NCS-FO: Extracting Functional Cortical Network Dynamics at High Spatiotemporal Resolution

NCS-FO:以高时空分辨率提取功能性皮层网络动力学

基本信息

  • 批准号:
    1734892
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 90.92万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-08-01 至 2023-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project is funded by Integrative Strategies for Understanding Neural and Cognitive Systems (NSF-NCS), a multidisciplinary program jointly supported by the Directorates for Computer and Information Science and Engineering (CISE), Education and Human Resources (EHR), Engineering (ENG), and Social, Behavioral, and Economic Sciences (SBE). Neuroscientists have been remarkably successful in understanding the function of numerous brain regions by studying them in isolation and characterizing their individual roles in behavior. Growing evidence in recent years, however, suggests that sophisticated brain function emerges from the co-activation of multiple brain regions that exhibit networked activity. These networks organize rapidly in order to allow the brain to adapt to changes in the environment, resulting in robust behavior. Deciphering the neural mechanisms underlying these network dynamics is therefore crucial in understanding how the brain carries out cognitive processes such as attention, decision-making and learning. Recent technological advances in noninvasive neuroimaging have largely addressed the experimental challenges in studying these dynamic networks in humans and have provided abundant neural data under countless clinical and experimental conditions. However, the sheer high-dimensionality of these data together with the complexity of these networks has created various bottlenecks in data analysis, modeling, and statistical inference. In order to exploit the unique window of opportunity provided by the abundance of noninvasive neural data, this project is (1) developing a unified methodology for inferring the dynamics and statistical characteristics of these cortical networks, in a computationally efficient fashion, and (2) applying this methodology to magnetoencephalography (MEG) data from behaving human subjects to address several fundamental questions about auditory processing. This work brings new insight as to the dynamic organization of brain networks at unprecedented spatiotemporal resolutions, and can thereby affect technology in the areas of brain-computer interfacing and neuromorphic engineering. It also allows for the creation of engineering solutions for early detection and monitoring of cognitive disorders involving auditory perception and attention. The outcome of this project will be disseminated to the broader scientific community in the form of publicly accessible data analysis toolboxes accompanied with tutorials and webinars. The research plan is complemented by educational activities at the K-12, undergraduate, and graduate levels, including workshops, undergraduate projects, and course development, with an emphasis on the involvement of women and underrepresented minorities.The existing paradigm for extracting cortical functional network dynamics faces challenges, including loss of temporal resolution due to the common sliding window processing, loss of spatial resolution due to the constraints of noninvasive recording, and statistical bias due to the heavy usage of linear estimation techniques given that network properties are intrinsically non-linear. This project provides a unified research plan for addressing these challenges, by combining high temporal resolution non-invasive recordings with high spatial resolution in a statistically robust way, using modern signal processing techniques. This methodology will specifically be applied to MEG data acquired from behaving human subjects, and will be used to decipher the neural mechanisms of adaptive auditory processing.
该项目由理解神经和认知系统的综合策略(NSF-NCS)资助,这是一个由计算机和信息科学与工程(CISE),教育和人力资源(EHR),工程(ENG)以及社会,行为和经济科学(SBE)董事会共同支持的多学科计划。神经科学家已经非常成功地理解了许多大脑区域的功能,通过孤立地研究它们并描述它们在行为中的个体角色。然而,近年来越来越多的证据表明,复杂的大脑功能来自表现出网络活动的多个大脑区域的共同激活。这些网络迅速组织起来,使大脑能够适应环境的变化,从而产生强大的行为。因此,破译这些网络动力学背后的神经机制对于理解大脑如何进行注意力、决策和学习等认知过程至关重要。非侵入性神经成像的最新技术进展在很大程度上解决了研究人类这些动态网络的实验挑战,并在无数临床和实验条件下提供了丰富的神经数据。然而,这些数据的高维性以及这些网络的复杂性在数据分析、建模和统计推断中产生了各种瓶颈。为了利用丰富的非侵入性神经数据提供的独特机会窗口,该项目(1)开发一种统一的方法,用于以计算效率高的方式推断这些皮层网络的动力学和统计特征,以及(2)将这种方法应用于行为人类受试者的脑磁图(MEG)数据,以解决有关听觉处理的几个基本问题。这项工作带来了新的见解,以前所未有的时空分辨率的大脑网络的动态组织,从而可以影响脑机接口和神经形态工程领域的技术。它还允许创建工程解决方案,用于早期检测和监测涉及听觉感知和注意力的认知障碍。该项目的成果将以可公开获取的数据分析工具箱的形式传播给更广泛的科学界,并附有教程和网络研讨会。该研究计划由K-12,本科生和研究生水平的教育活动补充,包括研讨会,本科生项目和课程开发,重点是女性和代表性不足的少数民族的参与。现有的提取皮层功能网络动态的范式面临挑战,包括由于常见的滑动窗口处理而导致的时间分辨率损失,由于非侵入性记录的限制而导致的空间分辨率的损失,以及由于大量使用线性估计技术而导致的统计偏差,假定网络属性本质上是非线性的。该项目提供了一个统一的研究计划来应对这些挑战,通过使用现代信号处理技术,以统计上稳健的方式将高时间分辨率非侵入性记录与高空间分辨率相结合。这种方法将具体应用于从行为人类受试者获得的MEG数据,并将用于破译自适应听觉处理的神经机制。

