作者单位
摘要
1 南开大学现代光学研究所,天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室,天津 300350
2 中国科学院自动化研究所,中国科学院分子影像重点实验室,北京 100190
3 河北医科大学第二医院神经外科,河北 石家庄 050000
脑胶质瘤是一种侵袭性的恶性原发性脑肿瘤,术中准确区分胶质瘤和正常脑组织极具挑战性。基于高分辨偏振敏感光学相干层析术(PS-OCT)对正常小鼠脑和胶质瘤模型小鼠脑进行成像,计算了强度、累积相位延迟和累积光轴信息。结果表明,从PS-OCT图像中可以清楚地显示出鼠脑中的纤维结构及其取向;借助PS-OCT图像中丰富的偏振信息,可以准确区分鼠脑胶质瘤区和正常区;基于计算的光轴标准差可以有效区分胶质瘤和正常脑组织。研究结果表明,高分辨PS-OCT在脑组织成像及脑胶质瘤识别方面具有很大的临床应用潜力。
医用光学 偏振敏感光学相干层析术 脑成像 胶质瘤 
中国激光
2024, 51(9): 0907020
作者单位
摘要
1 内蒙古科技大学 信息工程学院,内蒙古包头市0400
2 内蒙古工业大学 信息工程学院,内蒙古呼和浩特010051
U型网络结构的脑肿瘤自动分割方法由于多次卷积和采样操作会造成信息损失,导致分割效果不佳。为解决这一问题,提出了能够利用语义信息流引导上采样特征恢复的特征对齐单元,并在此基础上设计轻量级的双重注意力特征对齐网络(DAFANet)。首先,将特征对齐单元分别引入3D UNet、DMFNet和HDCNet三个经典网络,以验证其有效性和泛化性。其次,在DMFNet基础上构造轻量级的双重注意力特征对齐网络DAFANet,利用特征对齐单元强化上采样过程中的特征恢复,3D期望最大化注意力机制同时作用于特征对齐路径和级联路径,用于重点获取上下文的全程依赖关系。同时使用广义Dice损失函数提升数据不平衡时的分割精度并加快模型收敛。最后,在BraTS2018和BraTS2019公开数据集进行验证,文中所提算法在ET,WT和TC区域的分割精度分别达到80.44%,90.07%,84.57%和78.11%,90.10%,82.21%。相较于当前流行的分割网络,具有对增强肿瘤区域更好的分割效果,更擅长处理细节和边缘信息。
脑肿瘤 图像分割 特征对齐 注意力机制 轻量化 brain tumors image segmentation feature alignment attention mechanism lightweight 
光学 精密工程
2024, 32(4): 565
作者单位
摘要
深圳大学物理与光电工程学院,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,广东 深圳 518060
高时空分辨可视化技术是脑科学研究的重要工具。荧光显微成像技术在特异性、多样性、图像对比度和时空分辨率等方面具有显著优势,但由于光在组织中的穿透深度有限,无创的荧光成像难以在活体水平获取深层脑区神经血管单元的高分辨结构和功能信息。因此,在脑科学研究中,荧光内窥显微成像技术受到越来越多研究者的青睐。得益于相关科学技术的发展,内窥镜探头在保持高性能的同时,实现了小型化并提供了更大的灵活性,可以植入活体大脑的不同深度处,开展特定深层脑区的功能调控研究。本综述介绍了基于梯度折射率透镜和单根多模光纤这两种探头的植入式荧光内窥显微成像技术及其发展和迭代进程,概述了它们在高分辨活体脑成像研究中的应用,以及在临床神经外科手术中的初步探索性应用。最后,展望了荧光内窥脑成像技术未来的发展前景。
显微 荧光内窥显微成像 活体脑成像 梯度折射率透镜 多模光纤 
中国激光
2024, 51(1): 0107001
作者单位
摘要
大连东软信息学院 智能与电子工程学院,大连 116023
随着教育信息化技术的发展,基于脑机接口技术的实验课程改革与实践依托混合式教学平台,开展传统课堂、在线课堂、虚拟仿真结合的“三堂联动”混合式教学多维引导学生发展,使不同层次学生都参与课程并有所收获。实验建设将基于学习产出的教育模式(OBE)引入课堂教学,通过趣味性实践教学培养学生创新意识,开展面向创新能力和实践能力培养的实验案例,构建教学质量的持续改进模式,旨在让学生在专业教学中实现知识获取、能力培养和价值塑造的终极目标。
脑机接口技术 混合式教学平台 思政教育 教学改革 brain computer interface hybrid teaching platform ideological and political education teaching reform 
实验科学与技术
2023, 21(6): 116
作者单位
摘要
1 1.宁波工程学院 电子与信息工程学院, 宁波 315211
2 2.中国科学院 宁波材料技术与工程研究所, 宁波 315201
3 3.中国科学院 脑科学与智能技术卓越创新中心, 上海 200031
4 4.中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100029
5 5.浙江大学 温州研究院, 温州 325006
类脑神经形态计算通过电子或光子器件集成来模拟人脑结构和功能。人工突触是类脑系统中数量最多的计算单元。忆阻器可模拟突触功能, 并具有优异的尺寸缩放性和低能耗, 是实现人工突触的理想元器件。利用欧姆定律和基尔霍夫定律, 忆阻器交叉阵列可执行并行的原位乘累加运算, 从而大幅提升类脑系统处理模拟信号的速度。氧化物制备容易, 和CMOS工艺兼容性强, 是使用最广泛的忆阻器材料。本文梳理了氧化物忆阻器的研究进展, 分别讨论了电控、光电混合调控和全光控忆阻器, 主要聚焦阻变机理、器件结构和性能。电控忆阻器工作一般会产生微结构变化和焦耳热, 将严重影响器件稳定性, 改进器件结构和材料成分可有效改善器件性能。利用光信号调控忆阻器电导, 不仅能降低能耗, 而且可避免产生微结构变化和焦耳热, 从而有望解决稳定性难题。此外, 光控忆阻器能直接感受光刺激, 单器件即可实现感/存/算功能, 可用于研发新型视觉传感器。因此, 全光控忆阻器的实现为忆阻器的研究和应用打开了一扇新窗口。
