机械工程学报

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朱海军, 丁冲, 李洋, 徐桂芝

2020, 37(3): 380-388. doi: 10.7507/1001-5515.201905072

[摘要](274) [HTML全文](336)

摘要:
重复经颅磁刺激是一种无创的脑刺激技术，作为一种治疗性神经康复手段备受关注。已有研究表明，高频重复经颅磁刺激可以提高动物在行为测试中的认知能力和神经元兴奋性。本文旨在研究小鼠自然老化过程中，高频重复经颅磁刺激对其认知能力和神经兴奋性的影响。实验采用青年小鼠、成年小鼠、老年小鼠各 12 只，且每个年龄段小鼠被随机分成刺激组和对照组。刺激组小鼠接受连续 15 天的高频重复经颅磁刺激，对照组接受连续 15 天的伪刺激。刺激结束之后，进行新物体识别与跳台测试，用以检查小鼠的学习记忆能力。行为学测试结束之后，进行全细胞脑片膜片钳实验，用以记录并分析海马齿状回颗粒神经元的静息膜电位、动作电位及其相关电特性指标。数据分析表明，小鼠认知能力与神经兴奋性随着老化而显著衰退，高频重复经颅磁刺激能显著改善认知损伤并缓解神经电特性指标的衰退。通过改变海马齿状回颗粒神经元电生理特性以及提高神经元兴奋性，可能是重复经颅磁刺激缓解认知损伤、提高认知能力的机制之一。

焦虑状态前额叶皮层动作电位因果网络连接模式的研究

保学辉, 董浩然, 刘迢迢, 郑旭媛

2020, 37(3): 389-398. doi: 10.7507/1001-5515.201907011

[摘要](311) [HTML全文](186)

摘要:
焦虑症是常见的情绪障碍类疾病，严重影响着患者正常生活并危害其身心健康。前额叶皮层是焦虑的重要责任脑区。应用清醒动物在体多通道微电极阵列记录技术可以同时获取大鼠在高架十字迷宫（EPM）焦虑状态的动作电位和行为学数据。基于极大似然估计方法（MLE）构建动作电位因果网络，计算网络连接强度和全局效率，定量表征大鼠焦虑状态内侧前额叶皮层动作电位因果网络连接模式。研究发现大鼠在高架十字迷宫封闭臂的进入次数（44.13±6.99）和停留时间（439.76±50.43）s，均高于开放臂的进入次数（16.50±3.25，P<0.001）和停留时间［（160.23±48.22）s，P<0.001］。封闭臂中的动作电位因果网络连接强度（0.017 3±0.003 6）和全局效率（0.044 2±0.012 8），均高于开放臂的网络连接强度（0.010 4±0.003 2，P<0.01）和全局效率（0.034 8±0.011 4，P<0.001），从封闭臂走向开放臂过程中连接强度与全局效率减弱。结果表明内侧前额叶皮层动作电位因果网络变化与焦虑状态有关，该结果可为研究焦虑状态的前额叶皮层脑网络机制提供支持。

基于小波能量矩的嗅觉脑电信号识别

翟文鹏, 张小内, 侯惠让, 孟庆浩

2020, 37(3): 399-404. doi: 10.7507/1001-5515.201910036

[摘要](309) [HTML全文](264)

摘要:
研究大脑对不同气味的识别能力在嗅觉功能障碍评估和诊断等方面具有重要意义。本文提出将小波能量矩（WEM）作为嗅觉诱发脑电图（EEG）信号特征并用于气味分类。首先，通过试验采集 13 种气味的嗅觉诱发 EEG 数据；其次，从嗅觉诱发 EEG 数据中提取 WEM 作为信号特征，并将功率谱密度（PSD）、近似熵、样本熵及小波熵作为对比特征；最后，利用 k 近邻（k-NN）、支持向量机（SVM）、随机森林（RF）和决策树分类器识别不同的气味。结果表明，使用以上 4 种分类器，WEM 特征分类准确率均高于其它特征，其中 k-NN 分类器与 WEM 特征结合的分类准确率最高（91.07%）。本文进一步对不同 EEG 信号的频带进行了探究，发现大多数基于 γ 频带的分类准确率优于全频带及其他频带，其中 γ 频带 WEM 特征结合 k-NN 分类器的分类准确率最高（93.89%）。本文的研究结果一方面可为嗅觉功能评价提供新的客观依据，另一方面，也可为嗅觉诱发情绪的研究提供新的思路。

