自由活动大鼠闪光视觉刺激的辨识

摘要

大脑对外界刺激的感知反应是理解中枢神经系统的重要研究领域，也是神经科学领域的研究热点之一。通过提取以及描绘大脑对外界刺激的反应，我们可以了解不同类型的刺激在大脑中的表现形式，这有助于我们认识大脑内不同的功能区块及之间的连接与回路，也有助于进一步了解神经元类型的分布和神经元功能区的聚集。
　　通过脑机接口技术，我们可以更直观地读取生物体在自由活动情况下产生的神经信号，并通过机器学习的算法对不同的感知进行分类，对神经元发出的信号进行更有意义的解读。目前，许多研究手段已被应用于解释动物视觉感知的表现形式与机制，然而研究自由活动的清醒大鼠大脑对频率相关的视觉刺激的反应尚且少见文献，需要进一步研究。
　　本文以大鼠为实验对象，利用植入式整列电极提取了自由活动状态下大鼠视觉感知脑区的神经信号，并利用机器学习模型辨识神经信号对应的外部感知类型。研究的具体内容包括:
　　(1)分析大鼠视觉传导通路，选定以初级视皮层作为提取视觉信息的目标脑区。通过经验实验，选定可固定在颅骨表面的微丝电极阵列作为长期可植入式脑机接口。根据行为学验证实验，选择在行为学实验中可被大鼠准确分辨的闪光刺激作为视觉刺激输入。
　　(2)采集并分析了高低频率闪光刺激下大鼠初级视皮层神经元细胞峰电位发放的模式，通过分析外部视觉刺激下神经信号的特征，发现90％以上的通道峰电位的发放与闪光刺激的频率线性正相关。高低频刺激组和对照组之间的峰电位神经元发放状态存在显著差异。使用支持向量机分类算法建立了闪光诱发的峰电位神经元识别模型，并进一步评估了这种识别模型的可行性和稳定性。
　　(3)研究了在单一波长紫外闪光刺激下，大鼠初级视皮层的峰电位和局部场电位信号的变化。研究结果显示紫外光同样能够在大鼠初级视皮层激发强烈的峰电位发放，峰电位发放与闪光刺激频率也明显的相关性。同时，局部场电位信号中也可观察到与闪光刺激频率相关频段的功率谱能量增强。
　　最后本文提出设想，将自由活动大鼠闪光视觉辨识的系统与基于电刺激的大鼠机器人系统相结合。这一结合将同时利用生物运动智能以及生物感知智能，把原有大鼠机器人依托人工或者外置设备采集环境信息的过程内化为大鼠本体视觉感知采集环境信息的过程，可实现对现有视觉增强动物机器人的更新，最大程度地运用生物智能。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 视觉增强大鼠机器人

1．1．2 读取生物感知的意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 大鼠视觉通路概述

1．2．2 大鼠初级视皮层概述

1．2．3 闪光刺激诱发神经活动的研究

1．2．4 其他视觉能力的研究

1．2．5 脑机接口技术在视觉神经信号读取方面的应用

1．2．6 视觉假体

1．3 本文的主要工作

第二章 大鼠辨识闪光刺激的行为学验证

2．1 行为学实验装置

2．2 行为学训练过程及方法

2．3 实验结果及分析

第三章 大鼠初级视皮层神经信号提取

3．1 动物手术

3．2 视觉刺激平台

3．3 神经信号的记录

3．4 神经信号的分析与处理

3．4．1 神经元信号聚类

3．4．2 神经元信号可视化

第四章 大鼠视皮层峰电位信号辨识高低频率的闪光刺激

4．1 闪光刺激实验过程及方法

4．1．1 实验范式

4．1．2 Ominiplex信号预处理

4．1．3 Offline Sorter信号聚类

4．1．4 特征提取

4．1．5 解码方法

4．1．6 支持向量机分类算法

4．2 闪光刺激实验结果及分析

4．2．1 闪光诱发的神经元活动

4．2．2 闪光频率对神经活动的影响

4．2．3 使用支持向量机模型的分类结果

4．2．4 环境有光情况下的分类结果

4．2．5 峰电位信号可持续分类的时间

第五章 峰电位信号及局部场电位信号辨识紫外闪光刺激

5．1 紫外闪光刺激实验范式

5．2 紫外闪光刺激下峰电位结果及分析

5．2．1 紫外闪光诱发的峰电位神经活动

5．2．2 使用支持向量机模型的分类结果

5．3 局部场电位信号概述

5．4 局部场电位信号与峰电位信号的关联

5．5 紫外闪光刺激下局部场电位信号结果及分析

5．5．1 局部场电位信号随刺激发放情况

5．5．2 局部场电位信号来源的覆盖范围

第六章 研究总结与展望

6．1 本文研究工作总结

6．2 研究工作展望

参考文献

攻读硕士期间主要的研究成果