基于EEG-fMRI数据融合技术研究视觉工作记忆功能网络

Working memory plays a key role in human cognition, e.g. planning, decision making, reasoning, learning, problem solving and spatial processing. Working memory disorders result in corresponding psychic/neurological diseases. Hence, the understanding of the neural mechanism of working memory in healthy individuals is fundamental for the exploration of advanced cognitive functions, intellective activities, and clinical researches. Neuroimaging studies have found a complicated neural circuit including several brain regions in the frontal, temporal, parietal and occipital lobes during the visual working memory task. This project aims to explore dynamic information processing mechanisms of visual working memory using EEG-fMRI simultaneous recording technology. A method based on structural MRI to constrain the reconstruction of EEG cortical signals will be developed. Dynamic functional networks will be constructed by cortical EEG phase synchronization and fMRI correlation coefficient, respectively. Subsequently we will explore EEG-fMRI technology by integrating spatial and temporal information and establish the relational model between EEG-fMRI functional network topological parameters and the mechanism of visual working memory. By using these technologies, we will explore 1) whether two types of information (spatial and object) storage in working memory are maintained using a frequency-division multiplexing technology; 2) the relationship between functional network topological parameters of two types of information working memory and attention capacity.

工作记忆是计划、决策、推理、学习、问题解决、空间加工等活动的重要环节，工作记忆的缺损会引起相应的精神/神经疾病，因此对正常人工作记忆的脑机制研究是进一步探索高级认知功能、智力活动和临床研究的基础。视觉工作记忆涉及到额叶、顶叶、枕叶和颞叶等多个脑区，形成一个复杂的神经网络。 本项目针对视觉工作记忆的动态信息处理机制问题，采用EEG-fMRI同步记录技术，发展基于MRI结构信息约束EEG皮层信号重建的方法；利用相位同步分析法建立皮层EEG 信号的动态脑功能网络、利用相关系数法构建fMRI功能网络；发展瞬时EEG功能网络和空间fMRI功能网络的时-空对称融合技术，建立EEG-fMRI功能融合网络综合图论参数与视觉工作记忆的关系模型；探讨1）视觉工作记忆中两类信息（空间和客体）的存储维持是否采用了频分多路复用技术；2）两类信息的工作记忆功能网络拓扑参数与注意容量的关系。

工作记忆是计划、决策、推理、学习、问题解决、空间加工等活动的重要环节，工作记忆的缺损会引起相应的精神/神经疾病，因此对正常人工作记忆的脑机制研究是进一步探索高级认知功能、智力活动和临床研究的基础。本项目针对视觉工作记忆的动态信息处理机制问题，在两方面取得研究进展，1）EEG-fMRI融合技术方面：实现了EEG-fMRI同步记录和数据融合分析，一方面基于MRI结构信息约束EEG皮层信号重建出ERP信号；另一方面利用相位同步分析法建立皮层EEG信号的动态脑功能网络、利用相关系数法构建fMRI功能网络；同时建立了EEG-fMRI功能融合分析方法，把时间分辨率和空间分辨率有机融合起来，发现与视觉工作记忆机制相关的特异性时空成分。2）视觉工作记忆神经机制方面：首先发现注意容量越大，则高低负荷下的工作记忆准确率下降程度越小；其次发现在工作记忆中，客体信息和空间信息一致性优势效应的特异性脑电N1成分，并且发现N1成分主要来源于右侧缘上回，该工作于2017年发表在本领域TOP期刊NeuroImage上；最后，发现10Hz的IFG-TMS会影响视觉工作记忆中两类信息（空间和客体）的编码和提取，IFG-TMS将降低工作记忆的空间不一致干扰，改善行为表现。.综合上述实验研究结果，本项研究的科学意义包括1）EEG-fMRI同步分析融合高时间和空间分辨率的技术可实现性；2）视觉工作记忆中客体信息与空间信息不一致性现象普遍存在，不一致效应的特异性成分的发现是视觉工作记忆神经机制的一个重要进展；3）10Hz的IFG-TMS将降低视觉工作记忆的空间不一致干扰，是改善工作记忆能力的一个有效途径，可以应用于特定场所，提高瞬时工作记忆能力；4）脑电功能网络方法及EEG-fMRI融合技术可以应用于各类神经精神疾病中寻找生物标记，应用于临床早期预测和预防。.本项目利用脑电网络、脑电-磁共振同步技术在视觉工作记忆相关的神经机制方面取得了重要阶段性成果，立项后共发表15篇SCI/SSCI标注论文，取得4项授权专利、5项软件著作权，参加了8个国际会议、13个国内会议，毕业博士1人、硕士9人。