氧化物忆阻器 光电器件 人工突触 类脑神经形态计算 综述 oxide memristor optoelectronic device artificial synapse brain-inspired neuromorphic computing review 
无机材料学报
2023, 38(10): 1149
作者单位
摘要
1 南京医科大学,第一附属医院,检验学部,南京 210029
2 南京医科大学,急诊医学科,南京 210029
为研究敌草快(DQ)中毒病人的临床特点,评估中毒病人脑损伤的相关因素及其分子机制,本研究收集DQ中毒病人56例,按住院期间病人脑损伤情况分为脑损伤组14例和未损伤组42例,并比较两组病人的基线资料和实验室指标。利用logistic 回归分析DQ中毒病人脑损伤的相关因素,利用受试者操作特征(ROC)曲线分析比较以上相关因素单独或联合时对DQ中毒病人脑损伤状态的预测价值。分组比较结果显示,脑损伤组病人的体质量指数(BMI)、DQ阳离子中毒剂量、接受机械通气、接受连续性肾脏替代治疗(CRRT)的比例显著高于未损伤组(P<0.05)。脑损伤组病人入院后S100钙结合蛋白B(S100B)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、天冬氨酸氨基转移酶(AST)、尿素氮(BUN)、肌酐(SCR)等血清生化指标,以及中毒后24 h 的白细胞(WBC)计数、中性粒细胞计数、中性粒细胞与淋巴细胞比率(NLR)均显著高于未损伤组(P<0.05)。对分组比较中存在显著差异的变量按先单因素后多因素方式进行logistic 回归分析,回归结果显示,中毒后24 h NLR对DQ中毒病人脑损伤状态有一定的独立预测价值。ROC曲线分析比较结果进一步表明,当中毒后24 h NLR联合BMI、DQ阳离子中毒剂量,或中毒后24 h NLR联合BMI、血液灌流前血液DQ质量浓度时,相比于单一指标可获得对DQ中毒病人脑损伤状态更高的预测价值。DQ中毒病人中毒后24 h NLR水平升高与脑损伤增加显著相关,可作为病人住院期间脑损伤发生的独立预测因子,当中毒后24 h NLR联合BMI 及DQ阳离子中毒剂量、血液DQ质量浓度时可获得对脑损伤事件更高的预测价值。
敌草快 脑损伤 中毒剂量 中性粒细胞与淋巴细胞比率(NLR) 预测 diquat brain injury poisoning dose neutrophil to lymphocyte ratio prediction 
激光生物学报
2023, 32(5): 0473
作者单位
摘要
1 成都大学计算机学院,四川成都 610106
2 成都大学电子信息与电气工程学院, 四川成都 610106
3 四川大学电子信息学院, 四川成都 610064
微波技术对大脑信息进行探测正处于发展时期, 目前正逐渐走向成熟, 现已用于实体的检测与操作中。通过联合超声波、核磁等方法, 完善了微波信息探测体系, 增强了微波信息探测的效率。本文基于对大脑深层信息探测的 3种微波技术以及现有微波探测技术中存在的问题进行总结, 并对微波技术未来在大脑信息探测上的应用进行展望。通过对 3种不同微波探测应用的分析, 发现微波技术对大脑的探测具有巨大的潜力。这些应用可以有效地为脑部组织或人体其他组织的病态检查提供解决方案。同时, 通过与人工智能结合, 微波技术还可用于脑部的远程监测或身体的其他部位的远程监测中。
微波技术 脑神经 电位变化 温度探测 超宽带技术 microwave technology brain nerve potential change temperature detection Ultra-Wide Band(UWB) 
太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(9): 1124
作者单位
摘要
河南中医药大学医学院郑州 450046
探讨不同疗程的电针干预对放射性脑损伤小鼠学习记忆的影响及其作用机制。60只4周龄雄性C57/BL6J小鼠随机分为空白组、模型组、电针组1(7 d)、电针组2(14 d)、电针组3(21 d)、电针组4(28 d)。除空白组外,其余各组给予X射线(8 Gy,2 min)照射,构建放射性脑损伤模型,电针组给予针刺“百会”、“风府”及双侧“肾俞”穴,并依据分组分别干预7、14、21、28 d。电针结束后,Y迷宫检测各组小鼠学习记忆功能,苏木精-伊红染色法、透射电镜观察海马齿状回(DG)神经元形态、突触超微结构,Western blot检测Notch信号通路Notch 1、Hes 1、ASCL 1的蛋白表达。结果显示:与空白组相比,模型组小鼠学习记忆功能显著下降(p<0.01);海马DG区神经元数量减少,排列紊乱;神经元突触前膜突触囊泡数量减少,突触界面率减小、突触后致密区(PSD)厚度降低、突触间隙增大均有显著差异(p<0.01);与模型组相比,电针各组小鼠的学习记忆功能均显著提高(p<0.05,p<0.01);电针组小鼠DG区神经元数量增多,排列整齐;各组小鼠DG区突触界面率均有显著改善(p<0.01),电针组2、3和4小鼠PSD厚度显著增加(p<0.01),电针组2、3和4的突触间隙显著减小(p<0.01)。与空白组相比,模型组小鼠Notch 1蛋白表达显著升高(p<0.05),Hes 1蛋白表达显著升高(p<0.01),ASCL 1蛋白表达显著降低(p<0.01);与模型组相比,电针组2、3和4的Notch 1、Hes 1蛋白表达显著降低(p<0.05,p<0.01),电针组3和4的ASCL 1蛋白表达显著升高(p<0.05,p<0.01)。提示不同疗程的电针可以改善放射线照射对小鼠学习记忆功能造成的损伤,该作用与改善DG区突触超微结构及调控Notch信号通路相关蛋白的表达有关。
