Rikonoxximent tad-Diskors tal-Vokali Mill-Elettroenċefalografija tal-Firien Bl-Użu ta' Netwerk Neural ta' Memorja fit-Tul-Qasira Parti 2

materjali u metodi

Annimali

Id-daqs minimu tal-kampjun meħtieġ ġie kkalkulat li jkun 11 sa 19, b'referenza għal studji preċedenti fuq l-annimali li kkaratterizzaw risponsi newrali għal sillabi umani differenti [12, 13, 49].

Ir-rispons nervuż u l-memorja huma żewġ aspetti inseparabbli tal-attivitajiet intellettwali tal-bniedem. Ir-rispons newrali jirreferi għall-veloċità tar-reazzjoni u l-eżattezza tal-moħħ tal-bniedem meta tirċievi u tipproċessa diversi informazzjoni sensorja. Il-memorja tirreferi għall-abbiltà tal-moħħ tal-bniedem li jippreserva u jfakkar l-esperjenzi tal-passat.

Ħafna nies jemmnu li r-relazzjoni bejn ir-risponsi newrali u l-memorja hija dgħajfa ħafna, iżda fil-fatt, hemm konnessjoni mill-qrib bejniethom. Għal persuna, f'ċerti sitwazzjonijiet, huwa importanti mhux biss li tkun kapaċi tirreaġixxi malajr, iżda aktar importanti, għall-memorja. Biex nieħdu eżempju, meta niltaqgħu ma 'xi ħaġa simili għal emerġenza, ir-reazzjonijiet newrali tagħna jippermettulna nirreaġixxu malajr u nieħdu azzjoni. F'dan iż-żmien, il-memorja tagħna se jkollha impatt fatali fuq is-sigurtà tal-ħajja tagħna. Għalhekk, jista 'jingħad li r-rispons newrali u l-memorja huma relatati ma' xulxin, u t-tnejn huma indispensabbli.

Allura kif ittejjeb ir-rispons newrali u l-memorja? L-ewwelnett, biex intejbu r-reazzjonijiet newrali, nistgħu nwettqu ħafna taħriġ, bħal varjetà ta 'sports, taħriġ ta' rispons tal-ġisem kollu, taħriġ viżwali u tas-smigħ, eċċ Barra minn hekk, ir-risponsi newroloġiċi jistgħu wkoll jitjiebu permezz ta 'ikel tajjeb u drawwiet ta 'rqad. Biex ittejjeb il-memorja, għandek bżonn tistudja ħafna qari u ssaħħaħ il-ħsieb loġiku u t-taħriġ tal-memorja, bħal tilgħab xi logħob ta 'sfida intellettwali jew tikkomunika ma' oħrajn biex tippromwovi l-iżvilupp tal-ħsieb tiegħek.

Fl-aħħarnett, huwa importanti li wieħed jinnota li kemm ir-risponsi newrali kif ukoll il-memorja jistgħu jitjiebu. Sakemm nagħmlu l-isforz u t-taħriġ u l-iżvilupp maħsub, nistgħu ntejbu f'dan il-qasam. Għalhekk, ejjew nieħdu approċċ pożittiv għall-iżvilupp ta 'reazzjonijiet newroloġiċi u memorja, u niksbu aktar progress u suċċess f'ħajjitna. Wieħed jista 'jara li għandna bżonn ntejbu l-memorja tagħna. Cistanche deserticola jista 'jtejjeb b'mod sinifikanti l-memorja minħabba li Cistanche deserticola huwa materjal mediċinali tradizzjonali Ċiniż b'ħafna effetti uniċi, li wieħed minnhom huwa li jtejjeb il-memorja. L-effikaċja tal-laħam ikkapuljat ġejja mid-diversi ingredjenti attivi li fih, inklużi l-aċidu, il-polisakkaridi, il-flavonoids, eċċ. Dawn l-ingredjenti jistgħu jippromwovu s-saħħa tal-moħħ b'diversi modi.

Ikklikkja taf supplimenti biex ittejjeb il-memorja

Meta wieħed iqis kemm il-validità xjentifika kif ukoll l-etika tal-annimali, total ta '19-il firien Sprague-Dawley maskili (325-400g, 11-13-il ġimgħa fiż-żmien tal-esperiment, Orient Bio Inc., Seongnam, Korea) ġew irreġistrati fl-istudju.

