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神经元集群Rate-score和ISI-score编码研究

孟凡华  
【摘要】:研究目的:本论文根据Hebb关于记忆机制的细胞集合学说:大量神经元的协同电活动形成功能神经元集群对外界信息(刺激)进行表达和传递,来编码外界信息(刺激),提出了两类不同的神经元集群电活动的score编码表达(1)在生理窗口(100ms)下的神经元集群Rate-score编码;(2)在小时间尺度(20ms)上的ISI-score编码,实现了这两种编码方式表征神经元集群动态电活动模式编码刺激的计算,研究分析了两种方法编码刺激的效能,为研究神经元集群编码提供支持。 1.神经元集群电活动score编码:提出Rate-score和ISI-score两类神经元集群编码方法,实现了神经计算,来表达神经元集群电活动对外界刺激(信息)进行编码的特征模式的动态变化: 时间窗口为100ms,窗口移动为25ms,从初始点开始,逐个移动窗口,计算每个窗口内的神经元发放个数,通过加权系数(窗口内的ISI的标准差SD)转化成获得这个窗口中Rate-score的值,将每个窗口中的Rate-score值进行归一化处理后,构建神经元群体发放的动态地形图,表达神经元编码刺激的动态特征模式。 ISI-score编码基于时空序列神经元发放ISI序列、是神经元集群电活动在小时间尺度上的编码模式,可以表征神经元集群的瞬时变化的编码模式。 ①对神经元发放时空序列中的每个神经元的发放序列,计算其发放间隔序列ISIs,应用放电间隔图表示ISIs的分布。 ②将ISI值转换为归一化的ISI-score值:根据群体中所有神经元发放时空序列ISIH,选取其中最大的ISI和最小的ISI分别定义其ISI-score值为0和1,得到时空序列中每个ISI的ISI-score值; ③神经元群体ISI地形图的绘制:同上,移动窗口得到ISI动态地形图,表达动态神经元集群的瞬时模式编码刺激的。 2.实验数据:实验数据由上海复旦大学神经生物研究所提供,为记忆事件中在阳性刺激和阴性刺激两类过程中神经元群体发放的10次实验中的时空序列。在本论文中,应用以上两类(各10次)时空序列作为实例,进行神经元集群score编码的研究。 研究结果:以在10次重复实验中,两类刺激过程中的神经元发放为例进行了两类score编码的结果如下: (1)阴性刺激前2秒内Rate-score值:0.53±0.13;在刺激后2秒内的Rate-score值:0.51±0.10。 (2)阳性刺激前2秒内Rate-score值:0.38±0.06;在刺激后2秒内的Rate-score值:0.53±0.10。 (1)阴性刺激前2秒内ISI-score值:0.59±0.07;在刺激后2秒内的Rate-score值:0.58±0.05。 (2)阳性刺激前2。秒内Rate-score值:0.53±0.06;在刺激后2秒内的Rate-score值:0.71±0.06。 研究结论:本论文应用两类score编码方法对阳性和阴性两类刺激过程中神经元集群电活动的动态编码模式进行了研究,结论如下: 神经元集群电活动的score编码能够表征神经元集群对阳性刺激的编码。 (1)阴性刺激前后两类神经元集群编码模式:Rate-score和ISI-score编码模式其score值没有明显变化; (2)阳性刺激过程中Rate-score和ISI-score编码模式有显著变化,在刺激后两类score值均显著高于刺激前的值(p0.01)。 (3) Rate-score和ISI-score可以有效编码阳性刺激,且在10刺激过程中对编码表征的鲁棒性好。 (4) ISI-score编码能够在小时间尺度上(20ms)表征神经元集群动态编码的瞬时特征模式。


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