放射性脑损伤 电针 学习记忆 Notch信号通路 Radiation-induced brain injury Electropuncture Learning and memory Notch signaling pathway 
辐射研究与辐射工艺学报
2023, 41(5): 050301
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei, P. R. China
2 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei, P. R. China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, P. R. China

Interactions between the central nervous system (CNS) and autonomic nervous system (ANS) play a crucial role in modulating perception, cognition, and emotion production. Previous studies on CNS–ANS interactions, or heart–brain coupling, have often used heart rate variability (HRV) metrics derived from electrocardiography (ECG) recordings as empirical measurements of sympathetic and parasympathetic activities. Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a functional brain imaging modality that is increasingly used in brain and cognition studies. The fNIRS signals contain frequency bands representing both neural activity oscillations and heartbeat rhythms. Therefore, fNIRS data acquired in neuroimaging studies can potentially provide a single-modality approach to measure task-induced responses in the brain and ANS synchronously, allowing analysis of CNS–ANS interactions. In this proof-of-concept study, fNIRS was used to record hemodynamic changes from the foreheads of 20 university students as they each played a round of multiplayer online battle arena (MOBA) game. From the fNIRS recordings, neural and heartbeat frequency bands were extracted to assess prefrontal activities and short-term pulse rate variability (PRV), an approximation for short-term HRV, respectively. Under the experimental conditions used, fNIRS-derived PRV metrics showed good correlations with ECG-derived HRV golden standards, in terms of absolute measurements and video game playing (VGP)-related changes. It was also observed that, similar to previous studies on physical activity and exercise, the PRV metrics closely related to parasympathetic activities recovered slower than the PRV indicators of sympathetic activities after VGP. It is concluded that it is feasible to use fNIRS to monitor concurrent brain and ANS activations during online VGP, facilitating the understanding of VGP-related heart–brain coupling.