Firien irġiel biss ġew inklużi f'dan l-istudju biex jiġu evitati l-effetti potenzjali tal-estroġenu fuq l-EEG [50]. L-annimali kienu miżmuma individwalment f'gaġeġ tal-plastik standard b'aċċess ħieles għall-ikel u l-ilma u nżammu f'temperatura kostanti (21 ± 1˚C) b'ċiklu ta 'dawl/dlam ta' 12-il siegħa.

Il-protokolli u l-proċeduri sperimentali kollha ġew approvati mill-Kumitat Istituzzjonali għall-Kura u l-Użu tal-Annimali (IACUC) tal-Istitut tax-Xjenza u t-Teknoloġija ta 'Gwangju (GIST).

Skont il-kumitat, l-istudju kien jappartjeni lid-Dipartiment tal-Agrikoltura tal-Kategorija D tal-Istati Uniti; uġigħ jew dwejjaq kien meħlus b'mod xieraq b'anestetiċi, analġeżiċi, u/jew mediċini tranquilizer jew metodi oħra biex itaffu l-uġigħ u t-tbatija.

Għalhekk, il-proċeduri kirurġiċi kollha u l-kura tal-annimali twettqu skont il-linji gwida tagħhom biex jiżguraw skumdità minima għall-annimali (numru tal-approvazzjoni: GIST-2019-047).

Proċeduri kirurġiċi

Il-firien kollha għaddew minn kirurġija ta 'impjantazzjoni ta' mikroelettrodi biex jiksbu sinjali EEG bi tweġiba għall-istimoli tal-ħoss tad-diskors. Qabel l-operazzjoni, il-firien ġew anestetizzati b'isoflurane (5%) imħallat ma 'gass ossiġnu (0.6 L/min rata ta' fluss) f'kamra ta 'induzzjoni.

Ladarba l-firien tilfu r-rifless tar-righting, ġew imċaqalqa f'qafas sterjotattiku u applikaw imnieħer anestetiku. Gass isoflurane (doża ta 'manutenzjoni ta' 1.5%) imħallat ma 'ossiġnu ġie ridirett lejn l-imnieħer.

Sussegwentement, il-vireg tal-widnejn ġew imdaħħla fil-kanali tal-widna biex jiffissaw ir-ras. Imbagħad qaxxajna l-pil mill-widnejn sa bejn l-għajnejn. Saret blokka tal-linja b'2% lidocaine fuq il-qorriegħa, u saret inċiżjoni biex tikxef il-kranju.

Sussegwentement, il-muskoli temporali bilaterali tneħħew parzjalment u saret durotomija fuq kull AAF bi drill dentali biex tiddaħħal l-elettrodi EEG epidurali. L-elettrodu kien mikro-elettrodu wieħed li kien magħmul apposta bl-użu ta 'mikro-kamin, wajer tal-fidda, u konnettur. Il-koordinati tal-AAF kienu kif ġej: 4 mmpoterior, 7.6 mm laterali, u 4 mm ventrali għall-bregma [51].

Fl-aħħarnett, l-elettrodi impjantati ġew imqabbda ma 'konnettur multi-pin u mwaħħla mal-kranju bl-użu tas-siment tal-għadam. Wara li tlestew il-proċeduri kirurġiċi kollha, il-firien ġew injettati b'antibijotiku (ceftazol20 mg/kg, Guju Pharma Co, Korea) u aġent analġeżiku (ketoprofen 2.5 mg/kg, Uni Biotech, Korea) ġol-muskoli għal tlett ijiem konsekuttivi.

L-annimali kollha tħallew jirkupraw għal ġimgħa u ġew osservati mill-qrib għal kwalunkwe sinjal ta 'uġigħ bħal tnaqqis fl-aptit, qagħda miġbuda, jew piloerezzjoni.