项目成果

期刊论文数量(24)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Real-Time Tracking of Magnetoencephalographic Neuromarkers during a Dynamic Attention-Switching Task.
动态注意力切换任务期间脑磁图神经标记物的实时跟踪。
Algorithms for Estimating Time-Locked Neural Response Components in Cortical Processing of Continuous Speech
  • DOI:
    10.1109/tbme.2022.3185005
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Joshua P. Kulasingham;J. Simon
  • 通讯作者:
    Joshua P. Kulasingham;J. Simon
Neural tracking measures of speech intelligibility: Manipulating intelligibility while keeping acoustics unchanged
Attention Mobilization as a Modulator of Listening Effort: Evidence From Pupillometry
  • DOI:
    10.1177/23312165241245240
  • 发表时间:
    2024-01-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Johns,M. A.;Calloway,R. C.;Kuchinsky,S. E.
  • 通讯作者:
    Kuchinsky,S. E.
Granger Causal Inference from Indirect Low-Dimensional Measurements with Application to MEG Functional Connectivity Analysis
间接低维测量的格兰杰因果推断及其在 MEG 功能连接分析中的应用
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Jonathan Simon其他文献

Time Reversal Invariant Topologically Insulating Circuit
时间反转不变拓扑绝缘电路
Quantum-limited millimeter wave to optical transduction
量子限制毫米波到光转换
  • DOI:
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Aishwarya Kumar;A. Suleymanzade;M. Stone;Lavanya Taneja;Alexander Anferov;D. Schuster;Jonathan Simon
  • 通讯作者:
    Jonathan Simon
Autonomous stabilization of photonic Laughlin states through angular momentum potentials
通过角动量势自主稳定光子劳克林态
  • DOI:
    10.1103/physreva.104.023704
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    R. O. Umucalilar;Jonathan Simon;I. Carusotto
  • 通讯作者:
    I. Carusotto
High-resolution intra-urban assessments of future heat events and heat waves for the city of Augsburg, Germany
德国奥格斯堡市未来高温事件和热浪的高分辨率城市内评估
  • DOI:
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Christian Merkenschlager;E. Hertig;Jonathan Simon;C. Beck
  • 通讯作者:
    C. Beck
An Autonomous Stabilizer for Incompressible Photon Fluids and Solids
不可压缩光子流体和固体的自主稳定器
  • DOI:
    10.1103/physreva.95.043811
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    R. Ma;Clai Owens;A. Houck;D. Schuster;Jonathan Simon
  • 通讯作者:
    Jonathan Simon

Jonathan Simon的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Jonathan Simon', 18)}}的其他基金

