数据科学有助于解释癫痫发作
利用网络统计方法，波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员发现了大脑网络在癫痫发作前和发作期间是如何传播和进化的。这里的黑圈表示癫痫发作时大脑中与神经网络活动最相关的区域。这种方法可以帮助改善脑部手术，减少癫痫发作，提高癫痫患者的生活质量。来源：Martinet et al。
数据科学有助于解释癫痫发作
波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员表示，更好地了解大脑的进化网络可以改善治疗
癫痫是最常见的神经系统疾病之一，在美国约有300万人受其影响。癫痫发作可导致严重的跌倒和其他伤害，通常可以通过药物控制，但大约三分之一的癫痫患者对药物没有反应。这些患者通常通过切除来寻求缓解，这是一种外科手术，切除了癫痫发作开始形成的大脑部分。
这是一种激进的、有一个世纪历史的方法，但它很有效。切除可以大大减少癫痫发作的次数，在某些情况下，它可以完全消除癫痫发作。但手术最成功的条件是外科医生首先能精确定位癫痫发作开始的大脑位置，这是一项具有挑战性的壮举，在临床上尚未完善。波士顿大学神经科学家和统计学家的一项新澳门威尼斯人注册网站研究有一天可能会提高手术的成功率，从而提高癫痫患者的生活质量。
波士顿大学艺术与科学学院数学神经科学教授、波士顿大学系统神经科学中心副主任马克·克莱默（Mark Kramer）说：“我们可以把癫痫发作想象成森林大火。”克雷默澳门威尼斯人注册网站研究癫痫发作的动态已经超过15年了。“如果你能在森林大火蔓延之前抓住它，你就有更大的机会把它扑灭。”
他说，森林火灾的类比有一个问题：与在地球表面燃烧的火灾不同，癫痫发作是在极其复杂的大脑细胞和组织的三维网络中演变的——网络中最细微的变化都可能导致突然爆发或癫痫发作范围的减少。
这就是为什么，14年前，克莱默向埃里克·科拉奇克寻求帮助。科拉奇克是艺术与科学学院数学与统计学教授，长期以来一直被认为是网络统计分析方面的世界权威之一，最近，他被任命为波士顿大学拉菲克·b·哈里里计算与计算科学与工程澳门威尼斯人注册网站研究所所长。Kramer希望Kolaczyk的专业知识可以帮助他们在空间和时间上理解癫痫发作在大脑组织网络中爆炸的过程。
“在大脑中，不同的区域一直以健康的方式激活，”克莱默说，他还与马萨诸塞州总医院的临床医生凯瑟琳·朱和悉尼·卡什合作。“当癫痫发作时，许多大脑区域很快联系在一起。我们想了解这个过程。”
为了计划切除，一个临床团队首先打开病人的头骨，在大脑表面直接放置一个多达80个电极的网格。但是，与其将每个电极检测到的大脑活动视为一个单独的数据点，“解决这个问题的一种方法是创建一个网络表示，告诉你……这实际上是大脑的80个不同部分在一起工作，”科拉奇克说。
能够表征大脑的集体行为是向前迈出的一大步，但临床医生仍然面临着将网络表征正确解释为进化的生物系统的挑战。“对于癫痫，”Kolaczyk说，“了解神经网络如何随时间演变尤为重要。”
为了这个解释，Kolaczyk和Kramer与波士顿大学澳门威尼斯人注册网站研究空间记忆的博士后Louis-Emmanuel Martinet，以及波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究生Weston Viles， Elizabeth Spencer和Nathan Perkins合作。澳门威尼斯人注册网站研究小组一起提出了一种分析电极收集的大脑活动数据的新方法。他们开发了一种算法，可以发现这些大脑网络的连接模式，这些模式可以在癫痫发作前、发作中和发作后随着时间的推移而变化。最近发表在《自然通讯》上的一篇论文描述了这种新方法。
“我们想出了一种方法，帮助我们从这些数据中提取出我们所谓的‘动态社区’，”科拉奇克说。“这反过来又使我们能够可视化和分析这些网络如何随时间变化。传统上，癫痫被认为是一种大脑被锁住，所有区域都在协同工作的疾病。我们发现有一个更微妙的过程。”
他说，这很重要，因为这表明癫痫的潜在机制比以前认为的要复杂得多。对于澳门威尼斯人注册网站研究人员来说，想要确定它在大脑中的确切起源是一项艰巨得多的任务。
他说：“这就像试图绘制一个复杂的隧道系统，这些隧道有窄有宽，有连接有分裂，等等。”“同时，光线很差，所以你用来绘制地图的视觉输入是不完美的。最后，隧道真的很长很复杂，所以对隧道系统的简单先入为主的想法很可能会让你误入歧途。”
利用他们的算法方法，Kolaczyk和他的团队基本上模仿了在隧道中行走的行为来生成地图，这样做的方式在统计上是稳健的，计算效率也是很高的。
“考虑到我们从原始大脑时间序列中构建网络时不可避免地会出现一些错误，而且我们可以在一个病人的24小时内处理多达8万个网络的序列，因此正确处理统计和计算元素是很重要的，”Kolaczyk说。“做到正确，意味着最终的‘地图’比目前的标准方法清晰得多。”
新的方法使团队中的计算神经科学家马丁内、斯宾塞、珀金斯和克莱默能够更准确地读取来自患者大脑活动的嘈杂数据。由统计、计算和临床澳门威尼斯人注册网站研究人员组成的联合团队可以对结果进行解释。Kolaczyk说，跨学科的方法，每个合作者团队提供独特的专业知识，是使这项澳门威尼斯人注册网站研究成为可能的原因。
他说：“网络科学的专业知识使澳门威尼斯人注册网站研究小组能够精确地得出大脑连接随着时间而进化的模糊概念。”“同时，统计学（专业知识）对于从原始数据中准确构建网络表示非常重要。临床专业知识在获取数据和解释结果方面都是必要的。计算神经科学家是连接统计和网络（专业知识）与临床的关键桥梁。”
这项澳门威尼斯人注册网站研究是在美国国立卫生澳门威尼斯人注册网站研究院的支持下进行的，有可能做两件事：“一是假设癫痫发作是如何产生和发展的，”Kolaczyk说。“另一种方法是从数据中提取指标，并将其与代表我们目前最佳医疗努力的治疗干预措施和结果进行比较，看看它们在哪些方面具有启导性。”
例如，目前的结果表明，在癫痫发作期间，具有更少、持续时间更短的动态社区的患者（例如，更短长度的隧道较少）可以改善手术效果。澳门威尼斯人注册网站研究人员认为，如果他们能够追踪到癫痫发作的起始点，就有可能在癫痫发作有机会扩散之前将其扑灭。
这项工作得到了国家神经疾病和中风澳门威尼斯人注册网站研究所的支持。
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