内源信号光学成像的数据处理方法及软件

摘要

脑功能成像技术对深入分析脑的信息加工过程，揭示脑的高级功能至关重要。与常用的脑功能成像技术相比较，基于内源信号的脑光学成像技术由于不对组织施加染色、荧光标记等外源性物质，不会影响神经元的正常活动，可连续长时间记录。内源信号光学成像的一大特色在于其较高的空间分辨率和时间分辨率，它为研究皮层大范围内的功能构筑和动力学过程提供了有力的工具，这是目前其它的脑功能成像手段所无法比拟的。不仅如此，光学成像可对同一被试进行多次重复性实验甚至慢性实验，从而深入研究大脑功能构筑随时间或年龄的变化。 本文中，用基于内源信号的光学成像方法对猫初级视皮层的方位功能柱进行了研究，主要的工作总结如下： (1)通过对光成像的实验数据分析，在猫初级视皮层记录得到方位功能图，与现有文献报道的结果吻合：同一动物个体上该功能图的空间分布不随记录时间改变：初级视皮层细胞对同一朝向光栅刺激的方位功能图相同，实验具有光学可重复性；相互垂直的互补方位光栅刺激得到的方位功能图分布呈空间互补关系。 (2)本文中采用独立成分分析直接从皮层图像提取方位功能图信息，实验结果表明空间独立成分分析能够有效地将单条件功能图从背景光照、皮层波动等干扰中提取出来。通过独立成分分析方法提取光成像的功能图提供了分析内源信号的新视角。 (3)基于现有的光学成像数据分析方法，实现了将传统的光成像内源信号提取，独立成分分析提取方位功能图和数字图像处理中的滤波等功能集于一体的光成像分析软件。利用此平台可以更加方便、快捷地对其他脑区的光学成像数据进行分析研究，简化了分析流程。

目录

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声明

第一章绪论

1.1常用的脑功能研究技术

1.1.1脑电图

1.1.2脑磁图

1.1.3功能磁共振成像

1.1.4正电子发射断层显像和单光子发射断层显像

1.1.5基于内源信号的光学成像

1.2光学成像与其他成像方法的关系

1.3在体光成像技术的发展

1.4本论文的研究内容

1.4.1内源信号分析的研究现状

1.4.2本论文的研究目的和意义

第二章基于内源信号的光学成像原理

2.1内源信号的产生机制

2.1.1内源信号的来源

2.1.2内源信号的生理解释

2.2内源信号的采集

2.3内源信号光成像的应用

2.4内源信号光成像的优点

第三章视皮层内源信号光学成像的数据采集和基本分析方法

3.1脑内源信号的光学成像实验装置及过程

3.1.1基本的实验装置

3.1.2实验过程

3.2实验数据采集

3.2.1光成像的动物准备

3.2.2视觉刺激

3.2.3数据存储说明

3.3数据处理及功能图分析的基本方法

3.3.1数据预处理

3.3.2基准图像(Baseline Image)

3.3.3皮层的功能构筑(Functional Orgnization)

3.3.4伪彩色功能图(Pinwheel Map)

3.4方位功能图的意义

3.4.1正交侧抑制作用

3.4.2 Pinwheel图的意义

第四章基于ICA的内源信号提取

4.1光学成像的噪声来源

4.2传统的光成像功能构筑分析

4.3空间独立成分分析光成像数据

4.3.1 ICA简介

4.3.2 ICA的基本原理

4.3.3 ICA的假设条件

4.3.4空间独立成分分析(sICA)

4.4本研究的目的和意义

4.5 sICA数据处理过程

4.6数据结果及讨论

4.6.1 sICA提取方位功能图

4.6.2方位功能图对比

4.7总结

第五章内源信号光成像处理软件

5.1软件实现基本光成像数据分析流程

5.2软件的功能模块

5.3小结

第六章总结与展望

6.1本文总结

6.2工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果