心理生理可計算建模理論與方法的研究.pdf

1、心理生理學是一門研究人體心理行為與生理反應之間關聯(lián)性的重要心理學基礎學科，通過將情緒活動等心理變化作為自變量，將人體各項生理反應作為因變量，提高心理學研究的可操作性和可測量性，并進一步實現(xiàn)從生理數(shù)據(jù)來揭示心理活動的特點和規(guī)律，最終推斷出人的心理狀態(tài)或精神狀態(tài)。然而，心理活動和生理反應之間的對應關系往往都是復雜的一對多、多對一或多對多關系，很難直接獲得理想化的一對一關系。同時，生理測量數(shù)據(jù)越來越具有“大數(shù)據(jù)”特點，使得傳統(tǒng)的依賴于先驗知識

2、的分析方法已無法適用。因此，在生理“大數(shù)據(jù)”時代，如何從多個角度研究心理和生理間復雜的對應關系，從中找出具有可靠性、復現(xiàn)性、普遍性的一對一關系，就成為心理生理學研究所面臨的一大難題。為此，本研究團隊提出了“心理生理計算”這一新的研究概念，從工程學角度入手，通過將信息獲取、計算及分析的思想與方法應用到心理生理學研究當中，分析復雜的心理生理映射關系，實現(xiàn)對不同心理狀態(tài)更為客觀、及時和準確的解釋，量化評估以及推理計算，為進一步實現(xiàn)心理生理推理

3、在心理及精神障礙疾病診斷方面的臨床應用，解決日趨嚴重的心理健康問題提供一種工程化的方法。
　　然而作為一個新的研究概念，“心理生理計算”尚缺乏較為系統(tǒng)的理論與研究框架。同時，心理生理測量數(shù)據(jù)存在的穩(wěn)定性差、個體差異影響顯著、多模態(tài)、高緯度、小樣本量等特點也給發(fā)掘可靠的心理生理對應關系，實現(xiàn)瞬時、可靠、有效的定量感知和推理計算帶來了新的挑戰(zhàn)。
　　本文針對“心理生理計算”中亟待解決的若干問題，從系統(tǒng)化研究框架構建、可靠關系發(fā)掘

4、及預測推理算法創(chuàng)新等方面展開深入研究，主要工作和創(chuàng)新點如下：
　?。?）“心理生理計算”理論與研究框架：針對“心理生理計算”這一新的研究概念尚缺乏較為系統(tǒng)的理論與研究框架這一問題，本文首次系統(tǒng)化地探討了使用“計算思維”研究心理生理學問題、從工程學角度對心理狀態(tài)進行定量感知與計算的必要性，同時從概率學角度分析了“心理生理計算”環(huán)境下心理生理推理的可行性，并提出了一個初步的“心理生理計算”研究框架。該框架充分考慮到數(shù)據(jù)多模態(tài)特性、時間

5、變化特性以及個體和環(huán)境差異性這三個維度對心理生理對應關系的影響，融合理論驅動、數(shù)據(jù)驅動的可計算建模方法，以及創(chuàng)新的本體上下文建模方法，為“心理生理計算”的系統(tǒng)化研究及臨床應用提供了重要的參考價值和借鑒意義。
　?。?）面向“心理生理計算”的規(guī)范化線性組合核函數(shù)：針對心理生理測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、個體差異影響顯著、小樣本量等特點，本文研究了多核學習理論，通過規(guī)范化一階多項式核函數(shù)，再基于其規(guī)范化形式構造無窮遞降等比數(shù)列，利用該數(shù)列的求和

6、收斂性得到一種新的支持向量機（SVM）規(guī)范化線性組合核函數(shù)（Normalized Linear Combination Kernel。NLC）。理論分析可以看出，NLC核函數(shù)所具有的融合性、無參性和數(shù)據(jù)自適應性可以在一定程度上緩解心理生理測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、個體差異影響顯著、小樣本量所帶來的影響，幫助模型學習到數(shù)據(jù)樣本更深層次的隱含信息，在降低模型選擇及參數(shù)優(yōu)化時間復雜度的同時，帶來較好的分類預測及泛化能力。實驗測試結果表明，NLC核函數(shù)

7、在腦電信號、結構磁共振成像等不同類型的心理生理測量數(shù)據(jù)上，均能達到甚至超過多參網(wǎng)格尋優(yōu)后的多項式和高斯核函數(shù)的分類預測性能，而其無參數(shù)的特點則使得分類預測時間效率的提升非常顯著，從而為實現(xiàn)更為瞬時、可靠、有效的心理生理推理打下了基礎。
　?。?）面向“心理生理計算”的多任務特征選擇方法：針對心理生理測量數(shù)據(jù)普遍存在的高維小樣本特點，本文通過研究多任務學習理論提出了一種全新的特征選擇方法?？紤]到“心理生理計算”研究尚沒有用于驗證心理

8、生理推理有效性的金標準，其有效性判定通常是基于心理生理推理結論與其他類型驗證方法所得結論的一致性，新方法采用多任務聯(lián)合分類及回歸模型，在高維生理數(shù)據(jù)特征選擇時，通過引入多類型驗證方法之間存在的關聯(lián)性和一致性作為輔助，增加特征選擇時的參考信息，從而選擇出差異性更大、判別能力更強、無冗余，并且使不同類型驗證方法的結論一致收斂的特征子集，獲得更為可靠的心理生理對應關系，進一步提升心理生理推理的有效性和準確性。實驗測試結果表明，與最小冗余最大相