基于特权信息集成学习的精神分裂症单模态神经影像计算机辅助诊断

沈璐, 王倩婷, 施俊

2020, 37(3): 405-411, 418. doi: 10.7507/1001-5515.201905029

[摘要](394) [HTML全文](245)

摘要:
神经影像技术目前已经应用于精神分裂症的诊断。为了提升基于单模态神经影像的精神分裂症计算机辅助诊断（CAD）的性能，本文提出一种基于特权信息学习（LUPI）分类器的集成学习算法。该算法首先对单模态数据采用极限学习机-自编码器（ELM-AE）进行特征二次学习，然后通过随机映射算法将高维特征随机分成多个子空间，并进行两两组合形成源领域和目标领域数据对，用于训练多个支持向量机+（SVM+）弱分类器，最终通过集成学习获得一个强分类器，实现有效的模式分类。本算法在公开的精神分裂症神经影像数据库中进行了实验，包括结构磁共振成像和功能磁共振成像数据。结果表明该算法取得了最优的诊断结果，其在基于结构磁共振成像诊断的分类精度、敏感性和特异性分别可以达到 72.12% ± 8.20%、73.50% ± 15.44% 和 70.93% ± 12.93%，而基于功能磁共振成像诊断的分类精度、敏感性和特异性分别为 72.33% ± 8.95%、68.50% ± 16.58%、75.73% ± 16.10%。本文算法的主要创新点在于克服了传统的 LUPI 分类器需要额外的特权信息模态的不足，可以直接应用于单模态数据分类问题，而且还提升了分类性能，因此具有较为广泛的应用前景。

基于加权 K-阶传播数的情绪脑网络分类研究

钱宇同, 沈健, 张家祯, 何谈沁, 黄丽亚

2020, 37(3): 412-418. doi: 10.7507/1001-5515.201905039

[摘要](210) [HTML全文](109)

摘要:
脑电信号与人类情绪具有强相关性，情绪脑网络的节点重要性研究为分析情绪脑机制提供了有效手段。本文采用一种新的节点重要性排序方法——加权 K-阶传播数法，设计实现了一种情绪脑网络的分类算法。首先基于 DEAP 情绪脑电数据构建互样本熵脑网络，对正、负情绪下的脑网络分别进行节点重要性排序，以获得多阈值尺度下的特征矩阵。然后通过特征提取和支持向量机实现对情绪的二分类，分类准确率达到 83.6%。结果表明采用加权 K-阶传播数法提取脑网络节点重要性特征进行情绪分类研究是有效的，为复杂网络的特征提取和分析提供了一种新的方法。

基于稀疏偏最小二乘的麻醉意识状态功能连接研究

吴帆, 姜忠义, 毕卉, 张军, 李世通, 邹凌

2020, 37(3): 419-426. doi: 10.7507/1001-5515.201904052

[摘要](208) [HTML全文](113)

摘要:
麻醉意识状态监测是神经科学基础研究及临床应用中的重要问题，受到广泛关注。本研究为寻找临床麻醉意识状态监测指标，共采集 14 位全麻手术患者在三种意识状态（清醒、中度麻醉、深度麻醉）下各 5 min 静息态脑电数据，对比采用稀疏偏最小二乘（SPLS）和传统的同步似然（SL）方法计算脑功能连接，通过连接特征来区分麻醉前后三种意识状态。通过全脑网络分析，本文 SPLS 方法与传统 SL 方法得到的不同意识状态下的网络参数变化趋势一致，并且采用 SPLS 方法所得结果的差异具有统计学意义（P<0.05）。对 SPLS 方法得到的连接特征运用支持向量机进行分类，分类准确率为 87.93%，较使用 SL 方法得到的连接特征分类准确率高出 7.69%。本文研究结果显示，基于 SPLS 方法进行功能连接分析在区分三种意识状态方面有更好的性能，或可为临床麻醉监测提供一种新思路。

具体与抽象图形对 N200 和 P300 电位的影响研究

李梦凡, 杨光

2020, 37(3): 427-433, 441. doi: 10.7507/1001-5515.201903042

[摘要](242) [HTML全文](225)