EAGER: Quantum Random Walks in the Bose Hubbard Circuit
EAGER:Bose Hubbard 电路中的量子随机游走
  • 批准号:
    1926604
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Physical Knots
物理结
  • 批准号:
    0107209
  • 财政年份:
    2001
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Physical Knot Theory
物理结理论
  • 批准号:
    9706789
  • 财政年份:
    1997
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Energy Functions for Knots
结的能量函数
  • 批准号:
    9407132
  • 财政年份:
    1994
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Knots and 3-Manifolds
结和 3 流形
  • 批准号:
    8102145
  • 财政年份:
    1981
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Knots and 3-Manifolds
结和 3 流形
  • 批准号:
    7606992
  • 财政年份:
    1976
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Knots and 3-Manifolds in 3-Space
3 空间中的结和 3 流形
  • 批准号:
    7103065
  • 财政年份:
    1971
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

影像分型预测HAIC-FO优势肝癌人群及影 像基因组学的研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    10.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
ATP合酶Fo基团在酸性环境的生理活性及其作用机制
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2024
  • 资助金额:
    15.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
烟曲霉F1Fo-ATP合成酶β亚基在侵袭性曲霉病发生中的作用及机制研究
  • 批准号:
    82304035
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
白念珠菌F1Fo-ATP合酶中创新药靶的识别与确认研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    52 万元
  • 项目类别:
    面上项目
GRACE-FO高精度姿态数据处理及其对时变重力场影响的研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
ATP合酶FO亚基参与调控弓形虫ATP合成的分子机制
  • 批准号:
    32202832
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
顾及GRACE-FO极轨特性的高分辨率Mascon时变重力场建模理论与方法
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    59 万元
  • 项目类别:
    面上项目
GRACE-FO微波测距系统原始数据处理、噪声分析与评估
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    58 万元
  • 项目类别:
    面上项目
利用GRACE-FO和中国重力卫星协同探测时变重力场和质量分布变化
  • 批准号:
    42061134010
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
联合GRACE/GRACE-FO和GNSS形变数据反演连续精细的区域地表质量变化
  • 批准号:
    41974015
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    63.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

複数のFoトルク発生ユニットを持つATP合成酵素の創出
使用多个 Fo 扭矩产生单元创建 ATP 合酶
  • 批准号:
    24K01987
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
NCS-FO: Brain-Informed Goal-Oriented and Bidirectional Deep Emotion Inference
NCS-FO:大脑知情的目标导向双向深度情感推理
  • 批准号:
    2318984
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: NCS-FO: Modified two-photon microscope with high-speed electrowetting array for imaging voltage transients in cerebellar molecular layer interneurons
合作研究:NCS-FO:带有高速电润湿阵列的改良双光子显微镜,用于对小脑分子层中间神经元的电压瞬变进行成像
  • 批准号:
    2319406
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: NCS-FO: Dynamic Brain Graph Mining
合作研究:NCS-FO:动态脑图挖掘
  • 批准号:
    2319450
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: NCS-FO: Dynamic Brain Graph Mining
合作研究:NCS-FO:动态脑图挖掘
  • 批准号:
    2319451
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NCS-FO: Understanding the computations the brain performs during choice
NCS-FO:了解大脑在选择过程中执行的计算
  • 批准号:
    2319580
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: NCS-FO: Dynamic Brain Graph Mining
合作研究:NCS-FO:动态脑图挖掘
  • 批准号:
    2319449
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NCS-FO: Uncovering Dynamics of Neural Activity of Subjective Estimation of Time
NCS-FO:揭示主观时间估计的神经活动动态
  • 批准号:
    2319518
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: NCS-FO: A model-based approach to probe the role of spontaneous movements during decision-making
合作研究:NCS-FO:一种基于模型的方法,探讨自发运动在决策过程中的作用
  • 批准号:
    2350329
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NCS-FO: Functional and neural mechanisms of integrating multiple artificial somatosensory feedback signals in prosthesis control
NCS-FO:在假肢控制中集成多个人工体感反馈信号的功能和神经机制
  • 批准号:
    2327217
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 90.92万
  • 项目类别:
    Standard Grant
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了