我們要告訴你什么?哦!!關(guān)于多發(fā)性硬化癥患者腦電信號(hào)復(fù)雜性的研究，這種疾病主要與信息處理減慢和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)缺乏有關(guān)。根據(jù)克拉科夫波蘭科學(xué)院核物理研究所參與的一項(xiàng)科學(xué)項(xiàng)目，這些信號(hào)開始顯示出多重分形的痕跡。

多發(fā)性硬化癥是一種無法治愈的疾病，會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)退化，表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)和感覺障礙。越早發(fā)現(xiàn)疾病，其病程就越有效。早期檢測(cè)這種神經(jīng)系統(tǒng)疾病嚴(yán)重程度的一個(gè)有前途的工具似乎是對(duì)大腦中流動(dòng)的電信號(hào)進(jìn)行多重分形分析，正如波蘭科學(xué)基金會(huì)“受生物啟發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目的研究人員剛剛證明的那樣，由歐洲區(qū)域發(fā)展基金資助。該成果是來自四個(gè)科研機(jī)構(gòu)的研究人員合作的成果：雅蓋隆大學(xué) (UJ)、克拉科夫理工大學(xué)、卡托維茲 SWPS 大學(xué) (USWPS) 和波蘭科學(xué)院核物理研究所 (IFJ PAN)克拉科夫，進(jìn)行多重分形分析。

“對(duì)多重分形關(guān)系的搜索對(duì)計(jì)算要求很高，并且隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的增強(qiáng)和軟件的開發(fā)，在過去十年左右才開始變得更加普遍。因此，在科學(xué)活動(dòng)的許多領(lǐng)域，多重分形僅處于“邁出第一步”的階段。其中一個(gè)領(lǐng)域是分析人腦發(fā)出的電信號(hào)的復(fù)雜性，特別是在大腦發(fā)生退行性變化的情況下，”IFJ PAN 復(fù)雜系統(tǒng)理論系的 Pawel Oswiecimka 博士說。

構(gòu)成該項(xiàng)目基礎(chǔ)的研究患者是由 UJ 醫(yī)學(xué)院神經(jīng)內(nèi)科和 UJ 醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科的研究人員和醫(yī)生嚴(yán)格挑選的。診斷出的早期多發(fā)性硬化癥組最終減少到 38 名受試者，對(duì)照組減少到 27 名。在兩年的時(shí)間內(nèi)多次收集腦電圖 (EEG) 數(shù)據(jù)，每次都讓受試者參與不同的任務(wù)。使用 256 個(gè)電極測(cè)量大腦的電活動(dòng)，每個(gè)電極每秒采樣 1000 次。在實(shí)際分析之前，信號(hào)會(huì)被清理，例如去除眨眼引起的偽影，并根據(jù)普遍接受的慣例，將其組合成與 20 個(gè)大腦區(qū)域相對(duì)應(yīng)的組。

“收集的數(shù)據(jù)總量如此之大，我們的團(tuán)隊(duì)需要數(shù)年時(shí)間才能完成全套多重分形分析。因此，我們剛剛發(fā)表在《生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理與控制》上的論文僅討論了在測(cè)量的最早階段收集的讀數(shù)，涉及服用兩種處方藥物之一的受試者在測(cè)量期間沒有進(jìn)行任何活動(dòng)的情況”Oswiecimka 博士解釋道。

“普通”分形的基本特征是它們的自相似性：通過放大它們，我們遲早會(huì)看到與最初的結(jié)構(gòu)非常相似，甚至相同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)我們以簡(jiǎn)單的方式組合多個(gè)分形時(shí)會(huì)發(fā)生什么?結(jié)果通常是噪音。然而，有一些數(shù)學(xué)運(yùn)算可以將分形編織成保留自相似能力的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在普通分形中，當(dāng)我們用對(duì)該分形始終恒定的因子縮放任何片段時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)自相似性，而多重分形的不同片段必須以不同的方式縮放。這一特征意味著，雖然使用普通分形進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)線性相關(guān)性(例如趨勢(shì))，但多重分形可以揭示不太明顯的非線性相關(guān)性的存在。

在分形分析階段，IFJ PAN 專家注意到，健康人大腦發(fā)出的電信號(hào)顯示出某些長(zhǎng)期趨勢(shì)的存在，這使得他們的電活動(dòng)圖在視覺上比多發(fā)性硬化癥患者更平滑，而多發(fā)性硬化癥患者的電活動(dòng)圖在視覺上比多發(fā)性硬化癥患者更平滑。大腦發(fā)出更多“鋸齒狀”信號(hào)。但當(dāng)涉及多重分形時(shí)，情況就會(huì)發(fā)生變化：健康人大腦發(fā)出的電信號(hào)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性低于患者。

“似乎在患有早期多發(fā)性硬化癥的人中，神經(jīng)元之間的通信更加復(fù)雜。然而，神經(jīng)元并不完全相互獨(dú)立，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀还餐?fù)責(zé)腦電圖信號(hào)的形成，因此我們觀察到了復(fù)雜的分形，即多重分形，”Oswiecimka 博士說，并補(bǔ)充道：“相比之下，在對(duì)照組中，健康組的各個(gè)分形成分更加規(guī)則，更好地結(jié)合在一起，并且多重分形結(jié)構(gòu)變得更加難以看到。”

USWPS 心理學(xué)系的 Tadeusz Marek 教授對(duì)所獲得的結(jié)果進(jìn)行了解釋：“多發(fā)性硬化癥患者中復(fù)雜信號(hào)組織的存在可能表明大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的補(bǔ)償過程。大腦試圖彌補(bǔ)疾病造成的缺陷，并尋找繞過受損區(qū)域的方法，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重組。這些區(qū)域的功能試圖被其他仍然有效工作的神經(jīng)元組接管，這表現(xiàn)為電活動(dòng)復(fù)雜性的增加。”

在總結(jié)多重分形腦電圖記錄的分析結(jié)果時(shí)，Marek 教授強(qiáng)調(diào)，事實(shí)證明，它們是一種高度靈敏的工具，可用于檢測(cè)多發(fā)性硬化癥發(fā)展早期大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的代償過程。

IFJ PAN 物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)的工作成果是開發(fā)更準(zhǔn)確的技術(shù)來評(píng)估患者多發(fā)性硬化癥進(jìn)展的第一步。目前，用于此目的的問卷調(diào)查本質(zhì)上是高度主觀的，而更客觀的檢查則需要使用磁共振成像，因此不僅具有侵入性，而且成本高昂。發(fā)現(xiàn)患者的病情與其大腦電活動(dòng)的多重分形復(fù)雜性之間的關(guān)系將允許使用一種易于使用的非侵入性且對(duì)患者來說不太麻煩的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行客觀評(píng)估。

報(bào)告的結(jié)果是對(duì)該科學(xué)項(xiàng)目期間收集的腦電圖信號(hào)進(jìn)行分析的第一階段，其余腦電圖數(shù)據(jù)目前正在處理中。然而，研究范圍更廣泛，還包括使用結(jié)構(gòu)和功能磁共振技術(shù)進(jìn)行腦成像。這些產(chǎn)生了一系列顯示橫截面的圖像，從中可以重建大腦的結(jié)構(gòu)以及各個(gè)區(qū)域的血液供應(yīng)和氧合的變化。因此，對(duì)多發(fā)性硬化癥多重分形預(yù)示的探索將繼續(xù)下去——不再是一維，而是四維。