神经元群体/集群电活动对行为任务的稀疏编码机制研究

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研究目的:神经元群体中的神经元对行为任务有着不同程度的编码:(1)功能神经元集群在行为任务的执行过程中发挥了主要作用(2)群体中非集群神经元的电活动也会发生改变,也参与编码。由于神经元活动具有稀疏特性,若随机选择若干个神经元去实现植入式脑机接口,至少需要多少神经元才能完成任务呢?本论文研究了在两种不同的行为任务中,清醒动物皮层神经元群体/集群电活动对行为任务的稀疏编码机制。第一部分以大鼠为研究对象,研究大鼠前额叶皮层神经元集群对工作记忆事件的编码。第二部分是以恒河猴为研究对象,研究神经元群体在脑机接口任务中的编码机制,探索至少需要多少神经元才能够有效地编码信息。第一部分:大鼠内侧前额叶皮层神经元集群对工作记忆事件的编码1.研究方法:1)实验动物:雄性SD大鼠10只,体重300-350g。2)大鼠进行Y迷宫工作记忆任务训练,直到大鼠操作正确率达到80%。3)在大鼠内侧前额叶皮层植入16通道微电极阵列。4)应用Cerebus128通道信号采集系统在体记录大鼠在Y迷宫工作记忆过程中内侧前额叶皮层的16通道神经电信号。5)从16通道原始信号中获取神经元群体发放动作电位的时空序列。6)大鼠工作记忆过程中的神经元集群频率/熵编码。7)分析大鼠工作记忆过程中的行为学特征、前额叶皮层神经元集群频率和熵编码的特征模式,研究前额叶皮层功能神经元集群编码工作记忆信息的机制。2.研究结果:在工作记忆事件标记点前,神经元呈现明显的集群活动。对神经元群体发放动作电位的时空序列分别进行神经元集群频率编码和熵编码,得到如下结果:1)工作记忆中大鼠内侧前额叶皮层神经元集群频率编码。在正确trials中,标记点之前的平均发放频率(10.8607±1.8176)高于标记点之后的平均发放频率(8.1714±1.1521)(P<0.05)。在错误的trials中,标记点前后的平均发放频率没有统计学差别(P>0.05)。2)工作记忆中大鼠内侧前额叶皮层神经元集群熵编码。在正确trials中,标记点之前的平均熵值(0.1088±0.0305)高于标记点之后的平均熵值(0.0862±0.0083)(P<0.05)。在错误的trials中,标记点前后的平均熵值没有统计学差别(P>0.05)。第二部分:恒河猴初级运动皮层神经元群体在脑机接口中的编码1.研究方法:1)实验动物:成年雄性恒河猴(Macaca mulatta)2只,体重分别为10.1千克和7.9千克。2)猴子进行脑机接口任务(Center-out task)训练,同时应用Plexon多通道信号采集系统记录猴子在执行脑机接口任务时,初级运动皮层的多通道神经电信号,同时记录下行为学结果和上肢肌肉群的肌电图(EMGs)。3)从多通道原始信号中获取神经元群体发放动作电位的时空序列。4)建立线性模型,对恒河猴初级运动皮层的神经元的电活动信号进行分析、解码,实现神经信号对光标的直接控制。5)从神经元群体中随机挑选不同数目的神经元去实现光标控制,研究至少需要多少神经元才能有效地实现神经控制。6)分析猴子在执行脑机接口任务时,神经元的调谐属性及肌电活动的变化。2.研究结果:1)行为学结果两只猴子在HC阶段的行为操作正确率都接近100%。在BC阶段,两只猴子可以通过神经信号直接控制光标,即使他们的手臂无法移动。对于Monkey1,在BCWH/BCWOH阶段,40-neuron模型的正确率高于10-neuron模型的正确率。对于Monkey2,在BCWH阶段,选择的模型神经元越多,正确率越高;在BCWOH阶段,只有19-neuron模型才能够完成任务,且经过长时间(65天)的训练,最高正确率稳定在80%左右。2)神经元的方向调谐属性.从神经元群体中随机选取了不同数目的神经元去控制光标,分析了神经元群体的方向调谐属性。结果显示,模型神经元基本保持稳定的偏好方向。根据每个神经元的发放频率预测了神经元的偏好方向,并计算了真实值与预测值之间的角度偏差。结果表明,选取的神经元数目越大,角度偏差的起始值越大。但是随着训练的进行,角度偏差逐渐减小。3) EMGs的方向调谐属性对于Monkey1,在HC阶段,左侧肱三头肌、腕部伸肌有明显的活动,而在BCWH和BCWOH阶段,EMGs的幅度均明显减小;对于Monkey2,在HC阶段,左侧肱二头肌、肱三头肌、腕部伸肌有明显的活动,而在BCWH和BCWOH阶段,EMGs的幅度均明显减小。并且,EMGs具有一定的方向调谐属性。研究结论:本论文研究了在两种不同的行为任务中,清醒动物皮层神经元群体/集群电活动对行为任务的稀疏编码机制。分别从行为学分析、皮层神经元集群编码和方向调谐属性等方面进行研究,得到如下结论:1.当大鼠在执行工作记忆任务时,内侧前额叶皮层神经元呈现明显的集群活动。这一明显的集群活动仅出现在正确的trials中,而在错误的trials中则没有明显变化。因此,大鼠内侧前额叶皮层神经元集群的活动编码了工作记忆事件。2.神经元群体中,神经元电活动对行为任务有着不同程度的编码。当猴子执行脑机接口任务时,集群神经元发挥了主要作用;同时非集群神经元的活动也有所改变(相对于自身而言),即非集群神经元也参与了编码。3.神经元活动具有稀疏特性。本实验中,随机选择群体中的40%(19/47)和24%(40/166)的神经元,可以有效地编码信息。
