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教育 关于基于梯度的脑功能理论中的度量选择
这是一篇 PLOS 计算生物学教育论文。大脑以最小化某些成本的方式运作的想法在理论神经科学中普遍存在。由于成本函数本身并不能预测大脑如何找到最小值，因此需要对优化方法做出额外假设来预测生理量的动态。在这种情况下，最速下降（也称为梯度下降）通常被认为是大脑可能实现的优化算法原理。在实践中，研究人员通常将偏导数的向量视为梯度。然而，梯度的定义和最速方向的概念取决于度量的选择。由于度量的选择涉及大量自由度，因此基于梯度下降的模型的预测能力必须受到质疑，除非对度量的选择有严格的限制。在这里，我们对梯度下降的数学进行了教学回顾，并通过文献中的例子说明了使用梯度下降作为大脑功能原理的常见缺陷，并提出了限制度量的方法。
一种脑肿瘤分割的持续学习方法
脑肿瘤的特征是脑组织异常生长，因其对全球发病率和死亡率的影响而成为一项重大的医学挑战。脑肿瘤有多种表现形式，从良性到恶性，后者尤其具有侵袭性且易于转移 (1)。脑肿瘤的病因复杂，包括放射线暴露、遗传易感性和家族史等因素，因此需要早期发现和准确诊断 (2)。在脑肿瘤诊断领域，磁共振成像 (MRI) 因其更高的空间分辨率和软组织对比度而成为优于计算机断层扫描 (CT) 的检查方式。这使得 MRI 成为脑肿瘤病例术前评估、治疗管理和生存预测所必需的 (3)。然而，MRI 扫描中传统的手动分割方法虽然是黄金标准，但却存在固有的效率低下和主观差异性，因此有必要探索自动化技术 (4、5)。近年来，深度学习模型（例如 Ma 等人提出的模型）在自动脑肿瘤分割方面取得了重大成功。这些模型擅长捕捉局部和全局上下文特征，但通常会遇到梯度消失和过拟合的问题，尤其是在较深的网络层中。Kumar 等人（7）通过将 ResNet50 与全局平均池化相结合来解决这些问题，以增强各种肿瘤类型的肿瘤分类。在此基础上，我们的研究引入了一种先进的连续学习框架，用于从 MRI 图像中分割脑肿瘤，如图 1 所示。我们的方法与现有技术不同，它集成了多尺度空间蒸馏和伪标记策略。这种方法不仅克服了以前模型中出现的梯度消失和过拟合的局限性，而且还解决了灾难性遗忘问题——这是连续学习模型中常见的挑战。与依赖于保留数据的传统方法不同，我们的研究引入了一种先进的连续学习框架，用于从 MRI 图像中分割脑肿瘤，如图 1 所示。我们的方法与现有技术不同，它集成了多尺度空间蒸馏和伪标记策略。这种方法不仅克服了以前模型中出现的梯度消失和过拟合的局限性，而且还解决了灾难性遗忘问题——这是连续学习模型中常见的挑战。与依赖于保留数据的传统方法不同，我们的研究引入了一种先进的连续学习框架，用于从 MRI 图像中分割脑肿瘤，如图 1 所示。
染色质状态在脑功能和疾病中的作用
染色质是携带DNA序列的基因组的物理底物，并确保其在细胞核中的适当功能和调节。虽然在编程的细胞过程（例如开发）过程中染色质的动力学知之甚少，但染色质在经验依赖性功能中的作用仍未得到很好的定义。积累的证据表明，在脑细胞中，环境刺激可以触发可能影响未来转录程序的染色质结构和三维（3D）组织的长期变化。本综述描述了最新发现，表明染色质在细胞记忆中起着重要作用，尤其是在维持大脑中先前活性痕迹中。受到免疫和上皮细胞发现的启发，我们讨论了潜在的机制及其对健康和疾病中经验依赖性转录调控的影响。我们通过提出染色质的整体观点作为分子底物的整体观点，以整合和同化环境信息，这可能构成未来研究的概念基础。
到大脑或不脑官
