شماره مدرك
21308
شماره راهنما
2532 دكتري
پديد آورنده
نيازمند، طاهره
عنوان
بررسي كنترل پذيري نواحي مختلف مغز و نقش آن در تنظيم و انتقال حالت هاي شبكه مغز
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
كنترل
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
سيزده، 100 ص، مصور، جدول
توصيفگر ها
نظريه كنترل شبكه , كنترل‌پذيري متوسط , كنترل‌پذيري مودال , مدل توده عصبي Coombes–Byrne , تحريك مغزي , شبكه‌هاي مغزي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/07/18
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
برق
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/07/20
كد ايرانداك
23258823
چكيده فارسي
مغز انسان يك سامانه ديناميكي پيچيده است كه عملكردهاي شناختي آن از تعامل ميان ساختار آناتوميكي و ديناميك فعاليت‌هاي عصبي در مقياس كلان ناشي مي‌شود. در سال‌هاي اخير، نظريه كنترل شبكه به‌عنوان چارچوبي مؤثر براي مطالعه نحوه هدايت گذارهاي حالت مغزي و تحليل نقش نواحي مختلف در كنترل ديناميك شبكه مطرح شده است. با وجود پيشرفت‌هاي قابل توجه، هنوز ارتباط ميان معيارهاي كنترل‌پذيري، ويژگي‌هاي توپولوژيكي شبكه و اثرات ناشي از تحريك مغزي به‌طور كامل روشن نشده است. همچنين، بسياري از مطالعات پيشين از مدل‌هاي خطي يا مدل‌هاي غيرخطي استفاده كرده‌اند كه قادر به بازنمايي كامل برخي ويژگي‌هاي ديناميك زيستي مغز نيستند. در اين پژوهش، ابتدا شبكه ساختاري مغز با استفاده از داده‌هاي حاصل از تصويربرداري طيف انتشار و بر اساس اطلس لوزان مدل‌سازي شد. سپس، با بهره‌گيري از يك مدل خطي شبكه مغزي، معيارهاي كنترل‌پذيري متوسط و مودال براي تمامي نواحي محاسبه و ارتباط آن‌ها با مجموعه‌اي از شاخص‌هاي مركزيت شامل درجه، بينابيني، نزديكي، بردار ويژه، كاتز، هارمونيك و پيج‌رنك بررسي شد. نتايج نشان داد كه اگرچه برخي معيارهاي مركزيت، به‌ويژه درجه، همبستگي قابل توجهي با معيارهاي كنترل‌پذيري دارند، كنترل‌پذيري اطلاعاتي فراتر از ويژگي‌هاي صرفاً توپولوژيكي شبكه ارائه مي‌دهد. در ادامه، به‌منظور بررسي واقع‌گرايانه‌تر پاسخ مغز به تحريك، از يك مدل غيرخطي براي توصيف ديناميك شبكه مغزي، مبتني بر مدل توده عصبي معرفي‌شده توسط كومبز و برن در سال 2016، استفاده شد. برخلاف بسياري از مطالعات پيشين، تحريك به هر دو جمعيت تحريكي و مهاري اعمال شد و پاسخ شبكه در دو بازه زماني حين تحريك و پس از تحريك مورد ارزيابي قرار گرفت. براي اين منظور، تأثير ساختار اتصال بر ديناميك شبكه (اثر ساختاري) و اثر عملكردي تحريك در تمامي نواحي مغزي محاسبه و ارتباط آن‌ها با معيارهاي كنترل‌پذيري تحليل شد. يافته‌ها نشان دادند كه كنترل‌پذيري متوسط و كنترل‌پذيري مودال با ميزان انتشار اثرات تحريك داراي همبستگي معنادار هستند، اما شدت اين روابط در افراد مختلف متفاوت بوده و تفاوت‌هاي فردي در ساختار مغز نقش مهمي در پاسخ به تحريك ايفا مي‌كند.
در بخش پاياني، يك راهبرد جديد كنترل چندنقطه‌اي با عنوان «مجموعه كنترلي سوئيچ» ارائه شد كه نواحي كنترل را بر اساس وضعيت‌هاي اوليه و هدف و همچنين نواحي داراي تغيير وضعيت فعاليت انتخاب مي‌كند. نتايج شبيه‌سازي نشان داد كه در گذارهاي مختلف بين حالت‌هاي مغزي، راهبرد مبتني بر نواحي سوئيچ از نظر هزينه انرژي و ميزان درگيري نواحي غيرهدف، عملكرد مطلوبي دارد؛ به‌گونه‌اي كه نسبت به راهبردهاي مبتني بر كنترل‌پذيري متوسط و نواحي كنترل شناختي، بيش از 90 درصد كاهش در انرژي كنترل و بيش از 95 درصد كاهش در فعال‌سازي نواحي غيرهدف ايجاد كرد. راهبرد مبتني بر كنترل‌پذيري مودال نيز با كاهش 70 تا 90 درصدي انرژي، عملكرد مطلوبي داشت، اما با گسترش فضايي بيشتري نسبت به روش پيشنهادي همراه بود. در مقابل، راهبرد مبتني بر كنترل‌پذيري متوسط در تمامي انتقال‌ها بيشترين هزينه انرژي و بيشترين درگيري نواحي غيرهدف را نشان داد. همچنين، معرفي يك پارامتر تنظيم‌پذير براي بازتوزيع انرژي، امكان تنظيم ميزان درگيري نواحي هدف و غيرهدف و كنترل نحوه توزيع انرژي در شبكه را فراهم كرد.
در مجموع، اين پژوهش با تلفيق نظريه كنترل شبكه، مدل‌سازي عصبي مبتني بر داده‌هاي اتصال ساختاري و يك مدل غيرخطي براي شبيه‌سازي ديناميك شبكه مغزي، چارچوبي محاسباتي براي تحليل ديناميك مغز، بررسي اثرات تحريك و طراحي راهبردهاي كنترل ارائه مي‌دهد. نتايج اين مطالعه مي‌تواند مبنايي براي مطالعات آينده در زمينه طراحي پروتكل‌هاي تحريك مغزي شخصي‌سازي‌شده و مداخلات هدفمند براي اختلالات عصبي و روان‌پزشكي فراهم كند.
چكيده انگليسي
Understanding how structural brain organization shapes neural dynamics and enables transitions between brain states is a fundamental challenge in network neuroscience. This dissertation investigates brain controllability by integrating network control theory with linear and nonlinear whole-brain models based on diffusion MRI-derived structural connectivity. First, the relationship between average and modal controllability and graph-theoretical centrality measures was examined using individualized brain networks from healthy adults. The results showed that average controllability is strongly associated with highly connected hub regions, whereas modal controllability exhibits an opposite relationship, indicating complementary dynamical properties beyond conventional topology. Next, a nonlinear next-generation neural mass model was used to evaluate whether linear controllability measures can predict stimulation-induced functional changes. Significant associations between controllability and nonlinear responses demonstrated a link between structural organization and stimulation outcomes. Finally, distributed control strategies were developed for large-scale brain-state transitions in healthy individuals and patients with schizophrenia. A novel Switch control strategy achieved accurate transitions with substantially reduced control energy and non-target engagement compared with conventional approaches. Overall, this work provides an integrated framework combining structural connectomics, network control theory, and nonlinear modeling for understanding brain dynamics and designing efficient personalized neuromodulation strategies.
استاد راهنما
مرضيه كمالي , فريد شيخ الاسلام
استاد مشاور
فرزانه شايق بروجني
استاد داور
مريم ذكري , جلال ذهبي , فريبا بهرامي بوده لالو