4.2 全局屬性37-38
• 3.5 模型評價標準38-41
• 3.6 本章小結(jié)41-42
• 第四章 局部信息指標對功能腦網(wǎng)絡(luò)屬性的擬合42-49
• 4.1 對局部與全局網(wǎng)絡(luò)屬性的擬合42-47
• 4.1.1 屬性的相對誤差分析42-45
• 4.1.2 擬合效果的統(tǒng)計學(xué)差異45-47
• 4.2 網(wǎng)絡(luò)整體相似度的評價47-48
• 4.3 本章小結(jié)48-49
• 第五章 基于鏈路預(yù)測的快速判斷建模效果的方法探究49-56
• 5.1 鏈路預(yù)測方法簡介49-50
• 5.2 鏈路預(yù)測精確度的評價指標50-52
• 5.3 建模效果的快速判斷方法探究52-55
• 5.3.1 實驗假設(shè)52
• 5.3.2 實驗驗證52-55
• 5.4 本章小結(jié)55-56
• 第六章 總結(jié)與展望56-59
• 6.1 總結(jié)56-57
• 6.2 展望57-59
• 參考文獻59-66
• 致謝66-67
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文67

【相似文獻】

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本文編號：1114359