自2013年脑器官成立以来，有关该主题的研究和讨论成倍增长。他们概括人脑解剖和功能特征的能力引起了全球兴趣。在2013年至2022年之间，平均每月发表了10篇以上文章（1826），其中1/3超过1/3不是原始研究，而是评论（587，Source PubMed）。科学家将脑器官剥削为基础研究，毒性和药物测试的脑模拟工具，并考虑了其潜在的发音和意识。虽然尚未检测到这些脑官的争论特征，但对当前可能的高级应用程序的猜测是令人兴奋的前景。Smionerova等。（1）就其计算和认知能力以及功耗非常低的作用而言，为人脑的至高无上提出了令人信服的案例。将这些参数与最佳计算机进行比较，这些计算机已知具有实质性的碳足迹。他们还为利用脑器官作为生物计算的下一代机械而提出了令人信服的论点。由于这些3D构造可能是人脑的一部分，因此他们认为，与我们的大脑一样，与众不同的不同构造可能会像我们的大脑一样有效。因此，设想了一项跨学科研究计划用于利用–
精神分裂症和躁郁症风险人群在情绪 Stroop 任务期间的大脑前额叶活动——一项 fNIRS 研究
目标：情绪斯特鲁普效应被定义为与中性刺激相比，对情绪刺激的反应时间增加。文献中经常报道这种效应，包括行为和神经生理层面的报道。本研究的目的是调查在情绪斯特鲁普任务中，有精神分裂症和躁郁症风险的个体的大脑前额叶激活情况。我们预计会观察到与健康对照组相比，高危人群的激活程度会降低。方法：精神病高风险（HR）、精神病超高风险（UHR）、躁郁症风险（BIP）个体和健康对照组（HC）执行情绪斯特鲁普任务，其中包括正价、负价和中性词。功能性近红外光谱（fNIRS）用于测量代表背外侧前额叶和额颞叶皮层大脑活动的氧合血红蛋白（O 2 Hb）水平。结果：结果显示，与 HC 组相比，HR 组和 UHR 组的右背外侧前额叶皮层 (DLPFC) 的 O 2 Hb 水平显著降低，表明活动性较低。尽管这种下降与词语的价数无关，但对于负面词语来说，下降最为明显。此外，与 HC 组相比，所有高危人群的额颞叶皮层 (FTC) 中的 O 2 Hb 水平均显著降低。结论：精神病和躁郁症风险人群的 FTC 活动性降低反映了非特异性功能障碍。HR 组和 UHR 组 DLPFC 活动性降低表明，在有精神分裂症精神病风险的个体中已经发现了额叶功能减退。
40岁的女性相关的复发性脑脓肿...
背景：心室间隔缺陷（VSD）是脑脓肿的关键危险因素之一。不受控制的氰基先天性心脏病病例中无硬性的血液将在逃避过滤机制并引起脑脓肿后进入大脑。案例：一名40岁的女性出现了为期两周的中度头痛，入院前四天严重恶化。神经系统表现包括注意力缺陷，构音障碍，右侧偏瘫和适当的面部麻痹。实验室发现表明白细胞增多和多余细胞症。超声心动图显示VSD。脑MRI与对比度表明左枕叶有单个脓肿病变。一项组织病理学检查证实了诊断。在住院期间服用抗生素，此后门诊治疗。一个月的随访揭示了新的症状和随后的手术切除。讨论：尽管采用了先进的诊断技术，但大脑脓肿仍然是一个具有挑战性且威胁生命的病例。不受控制的氰化心脏病可能是脑脓肿发生的基本危险因素。必须进行彻底的诊断检查以建立诊断。最佳的经验抗生素治疗是管理的基石。在抗生素治疗后，必须在大小尺寸降低或非最佳尺寸的病变中考虑一种手术方法。必须全面管理大脑脓肿及其病因，以降低复发率。结论：与不受控制的氰基先天性心脏病相关的脑脓肿需要涉及抗生素和手术的全面治疗。针对临床和每月成像评估的基本原因和具有成本效益的随访至关重要。关键词：脑脓肿，氰基心脏病，心室间隔缺陷
临床创意音乐疗法促进大脑功能......
