基于鸽视顶盖神经元集群响应的移动目标在线监测系统

作     者：余俊松 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：师黎

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：鸽子 视顶盖 图形刺激 同步打标 移动目标检测 

摘      要：鸽子具有很强的视觉分辨能力,其快速识别移动目标的能力甚至优于人类。因此,利用鸽子视顶盖神经元集群响应特征,设计移动目标在线检测系统,及时发现并识别特定视野内出现的目标,并将目标信息迅速传递给计算机。该系统的开发与应用在极大节省人力资源的同时,还能有效地提高工作效率,对于社会安保、国家安全等都起着至关重要的作用。目前关于移动目标在线检测系统的开发,尚未有与动物大脑直接相结合的设计。本文首先分析了鸽子视觉系统的典型特点,在此基础上提出了系统总体实现方案;然后,开发了控制端可视化目标图形刺激软件,设计了同步打标电路,实现了视觉刺激与神经信号采集的精确同步,开展了典型电生理实验,设计了移动目标在线检测算法;最后,以植入了16通道微电极阵列的鸽子为受试对象,验证了移动目标在线检测系统的有效性。本文主要完成的工作如下:(1)通过分析鸽子视觉系统的典型特点,提出了系统的设计原理;根据系统的作用和功能归纳了系统所需要完成的工作,提出了系统的设计需求;在分析系统的设计原理和设计需求的基础上,提出了系统总体实现方案,系统主要包括四大模块——控制端可视化目标图形刺激软件、实验控制端与神经信号采集系统间的同步打标电路、信号采集系统以及移动目标在线检测算法。(2)搭建了移动目标在线检测系统的硬件平台,系统的硬件设计主要包含:控制端实时场景在线刺激平台、信号采集系统以及同步打标模块。根据系统设计需求选取了网络摄像头,实现了实时场景双屏显示的在线刺激;通过分析信号采集系统的输入口,提出了同步打标模块的设计需求,分析了图形刺激软件和同步打标电路、同步打标电路和神经信号采集系统之间的通信,在此基础上设计了同步打标电路,实现了控制端视觉刺激与神经信号采集系统间的精确同步。(3)系统的软件设计主要包含:控制端可视化目标图形刺激软件设计、同步打标软件设计、移动目标在线检测算法实现。设计并开发了一套用于测试鸽子视觉感知特性的控制端可视化图形刺激软件,该软件实现的功能有:能够测定鸽子视顶盖(The Optic Tectum,OT区)神经元的感受野、能够实现指定目标在不同背景下出现和消失等。提出了一种新的感受野测定方法,解决了常规实验中方案设置复杂的问题,实现了刺激目标参数可实时控制的关键技术。同步打标电路的软件设计主要讲解了同步打标实现的关键程序流程图,提高了灵敏度。最后对系统数据处理的算法进行了讲解,包括信号的预处理、锋电位(Spike)和局部场电位(LFP)信号的特征提取以及样本集训练及分类器设计算法的讲解。(4)开展了典型的视觉电生理实验,完成了移动目标在线检测系统的测试。以OT区植入了16通道微电极阵列的鸽子为受试对象,测定了OT区神经元的感受野范围,通过提取实时记录集群数据的响应特征,与分类器中的特征进行对比,实现了对移动目标的实时检测,从而完成对系统的测试。