摘要:
增大事件相关电位的幅值是提高 P300 等经典事件相关电位范式下的脑-机接口系统辨识意图准确率的重要方法之一，此类脑-机接口系统常以符号或者被控对象作为视觉刺激，但是何种视觉刺激能够获得更明显的事件相关电位仍然未知。本文设计方形、箭头和机器人附加箭头这三种视觉刺激，分析图片的具体程度对 N200 和 P300 电位的影响，并采用支持向量机辨识该诱发电位来对比不同刺激下的脑-机接口性能。结果显示，与方形相比，机器人附加箭头和箭头都在额叶诱发出幅值更大的 N200 电位（P = 1.6 × 10⁻³，P = 4.2 × 10⁻²）和潜伏期更长的 P300 电位（P = 2.2 × 10⁻³，P = 1.9 × 10⁻²）。机器人附加箭头将方形和箭头的 N200 电位幅值数值分别从 3.12 μV 和 5.19 μV 提升至 7.21 μV（P = 1.6 × 10⁻³，P = 8.9 × 10⁻²），单次准确率从 59.95% 和 61.67% 提升至 74.45%（P = 2.1 × 10⁻²，P = 1.6 × 10⁻²），单次信息传输率从 35.00 bits/min 和 35.98 bits/min 提升至 56.71 bits/min（P = 2.6 × 10⁻²，P = 1.6 × 10⁻²）。本研究表明图形的具体性会影响 N200 电位和 P300 电位，箭头虽然能够表征图片的含义并诱发电位，但是机器人附加箭头所包含的信息与人的经验相关度更大，有助于获得更高的电位幅值。该研究可为脑-机接口的视觉刺激界面优化设计提供新的思路。

融合多尺度信息的肺结节自动检测算法

刘秀玲, 戚帅帅, 熊鹏, 刘京, 王洪瑞, 杨建利

2020, 37(3): 434-441. doi: 10.7507/1001-5515.201910047

[摘要](359) [HTML全文](161)

摘要:
肺结节是早期肺癌的主要表现形式，准确检测肺结节对肺癌的早期诊断和治疗具有重要意义。然而，由于肺部计算机断层扫描（CT）图像背景复杂、检测范围大，且肺结节大小不一、形态各异，所以快速准确检测肺结节是一项极具挑战的工作。为此，本文提出了一种融合多尺度特征的肺结节自动检测算法，实现了肺结节的准确检测。首先，在用于大规模图像识别的深度卷积网络（VGG16）上设计了具有三层模块结构的肺结节检测模型，利用网络第一层模块提取 CT 图像中肺结节特征并粗略地估计肺结节位置；然后利用网络第二层模块融合多尺度的图像特征信息进一步增强肺结节细节特征；而网络第三层模块融合分析第一层和第二层模块的特征，得到多尺度下肺结节候选框；最后利用非极大值抑制方法对多尺度下肺结节候选框进行概率分析，得到最终的肺结节位置。本文应用肺部影像数据库联盟（LIDC）公共数据集上的肺结节数据对所提算法进行了验证，平均检测精度达到 90.9%。本研究成果可应用于肺结节自动筛查系统，有助于提升肺结节筛查精度。

血管内皮细胞条件培养基对肝癌细胞上皮-间质转化的影响

许博闻, 何佳, 高文博, 苏冠月, 刘肖珩, 沈阳

2020, 37(3): 442-449. doi: 10.7507/1001-5515.201907041

[摘要](306) [HTML全文](214)

摘要:
本文旨在研究间接共培养条件下血管内皮细胞分泌或代谢产生的物质对于肝癌细胞上皮-间质转化（EMT）的影响。体外培养人肝癌细胞系 QGY-7703，并与人脐静脉内皮细胞（HUVEC）条件培养基进行共培养；倒置相差显微镜观察肝癌细胞形态学的变化；划痕实验分析肝癌细胞迁移能力的变化；Western blot 及免疫荧光实验检测条件培养基对肝癌细胞 EMT 相关蛋白表达及分布的影响。结果表明，共培养后，QGY-7703 细胞逐渐由多边形变为纺锤形，迁移能力显著提高，EMT 相关标志物的表达及分布均出现时序性变化。研究结果证实，间接共培养条件下，血管内皮细胞可诱导肝癌细胞发生 EMT。