中文摘要第4-7页
Abstract第7-10页
縮略语/符号说明第14-15页
第1章 前言第15-22页
    1.1 研究背景第15-19页
        1.1.1 脑机接口的概念第15-16页
        1.1.2 神经元群体/集群稀疏编码第16-18页
        1.1.3 科学问题的提出第18-19页
    1.2 研究目的第19页
    1.3 研究内容第19-21页
    1.4 创新点第21-22页
第2章 原理与方法第22-27页
    2.1 植入式多通道同步记录技术第22-24页
        2.1.1 植入式多通道同步记录技术的发展第22页
        2.1.2 植入式在体多通道同步记录采集系统的组成第22-24页
    2.2 神经元集群编码第24-27页
        2.2.1 神经元集群频率编码第24页
        2.2.2 神经元集群熵编码第24-27页
第3章 大鼠前额叶皮层神经元集群对工作记忆事件的编码第27-53页
    3.1 工作记忆第27-28页
        3.1.1 工作记忆的概念第27页
        3.1.2 内侧前额叶皮层在工作记忆中的作用第27-28页
        3.1.3 Hebb细胞集合学说第28页
    3.2 获取工作记忆任务中大鼠内侧前额叶皮层神经元群体电活动的实验第28-36页
        3.2.1 实验动物第29页
        3.2.2 Y迷宫行为学实验第29-30页
        3.2.3 Y迷宫适应性训练第30页
        3.2.4 大鼠工作记忆任务的训练方法第30-31页
        3.2.5 多通道微电极阵列植入手术第31-34页
        3.2.6 大鼠工作记忆过程中内侧前额叶皮层神经电信号的采集第34页
        3.2.7 多通道原始数据的预处理第34-36页
    3.3 结果第36-48页
        3.3.1 大鼠在Y迷宫工作记忆任务中的行为学结果第36-37页
        3.3.2 大鼠内侧前额叶皮层神经元对工作记忆事件的调制第37-38页
        3.3.3 大鼠在工作记忆过程中内侧前额叶皮层神经元集群频率编码第38-43页
        3.3.4 大鼠在工作记忆过程中内侧前额叶皮层神经元集群熵编码第43-48页
    3.4 结论与讨论第48-53页
        3.4.1 工作记忆中大鼠内侧前额叶皮层的神经元群体编码第48-49页
        3.4.2 神经元集群的预先性活动第49-50页
        3.4.3 神经元集群频率编码和熵编码第50-51页
        3.4.4 神经元发放熵值计算中窄带带宽的选择第51-52页
        3.4.5 神经元发放熵值计算中窗口和步长的选择第52-53页
第4章 恒河猴运动皮层神经元群体对脑机接口任务的编码第53-82页
    4.1 脑机接口实验设计第53-58页
        4.1.1 实验动物第53页
        4.1.2 脑机接口实验平台第53-55页
        4.1.3 恒河猴运动皮层多通道微电极阵列植入手术第55-58页
    4.2 结果第58-79页
        4.2.1 恒河猴在脑机接口任务的行为学结果第58-62页
        4.2.2 恒河猴初级运动皮层神经元在脑机接口任务的调谐属性第62-71页
        4.2.3 恒河猴在脑机接口任务中EMGs的调谐属性第71-79页
    4.3 结论与讨论第79-82页
        4.3.1 脑机接口中恒河猴初级运动皮层的神经元集群的频率编码第79页
        4.3.2 线性模型的有效性第79-80页
        4.3.3 至少需要多少个神经元才能有效地实现BMI?第80-81页
        4.3.4 EMGs的预测第81-82页
第5章 总结第82-83页
参考文献第83-93页
发表论文和参加科研情况说明第93-95页
综述第95-113页
    综述参考文献第109-113页
致谢第113-114页
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