Stimulazzjoni tad-diskors

Informazzjoni dwar il-frekwenza tal-ħsejjes tad-diskors hija magħrufa li hija essenzjali għall-perċezzjoni kategorika u r-rikonoxximent ta' vokali differenti [52]. Barra minn hekk, il-komponenti tal-AEP ivarjaw skont ħsejjes bi frekwenzi li jvarjaw, u dawn ir-reazzjonijiet differenti tal-moħħ jistgħu jintużaw biex jiġu studjati mekkaniżmi ta' rikonoxximent tal-ħsejjes [9]. Għalhekk, ġew magħżula ħames ħsejjes differenti tad-diskors tal-vokali, /a/, /e/, /i/,/o/, u /u/, li għandhom frekwenzi formanti distinti ħafna għal kull stimolu tad-diskors [53].

L-istimoli tad-diskors kollha ġew iġġenerati permezz ta' programm text-to-speech ipprovdut minn Google u l-pitch tal-ħoss żdied b'ottava waħda bl-użu tal-funzjoni ta' shift pitch f'MATLAB 2017b (Mathworks, Inc., MA, USA) biex takkomoda l-firxa tas-smigħ tal-firien u applikata normalizzazzjoni ta' l-għerq tal-mezzi kwadri.

L-istimoli ġew mogħtija minn kelliem (SRS-X88, SONY Co., Ġappun), li kien jinsab 'il fuq minn naħa waħda tal-gaġġa, madwar 15 ċm mir-ras tal-far, u l-intensità massima tal-ħoss kienet kkalibrata għal 60 dB SPL. Il-ħoss tad-diskors tal-vokali ġie analizzat skont il-kors tal-ħin, l-ispettri tal-koeffiċjent ta 'tbassir lineari (LPC), u l-ispettrogrammi biex jivverifikaw li kull stimolu għandu l-proprjetà tal-ħoss tiegħu (ara Fig 1).

Għalkemm is-sistema rataauditorja mhix ottimizzata għall-perċezzjoni tal-ħoss tal-vokali tal-bniedem, aħna assumijna li tista' tiskopri ħafna mill-istimoli tal-ħoss peress li l-frekwenza tal-ħoss tappartjeni għall-firxa tas-smigħ tal-firien, jiġifieri minn 0.5 kHz sa 64 kHz f'60 dB SPL [54].

Akkwist tad-data

Ir-risponsi tas-sinjali tal-EEG għal kull stimolu tal-ħoss vokali ġew akkwistati mill-AAF bilaterali wara l-perjodu ta 'rkupru ta' ġimgħa. L-ewwel, il-firien ġew anestetizzati b'isoflurane (5%) imħallat ma 'gass ossiġnu (0.6 L/min rata ta' fluss) għall-induzzjoni.

Wara li l-firien tilfu r-rifless tar-righting, l-anestesija nżammet bl-isoflurane (1.5%) permezz ta 'l-imnieħer waqt ir-reġistrazzjoni biex tiġi evitata l-kontaminazzjoni tas-sinjali EEG minn artifacts tal-moviment. Sussegwentement, konnettur multi-pin wasconnected ma 'apparat ta' reġistrazzjoni (g.USBamp u g.HEADstage, g.tec medical engineeringGmbH, Graz, l-Awstrija), li akkwista sinjali bi frekwenza ta 'kampjunar ta' 1200 Hz.

Ir-reġistrazzjoni epiduralEEG twettqet għal 1500 s għal kull sessjoni, li matulha l-ħames ħsejjes tal-vokali ġew ippreżentati b'mod każwali lil kull far permezz tal-kelliem sperimentali. Kull speechstimulus deher 130-150 darba għal kull stimulu f'sessjoni waħda.

Biex tinkiseb biżżejjed dejta tal-EEG, is-sessjoni ta 'reġistrazzjoni ġiet ripetuta għal ħamest ijiem konsekuttivi. Ir-reġistrazzjonijiet kollha saru f'kabina li ma tagħmilx ħoss biex timmassimizza l-SNR. Dijagramma skematika ta 'l-esperiment hija murija fil-Fig 2.

Preproċessar u analiżi tas-sinjal EEG

Is-sinjali EEG akkwistati ġew analizzati b'reazzjoni għal kull ħoss vokali bl-użu tal-FieldTriptoolbox [55] f'MATLAB 2017b (Mathworks, Inc., MA, USA). Fl-ewwel pass, l-EEGdata mhux maħduma ġew kampjunati 'l isfel minn 1200 sa 250 Hz u ffiltrati b'pass tal-banda fil-medda ta' frekwenza ta '1 sa 60 Hz.

