大鼠初级视皮层整合野朝向信息调制的非线性动力学研究

摘要

初级视皮层（V1区）是大鼠处理视觉信息的重要神经皮层。大鼠 V1区的神经元感受野周围环绕着整合野，整合野对感受野的响应产生抑制或易化的调制作用。整合野的外周调制作用对分辨视觉刺激的轮廓、边角和局部特征起到关键作用，是生物进行图像背景分割和目标识别的神经基础。视觉刺激下神经元响应信号具有非线性动力学特性，能够反映大鼠状态的变化和神经信号的调制机制，因而，受到神经科学领域研究者的极大关注。利用非线性动力学分析方法研究整合野朝向信息调制作用下神经元响应信号的非线性特征能够发现近似随机信号的内在确定性，获得更多的动态信息，有助于了解视觉系统处理复杂图像的非线性神经机制。
　　本文以LE（Long Evans）大鼠为研究对象，设计了三种类型的圆形光栅刺激模式，利用非线性动力学分析方法对整合野朝向信息调制作用下大鼠V1区神经元响应信号的混沌特征和分形特征分别进行了研究。主要内容如下：
　　（1）确定了大鼠 V1区神经元整合野范围和整合特性。首先，利用棋盘格确定了感受野的中心位置，利用全屏光栅测定神经元响应的最佳刺激参数；然后，根据感受野位置和最佳刺激参数，采用圆形灰屏遮盖法确定感受野和整合野的范围；最后，采用圆形光栅递增法验证所确定的整合野范围，并进一步确定整合野的整合特性。
　　（2）提取了整合野朝向信息调制下动作电位信号的混沌特征，分析了混沌特征表征视觉刺激的能力及其对神经元实现信息传递的贡献。首先，依据电生理实验检测的大鼠V1区神经信号，对动作电位发放时间间隔进行相空间重构，确定了相空间重构参数；然后，根据相空间重构参数，利用最大李雅普诺夫指数，提取了整合野朝向变化时响应信号混沌状态特征；最后，通过递归图算法计算神经元响应信号的动力学信息量，分析了不同混沌状态下信号传递的动力学信息量变化情况。分析结果表明：整合野朝向信息调制下最大李雅普诺夫指数更可靠地表征了视觉刺激信息；整合野朝向信息调制下响应信号混沌性增强，有助于提高神经元信息传递效率。
　　（3）提取了整合野朝向信息调制下动作电位信号的分形特征，分析了神经元之间的连接性及其对整合野抑制调制作用的影响。首先，以具有重叠感受野的两两神经元为分析对象，利用多重分形去趋势波动互相关分析方法，提取了神经元响应信号的分形特征，用于表征神经元之间的非线性相关性，并以此为指标分析了整合野朝向信息调制作用下神经元之间连接性的变化情况；然后，将所提取的分形特征与传统的互相关分析得到的结果进行了对比；最后，分析了神经元间连接性与整合野抑制调制作用之间的关系。分析结果表明：整合野朝向信息调制作用显著增强了神经元之间的非线性相关性；在整合野朝向信息调制下，两个神经元之间连接性较强时，受到整合野的抑制强度较为相近。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要工作

2 实验设计与信号采集

2.1 大鼠信号采集实验平台与手术方案

2.2 大鼠视觉刺激方案设计

2.3 信号采集与处理

2.4 本章小结

3 大鼠初级视皮层神经元感受野和整合野的确定

3.1 大鼠初级视皮层神经元感受野的确定

3.2 大鼠初级视皮层神经元整合野的确定

3.3 本章小结

4 整合野朝向信息调制下动作电位信号的混沌特征

4.1 整合野朝向信息调制下响应信号相空间重构

4.2 整合野朝向信息调制下混沌特征调制特性

4.3 整合野朝向信息调制下混沌特征与动力学信息量关系

4.4 本章小结

5 整合野朝向信息调制下动作电位信号的分形特征

5.1 整合野朝向信息调制下分形特征调制特性

5.2 整合野朝向信息调制下分形特征与抑制强度的关系

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 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