鸽视顶盖神经元集群的亮度信息解码研究

摘要

亮度是动物视觉系统接收的最基本的信息，对亮度信息的检测是视觉系统处理其它信息的基础。因此，探究视觉系统亮度信息的编码与解码机制对有效理解视觉系统的工作机制有着启发式的意义。离顶盖通路是鸟类进行视觉信息处理的主要通路，在这条通路中，视顶盖（The Optic Tectum，OT）是处理视觉信息的关键神经核团，对视觉信息具有调制、编码和整合作用。OT区信息处理机制的研究对明晰鸟类发达的视觉信息处理能力起着至关重要的作用。
　　本文以鸽为实验对象，采用多电极阵列同步记录了视顶盖神经元集群的响应信号，测定了OT区神经元的感受野位置，提取了时变亮度刺激下的spike集群发放率特征，设计了多元线性逆滤波和神经网络两种解码器，从信息论的角度评估了解码器的性能，解析了 OT区神经元集群编码亮度信息的神经机制。主要完成的工作及研究结果如下：
　　（1）测定了视觉刺激下OT区神经元的感受野位置。
　　设计了棋盘格刺激模式，采用基于 spikes发放率的反向相关法测定了 OT区神经元感受野的位置并进行了验证，结果表明：本次实验中所测得的神经元感受野位置集中在屏幕的左上角位置处，从而确定了有效响应神经元。
　　（2）解码了OT区神经元集群响应编码的亮度视觉刺激信息。
　　首先设计了具有空间不变性以及瞬态闪变特性的亮度视觉刺激模式。其次，提取了不同亮度刺激下的神经元集群spikes发放率特征，分别构造了多元线性逆滤波的线性解码器和人工神经网络的非线性解码器，实现对亮度视觉刺激序列的重建，并将这两种方法解码得到的亮度信息与实际亮度刺激作比较，采用归一化互相关系数衡量解码精度。结果表明：两种方法均有效解码了亮度信息，且解码结果相似。然后，分析了集群神经元数目、时间窗口 bin的大小、刺激后持续时间、刺激后开始时间对解码结果的影响。结果表明：①随着神经元数量的增加，重建亮度刺激与实际亮度刺激的吻合程度增加。当神经元数目增加到一定数量（约13），再继续增加时互相关系数并没有显著提高。②bin的宽度在5ms时具有最高的互相关。③刺激后持续时间35ms以内互相关系数逐渐增多，从35ms开始达到稳定。④刺激后开始时间在15ms以后，实际亮度刺激与重建亮度刺激的互相关急剧下降。最后，分析了给光刺激（on）和撤光刺激（off）条件下，参数变化对解码结果的影响。结果表明：神经元数目和bin的大小对on和off刺激重建结果并无显著差异；off刺激时神经元发放持续时间长、开始时间快，on刺激时神经元发放持续时间短、开始时间慢。
　　（3）利用信息论，从多个角度评估了亮度视觉刺激的解码结果，确定了OT区神经元集群spike序列有效编码的亮度视觉刺激特征。
　　首先，计算了重建时变亮度刺激的功率，在低频和高频时都呈现出下降趋势；频率在20-60Hz范围内，重建的功率较高；频率大于70Hz时，重建的功率基本消失，解码器几乎没有从视觉刺激中提取到信息。然后，计算了解码结果的信息谱密度曲线，并以此为评判标准分析了 OT区神经元集群编码亮度信息的信息冗余性以及信息传递的饱和性。结果表明：鸽 OT区神经元在编码亮度视觉刺激时传递了一定量的冗余信息，当神经元集群增加到一定数量时，编码过程中所传递的信息达到饱和；两种解码方法解码出的亮度信息差别不大，本文所设计的亮度视觉刺激的绝大部分信息能够利用线性的方法从 spike序列中提取出来。最后，计算了不同数目神经元集群中单个神经元逆滤波器的形态，发现神经元集群的协同作用对逆滤波器形态有很大影响，表明一个神经元的动作电位在编码中所做的贡献极大地依赖于它从其它神经元中获得的信息。

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英文摘要

目录

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容及结构

2 鸽视顶盖神经元电信号采集

2.1 刺激模式生成系统

2.2 动物手术及电极植入

2.3 信号采集及预处理

2.4 本章小结

3 基于鸽视顶盖神经元集群响应的亮度视觉信息解码

3.1 鸽视顶盖神经元感受野位置的测定

3.2 解码算法设计

3.3 解码结果及分析

3.4 给光刺激和撤光刺激下解码结果分析

3.5 本章小结

4 解码效果的信息论评估

4.1 实际刺激和重建刺激之间的互信息分析

4.2 神经元编码过程中的信息冗余性分析

4.3 神经元编码过程中信息传递的饱和性分析

4.4 spike作用对其他神经元的依赖性分析

4.5 重建质量的评估

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 课题研究展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果