Heart rate variability pulse rate variability functional near-infrared spectroscopy video game prefrontal cortex heart–brain coupling 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2023, 16(6): 2340005
Author Affiliations
Abstract
1 School of Mechatronic Engineering and Automation, Foshan University, Foshan, P. R. China
2 Department of Traditional Chinese Medicine, Beijing Rehabilitation Hospital of Capital Medical University, Beijing, P. R. China
3 School of Medicine, Foshan University, Foshan, P. R. China

Hemiplegia after stroke has become a major cause of the world’s high disabilities, and it is vital to enhance our understanding of post-stroke neuroplasticity to develop efficient rehabilitation programs. This study aimed to explore the brain activation and network reorganization of the motor cortex (MC) with functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). The MC hemodynamic signals were gained from 22 stroke patients and 14 healthy subjects during a shoulder-touching task with the right hand. The MC activation pattern and network attributes analyzed with the graph theory were compared between the two groups. The results revealed that healthy controls presented dominant activation in the left MC while stroke patients exhibited dominant activation in the bilateral hemispheres MC. The MC networks for the two groups had small-world properties. Compared with healthy controls, patients had higher transitivity and lower global efficiency (GE), mean connectivity, and long connections (LCs) in the left MC. In addition, both MC activation and network attributes were correlated with patient’s upper limb motor function. The results showed the stronger compensation of the unaffected motor area, the better recovery of the upper limb motor function for patients. Moreover, the MC network possessed high clustering and relatively sparse inter-regional connections during recovery for patients. Our results promote the understanding of MC reorganization during recovery and indicate that MC activation and network could provide clinical assessment significance in stroke patients. Given the advantages of fNIRS, it shows great application potential in the assessment and rehabilitation of motor function after stroke.

Functional near-infrared spectroscopy stroke brain network motor function reorganization 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2023, 16(6): 2340003

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