认知和神经行为问题是极度早产儿最严重的不良后果之一。这种神经发育障碍可以通过非药物干预来缓解，例如创造性音乐疗法 (CMT)，这是一种互动的、以资源和需求为导向的方法，可提供个人社交和音乐刺激。目的是测试一项研究 CMT 作用的研究的可行性，并通过 MRI 测量 CMT 对结构和功能性大脑连接的短期和中期影响。在这项随机对照的临床试点可行性试验中，82 名婴儿被随机分配到 CMT 或标准护理。一名经过专门培训的音乐治疗师通过婴儿指导的摇篮曲式哼唱和歌唱来提供 CMT。为了测试 CMT 对大脑结构和功能的短期影响，获取了扩散张量成像数据和静息状态功能成像数据。尽管随机分组后，对照组中父母有中等程度的拒绝，但仍实现了临床可行性。40 名婴儿作为 MRI 分析的最终队列。结构性脑连接似乎受到 CMT 的中等影响，结构性连接组学分析显示，只有后扣带皮层的整合度有所提高。滞后静息态 MRI 分析显示，接受 CMT 治疗的婴儿丘脑皮层处理延迟更低、功能网络更强、主要在左前额叶、辅助运动和颞下脑区的功能整合度更高。这项试验提供了独特的证据，表明 CMT 对早产儿高阶认知、社会情感和运动功能网络的功能性脑活动和连接性具有有益影响。我们的结果表明，CMT 有可能改善早产儿的长期神经发育结果。
大脑发育的概述
在开发的第28天之前，神经管已关闭，其主端末端已经形成了三个相互连接的腔室。这些腔室变成心室，围绕它们的组织成为大脑的三个主要部分：前脑，中脑，后脑。（FIF 3.5 a和3.5 c）随着发育的进展，the骨腔（前脑）分为三个单独的部分，它们成为两个侧心室和第三个心室。侧心室周围的区域变成了脑脑（末端大脑），第三个心室周围的区域变成了脑脑（脑）。（3.5 b和3.5 d）以最终形式，中脑内部的腔室（中脑）变窄，形成大脑渡槽，并在后部脑中形成两个结构：Metencephalon（Metercephalon（Afterbrain）和Myelencephalon（Marrowbrain）（Marrowbrain）（Marrowbrain）（Marrowbrain）（Marrowbrain）（Marrowbrain）（div 3.5 E）
深脑电气神经反馈允许帕金森患者控制病理振荡并加快运动
帕金森运动症状与基底神经节中病理上增加的β振荡有关。虽然药理学治疗和深脑刺激（DBS）降低了这些病理振荡，并随着运动性能的提高而降低了这些病理振荡，但我们着手探索神经反馈作为内源性调节方法。我们通过植入的DBS电极实施了病理性亚丘脑β振荡的实时处理，以提供深脑电气神经反馈。患者在训练后几分钟内通过视觉神经反馈进行了视觉控制的β振荡活动。在一次单小时的训练中，β振荡活动的减少逐渐变得更强大，我们观察到了运动性能的提高。最后，即使去除视觉神经反馈后，对深脑活动的内源性控制也是可能的，这表明在短期内保留了神经反馈获得的策略。此外，我们观察到2天后学习的心理策略在没有神经反馈的情况下进行了改善。进一步训练深脑神经反馈可能会通过使用神经反馈优化的策略来改善症状控制，从而为帕金森患者提供治疗益处。
大脑和大型fMRI数据中功能性脑网络的层次结构建模
大规模脑成像数据集的一个主要目标是提供用于研究异质弹出的资源。从这些数据集中为各个受试者提供功能性脑网络的表征将具有预测认知或临床特征的巨大潜力。我们第一次提出了一种技术，即概率的功能模式（sprofumo），该技术可扩展到英国生物库（UKB），有预期的100,000名参与者，并且在个人和人群中层次估算了层次的功能性脑网络，同时对两种信息之间的双向流量进行了影响。使用仿真，我们显示了模型的效用，尤其是在涉及显着的跨主题可变性的情况下，或者需要在网络之间划定细粒度的差异。随后，通过将模型应用于4999名UKB受试者的静止状态fMRI，我们将静止状态网络（RSN）绘制为单个受试者，其详细范围比以前在UKB（> 100 rsns）中可能绘制了，并证明这些RSN可以预测somecorimotor andsocorimotor and somecorimotor and Emperife and Elighe colesions and Level Consoge。此外，我们证明了该模型的几个优点，而不是独立的组件分析与双重回归（ICA-DR）相结合，尤其是在估计RSN的空间配置和认知性状的预测能力方面。所提出的模型和结果可以为将来从大数据中对个性化的脑功能纤维进行调查打开新的门。