钙联蛋白在心肌成纤维细胞活化过程中的作用研究

田格尔, 赵明月, 周骏腾, 权月, 吴文超, 刘小菁

2020, 37(3): 450-459. doi: 10.7507/1001-5515.202001052

[摘要](648) [HTML全文](249)

摘要:
钙联蛋白（Calnexin）是内质网上的凝集素样分子伴侣蛋白，也是线粒体结合内质网膜上的重要蛋白，在心脏疾病中发挥着重要作用，但其在心肌成纤维细胞活化中的作用和机制并未阐明。本研究通过小鼠胸主动脉缩窄（TAC）模型来观察体内心肌纤维化情况，并利用心脏超声，苏木精-伊红、Masson 和天狼星红染色，以及心脏纤维化标志物表达水平，鉴定模型是否成功。体外实验利用转化生长因子 TGFβ1 刺激建立心肌成纤维细胞活化模型，通过定量 PCR、Western blot、EdU 渗入法及划痕实验等方法检测其活化、细胞增殖、迁移的变化。利用腺病毒过表达和沉默 Calnexin，来观察 Calnexin 在体外心肌成纤维细胞活化中的作用。结果显示，Calnexin 在 TAC 模型和体外心肌成纤维细胞活化过程中均表达降低。过表达 Calnexin 能缓解心肌成纤维细胞活化；相反，沉默 Calnexin 导致其活化加重。进一步探究发现，内质网应激在心肌成纤维细胞活化过程中被激活，过表达 Calnexin 后内质网应激缓解，相反，敲低 Calnexin 后内质网应激加重，与活化表型变化一致。结果表明，过表达 Calnexin 可能通过缓解内质网应激从而减轻心肌成纤维细胞的活化程度。

方格星虫水提物促小鼠皮肤创伤愈合及作用机制的研究

郑志鸿, 章超桦, 林海生, 曾少葵, 秦小明, 曹文红, 陈海源

2020, 37(3): 460-468, 479. doi: 10.7507/1001-5515.201908008

[摘要](553) [HTML全文](349)

摘要:
为探讨方格星虫水提物（SNE）促进小鼠皮肤创伤愈合的活性及其机制，测定 SNE 的止血作用，建立小鼠全皮层创伤模型，观察伤口愈合形态并测定愈合率；采用苏木素-伊红（HE）、马森（Masson）染色、透射电镜（TEM）观察创面的组织结构；实时荧光定量聚合酶链式反应（qRT-PCR）检测细胞因子及其相关蛋白的表达水平。结果显示，SNE 具有止血作用，能明显提高小鼠创伤愈合率并缩短掉痂时间（P < 0.05）。研究中，SNE 组小鼠表皮生长完全、创面毛细血管和胶原纤维增生明显优于空白（NT）组；第 7 d，SNE 明显降低白细胞介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和转化生长因子-β1（TGF-β1）的表达水平（ P < 0.05）；第 28 d，相比于 NT 组，SNE 组的 Smad7 表达水平上调，TGF-β II 型受体（TGF-βRII）、I 型胶原蛋白（COL1A1）和 α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）的表达水平下调，差异具有统计学意义（ P < 0.05），而与云南白药组（PC 组）的差异无统计学意义（ P > 0.05）。结果表明，SNE 具有促进伤口愈合活性和抑制增生性瘢痕生成作用，其作用机制与止血、调节炎症因子、促进胶原纤维重塑以及调控 TGF-β/Smads 信号通路传导有密切关联。SNE 作为皮肤创伤修复和抑制瘢痕制剂，具有潜在的临床应用价值。

TRIM5 高表达与胶质瘤患者不良预后和免疫浸润的相关性研究

陈悦, 李琴, 张洁, 顾睿, 李凯, 赵岗, 袁航, 丰天宇, 欧德琼, 林苹

2020, 37(3): 469-479. doi: 10.7507/1001-5515.202004064

[摘要](313) [HTML全文](276)