Imbagħad, id-dejta kontinwa tal-EEG ġiet segmentata fi provi speċifiċi għall-istimolu b'perjodu ta 'qabel l-istimulu ta' 500 ms u perjodu ta 'wara l-istimolu ta' 1500 ms. Il-korrezzjoni tal-linja bażi saret ibbażata fuq il-perjodu ta’ qabel l-istimulu. Biex jintremew l-artifacts residwi, provi kkontaminati ġew miċħuda manwalment bl-użu ta 'metodi ta' spezzjoni viżwali.

Wara l-ipproċessar minn qabel, id-dejta tal-EEG mingħajr artifact ġiet medja għal kull stimulus tad-diskors biex jinħolqu l-forom tal-mewġ AEP, u t-TFR tal-formoli tal-mewġ grand-averged ġie kkalkulat.

Analiżi TFR saret ibbażata fuq wavelets Morlet biex jiġu vvalutati bidliet dinamiċi fil-qawwa spettrali matul iż-żmien għal kull stimolu tad-diskors. Bl-użu ta 'forom tal-mewġ AEP ta' medja kbira u t-TFR tagħhom, il-medda ta 'ħin jew frekwenza li prinċipalment kienet tirrifletti r-rispons tal-moħħ għall-istimolu tad-diskors ġie determinat. Fil-każ tal-analiżi TFR, it-test tal-analiżi tal-varjanza (ANOVA) u l-korrezzjoni Bonferroni saru biex jidentifikaw is-sinifikat statistiku bejn is-sinjali TFRs tal-EEG għal kull stimolu tad-diskors [48].

Permezz ta 'dawn ir-riżultati, id-dejta EEG ipproċessata minn qabel ġiet riorganizzata għal użu aktar tard għall-klassifikazzjoni. Biex jiġi żgurat li d-dejta rikostrutta hija sinifikanti, il-firxiet tal-ħin u l-frekwenza tal-provi kollha tal-EEG kienu ristretti. Il-medda tal-ħin ġiet issettjata għal 0.2–0.8 s u l-firxa tal-frekwenza ġiet issettjata għal 1–60 Hz. Wara li ddefinixxew mill-ġdid il-firxiet ta 'żmien u frekwenza, il-provi kollha tal-EEG ġew normalizzati bl-użu ta' normalizzazzjoni z-score, metodu użat komunement biex titnaqqas il-varjabbiltà fost il-provi filwaqt li tinżamm tendenza simili fi ħdan il-provi [56, 57].

Huwa magħruf sew li l-prestazzjoni ġenerali tal-klassifikazzjoni hija mtejba wara n-normalizzazzjoni tal-punteġġ z [56]. Wara dan, is-sett tad-dejta normalizzat z-score ġie mqassam b'mod każwali u separat f'sett ta 'taħriġ (90%) u sett tat-test (10%) biex jintuża bħala inputs għal klassifikazzjonijiet ta' tagħlim profond u tagħlim bil-magni għall-klassifikazzjoni tar-rikonoxximent tad-diskors.

Netwerks bidirezzjonali tal-memorja fit-tul għal żmien qasir

LSTM hija arkitettura speċjali tan-netwerk newrali rikorrenti (RNN) li tegħleb il-problema tal-gradjent li tisparixxi/jisplodi billi tinkorpora strutturi tal-bieb li jikkontrollaw l-istat taċ-ċelloli tal-memorja [46, 58].

Għal din ir-raġuni, LSTM wera prestazzjoni stabbli u qawwija għall-immudellar tad-dipendenzi fit-tul f'varjetà ta 'kompiti temporali jew sekwenzjali [46, 58-61]. L-istruttura tal-LSTM hija murija f'Fig 3A. Id-differenza ewlenija bejn RNN konvenzjonali u LSTMis iċ-ċellula tal-memorja, ct, li tista 'tippreserva l-informazzjoni tal-istat li hija modulata minn tliet tipi ta' gradi awtoparametrizzati: il-bieb tad-dħul, il-bieb tinsa ft, u l-bieb tal-ħruġ.

