初级视觉皮层动作电位特征提取及神经元朝向研究

摘要

视觉是动物获取信息的主要途径之一,动物所感知的外界信息中80％以上是经视觉获得。自然界经过数亿年的长期进化使得动物视觉系统成为目前已知的功能最完备、机制最优秀的信息处理系统之一,隐含了许多极为高效的图像处理机制。对视觉信息处理机制的研究已经成为心理学、神经科学、智能科学、计算机科学等学科共同关注的重大研究课题之一。V1区作为初级视觉皮层,几乎所有来自于视网膜的自然图像信息都要经过该区的处理,是视觉信息的必经区域,另外,V1区包含了去除冗余后的自然图像的所有特征信息。因此,V1区是采集视觉信号、研究视皮层如何进行视觉信息进行表达的最佳位置。
　　 本文主要以大鼠为研究对象,研究了其初级视觉皮层响应的特征及与光栅朝向参数之间的对应关系,文章共由以下三个部分构成:
　　 1.设计了详细的实验方案,包括实验平台、手术方案、视觉刺激方案等,为V1区响应特征的提取及与光栅朝向对应关系的研究提供了神经生理学上的支持；
　　 2.按照以上实验方案采集了大鼠V1区在光栅刺激下的响应信号,并完成了对动作电位的预处理,包括动作电位的检测和分类。详细介绍了本文所采用的神经元动作电位分类算法流程——基于小波变换和模糊-c均值聚类相结合的方法,为利用这些信号进行特征提取和建立与光栅刺激的对应关系做了准备；
　　 3.在实现神经元分类之后,本文从动作电位频率特性、时间特性以及神经元间的同步作用角度分析了刺激前后神经元响应的情况,发现刺激前后神经元这些响应特征都有显著变化；采用反向相关的方法计算了神经元的朝向调谐曲线,并采用单因素方差和多重比较的方法对大样本数据进行了统计学分析,从统计学的角度分析了光栅刺激与神经元朝向的对应关系,发现部分神经元具有很好的朝向选择性；
　　 4.采用互协方差函数建立了刺激之间的相关关系和刺激与响应之间的相关关系,并利用相关关系对朝向特征进行了预测研究。从预测结果可以看出,该算法可以对部分朝向进行预测。