摘要:
三结构域蛋白家族 5（TRIM5）在自噬中起重要作用，并参与免疫和肿瘤进程，然而 TRIM5 在神经胶质瘤中的功能尚不清楚。本研究旨在通过生物信息学分析来评估 TRIM5 在胶质瘤中的作用。本研究神经胶质瘤数据库临床样本包括低级别神经胶质瘤（LGG）与多形性成胶质细胞瘤（GBM）。通过 Oncomine、基因表达谱交互分析（GEPIA）和癌症基因组图谱（TCGA）数据库探寻了 TRIM5 在胶质瘤组织中的表达。基于 TCGA 数据库，我们利用生存分析和多因素 Cox 回归分析评价 TRIM5 的预后作用。利用 STRING 数据库预测 TRIM5 相关蛋白网络，并通过 KEGG 富集分析预测 TRIM5 在胶质瘤中的潜在分子通路。此外，采用 CIBERSORT 和 TIMER 数据库进行免疫浸润分析。结果表明，与 Oncomine、GEPIA 和 TCGA 数据库中的正常样本相比，神经胶质瘤样本中的 TRIM5 表达明显上调。生存分析结果显示，较高的 TRIM5 表达与 LGG+GBM 患者以及 LGG 患者较差的总体生存（OS）有关，但与 GBM 患者 OS 无关。临床相关性分析结果显示，TRIM5 表达与年龄（χ²=44.31，P<0.001）、病理学分级（χ²=130.10，P<0.001）以及组织学类型（χ²=125.50，P<0.001）具有相关性。多因素 Cox 风险分析结果显示 TRIM5 表达（HR=1.48，95% CI=1.20～1.80，P<0.001）、年龄（HR=1.05，95% CI=1.03～1.10，P<0.001）以及病理学分级（HR=3.11，95% CI=2.30～4.20，P<0.001）是胶质瘤患者（LGG+GBM）预后的独立危险因素；TRIM5 表达（HR=1.82，95% CI=1.42～2.32，P<0.001）、年龄（HR=1.06，95% CI=1.05～1.08，P<0.001）、病理学分级（HR=1.92，95% CI=1.22～3.01，P=0.005）以及组织学类型（HR=0.71，95% CI=0.57～0.89，P=0.003）是 LGG 患者的独立预后因素。相互作用网络分析发现，IRF3、IRF7、OAS1、OAS2、OAS3、OASL、GBP1、PML、BTBD1 以及 BTBD2 蛋白与 TRIM5 具有相互作用。此外，KEGG 分析还发现细胞凋亡、肿瘤以及免疫相关通路在 TRIM5 升高时显著富集。免疫浸润分析显示，TRIM5 表达可以影响胶质瘤中活化 NK 细胞、单核细胞、活化肥大细胞、巨噬细胞等免疫细胞浸润水平。以上结果提示，TRIM5 在胶质瘤组织中显著上调，并与预后不良和免疫浸润相关。TRIM5 可能作为神经胶质瘤预后与指导免疫治疗的生物标志物。

基于弥散张量成像对精神分裂症药物治疗不同反应者的研究

曾嘉欣, 张文静, 付桂, 肖媛, 唐碧秋, 姚骊, 吕粟

2020, 37(3): 480-486. doi: 10.7507/1001-5515.201905062

[摘要](299) [HTML全文](161)

摘要:
本文旨在探索首发未用药状态下，抗精神病药物治疗不同反应的精神分裂症患者白质参数是否存在不同模式的改变。采集 60 例首发未用药精神分裂症患者（药物治疗有效者 39 例，难治者 21 例）与 69 例年龄、性别匹配的健康对照的磁共振弥散张量成像（DTI）数据，运用 FSL 软件进行数据处理，提取反映白质微结构完整性的参数并进行确定性的纤维追踪，并基于纤维追踪的结果构建网络矩阵，通过方差分析比较三组间白质参数及白质连接网络拓扑属性的差异。结果发现相比于健康对照，药物治疗有效组白质异常主要表现在丘脑前辐射、胼胝体压部、扣带束和上纵束，而药物难治组白质异常主要分布在丘脑前辐射、扣带束、穹隆和脑桥交叉纤维束。药物难治组在丘脑前辐射表现出比药物治疗有效组更严重的白质异常。此外，三组被试之间白质连接网络拓扑属性差异无统计学意义。支持向量机（SVM）的结果显示两个患者亚组之间分类的准确度为 63.37%（P = 0.04）。该研究表明精神分裂症抗精神病药物治疗不同反应者存在不同模式的白质微结构完整性损伤，这对基线未用药状态下区分和治疗不同反应患者、改善患者预后具有指导作用。

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