L-inputgate jiddeċiedi jekk input ġdid se jiġi akkumulat fiċ-ċellula tal-memorja; il-bieb tinsa ftcan jarmi l-istatus tal-passat taċ-ċellula tal-memorja, ct−1; u l-output gate jirregola l-propagazzjoni tal-output miċ-ċellula tal-memorja kurrenti ct fir-rispons tal-output ht. L-ipproċessar ewlieni tal-LSTM huwa deskritt mill-ekwazzjonijiet li ġejjin:

ð6Þfejn σ u tanh huma funzjonijiet ta' attivazzjoni mhux lineari. Il-funzjoni sigmojde loġistika, definita bħalaσ(x)=1/(1+e−x) hija utilizzata bħala l-funzjoni ta' attivazzjoni tal-bieb, u l-funzjoni tanġent iperboliku, tanh(x)=( ex−e−x)/(ex+e−x), huwa użat bħala l-funzjoni ta 'attivazzjoni ta' input u output tal-blokk. Il-multiplikazzjoni skond l-elementi ta' żewġ vettori hija indikata b'�; W, R tirrappreżenta l-matriċi tal-piż, u b tindika l-vector tal-preġudizzju, li huma parametri li jistgħu jitgħallmu li jikkontrollaw kull wieħed.

te.LSTM huwa attestat bħala struttura b'saħħitha għall-immaniġġjar ta' data sekwenzjali [59]; madankollu, l-istandard LSTM jaqbad biss l-informazzjoni tal-passat mis-sekwenza fid-direzzjoni 'l quddiem. BiLSTM ġie implimentat biex tittejjeb l-istruttura.

BiLSTM huwa tip ta 'verżjoni LSTM ta' RNN bidirezzjonali [47, 62]. Għandu żewġ saffi ta 'LSTM, kif muri fil-Fig 3B; wieħed jipproċessa l-informazzjoni fid-direzzjoni 'l quddiem filwaqt li ieħor jipproċessaha fid-direzzjoni lura.

Billi jaċċessaw kemm informazzjoni passata kif ukoll futura, dawn l-istrutturi jistgħu jaqbdu informazzjoni rikka minn sekwenza. Għalhekk, il-letteratura eżistenti turi li BiLSTM jaħdem aħjar mill-LSTM standard fil-klassifikazzjoni tas-sinjali EEG skont kull kompitu.

7].F'dan l-istudju, in-netwerk BiLSTM intuża biex jikklassifika ħames ħsejjes ta 'vokali differenti bl-użu ta' sinjali EEG ta 'bażi ​​ta' prova waħda. Ġie ssettjat saff BiLSTM li kien fih 600 units LSTM u biex jiġi evitat li jitwaħħal iżżejjed, il-proporzjon ta' dropout fuq is-saffi LSTM kien issettjat għal 0.3 [68].

Wara s-saffi LSTM, l-istati moħbija ġew magħquda fis-saff kompletament konness b'funzjoni ta 'attivazzjoni softmax, użata għal klassifikazzjoni multiklassi. L-entropija inkroċjata kategorika ġiet adottata bħala l-funzjoni tat-telf bl-ADAM optimizer [69] u r-rata ta' tagħlim inizjali u t-tnaqqis tar-rata tat-tagħlim ġew issettjati għal 1e-3 u 1e-6, rispettivament. Barra minn hekk, il-mudell ġie mħarreġ b'500 epoka u daqs tal-lott ta '64. Il-kurva tat-tagħlim laħqet plateau stabbli fi żmien 500 epoka.

hs.Dawn l-iper-parametri ġew aġġustati biex jaqblu l-aħjar il-mudell mad-dejta. Intużat 10-foldcross-validation (10-CV) stratifikat biex tiġi evalwata l-prestazzjoni tal-mudell. Il-validazzjoni inkroċjata k-fold hija metodu effettiv biex tittestja r-rata ta 'suċċess tal-mudelli użati għall-klassifikazzjoni u k=10 ġeneralment jitqies bħala l-aktar parametru raġonevoli fit-tagħlim tal-magni applikat.

Il-mudell ġie implimentat bl-użu tal-librerija Keras [71] b'backend TensorFlow [72] u l-librerija Scikit-Learn [73] f'Python.

For more information:1950477648nn@gmail.com