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大脑结构如何影响语言任务的表现?

每个人的大脑结构都是独一无二的,差异可能会影响人们完成各种认知任务的速度。

但神经解剖学如何影响表现在很大程度上是一个悬而未决的问题。

为了了解更多信息,科学家正在开发一种新工具 - 大脑的计算模型 - 来模拟大脑结构如何影响大脑活动,最终影响人类行为。该研究侧重于大脑内部的互联性,研究不同区域如何相互联系并相互作用(个体之间的特征不同)。

在最初的概念验证研究中,由布法罗大学数学家Sarah Muldoon领导的团队发现,这种方法有助于理解大脑结构与语言相关任务的表现之间的相互作用。该研究于10月17日在PLOS Computational Biology上发表。

“我们正在创建这些个性化的大脑网络模型,以了解大脑正在做什么,基于人脑的不同区域之间的相互联系,”第一作者Kanika Bansal说道,他是在美国陆军UB联合工作的博士后研究员。研究实验室(ARL)和哥伦比亚大学。

“像这样的模型是强大的工具,因为它们允许我们进行”计算机模拟“实验,以个人的方式理解大脑功能,”UB艺术与科学学院数学助理教授Muldoon博士补充说道。 UB的计算和数据支持的科学和工程以及神经科学计划。

个性化大脑模型的力量

在这项新研究中,研究人员基于扩散光谱图像创建了10人个体大脑的数据驱动数学模型,这些图像捕获了受试者实际大脑的结构布线。

科学家然后使用这些模型来了解每个人的大脑,包括:

当受到刺激时,大脑是否容易跳入活跃状态。

当左侧额下回,即对语言重要的大脑区域受到刺激时,哪些大脑区域变得同步,表现出相似的活动。

该研究确定了大脑的这些特征与人们能够快速执行三项语言要求的任务之间的某些关系:说出一个名词时出现的第一个动词; 在句子中填写一个遗漏的单词; 并阅读大量的。(每位参与者在接受经颅磁刺激前后左侧额下回多次完成每项活动。)

虽然很小,但该研究表明了数据驱动建模在学习大脑结构和任务绩效之间联系方面的潜力。

可能应用于治疗疾病,提高性能

开发个性化的大脑活动模型不仅可以改善神经科学研究,还可以促进使用脑刺激治疗疾病或提高人类在各种任务中的表现。

“创造具有生物学灵感的方法来预测个体对大脑刺激的反应非常重要,”共同作者,德雷克塞尔大学心理学助理教授兼宾夕法尼亚大学神经病学助理教授John Medaglia博士说。“这里有吸引力的想法是我们可以检查每个人的大脑网络中的复杂活动。然后,我们可以定义与现实世界性能密切相关的相对简单的测量。模拟复杂过程和进行简单预测之间的平衡对于驱动是必要的脑刺激研究向前发展。“

“陆军面临的挑战是为成千上万保护全世界平民的军队大规模建立士兵系统,”共同作者Jean Vettel博士说道,他是ARL的高级科学负责人,也是该大学的附属机构。宾夕法尼亚州和加州大学圣塔芭芭拉分校,“这意味着系统必须针对士兵的最一般技能而设计。如本作品所示,ARL研究力求找到新方法,以一种方式有力地量化士兵之间的差异。将允许开发个性化系统,以利用每个士兵的独特专业知识。“

作者说,在医学治疗和任务表现中,理解个体的大脑 - 而不是人类的大脑 - 可能会有益处。这是因为大脑的结构和功能的变化可能影响器官对神经刺激的反应,导致不同人的不同结果。

Danielle Bassett,Eduardo D. Glandt教授研究员,宾夕法尼亚大学生物工程和电气与系统工程副教授,为该研究做出了贡献。她还是宾夕法尼亚大学神经学,物理学和天文学系的附属机构。

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