颜色认知中鸽外纹体对目标颜色的动态编码与解码研究

作     者：蒋震阳 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：师黎;牛晓可

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：颜色认知 局部场电位 外纹体 动态编码 视觉解码 

摘      要：鸟类拥有发达的视觉系统和卓越的视觉认知能力,是研究生物大脑视觉信息处理机制的常用模式动物。颜色作为表征物体特性的基本视觉信息之一,是鸟类感知外部目标所依赖的重要特征。外纹体是鸟类离顶盖通路中的高级脑区,被认为与视觉目标颜色信息的处理有关。目前,关于鸟类各级视觉核团对目标颜色编码的研究,多在麻醉状态下开展,尚缺乏关于清醒自由活动状态下,尤其是执行视觉认知任务时,鸟类外纹体对目标颜色编码与解码的研究。为此,本文以鸽子为研究对象,开展了基于目标颜色的视觉认知实验,采集了不同认知阶段鸽外纹体的多通道神经信号。从单通道局部场电位能量和多通道神经元集群网络两个角度,分析了外纹体对目标颜色的编码特性,并采用多个分类器验证了不同尺度特征在解码目标颜色中的贡献。具体开展的研究内容与成果如下:首先,设计并开发了基于啄击行为的鸟类视觉目标认知训练系统,完成了4只鸽子执行颜色延迟匹配任务的视觉认知训练,并将训练周期分为适应期、学习期和熟练期三个阶段,同步采集了不同阶段鸽子外纹体的多通道局部场电位信号(LFP),并完成了有效通道筛选、去除工频等预处理。其次,对鸽外纹体单通道的LFP进行时频分析,确定了视觉认知相关的响应时间窗与频带范围,发现外纹体单通道LFP能量对颜色的编码呈现动态性。通过提取目标呈现期间鸽外纹体单通道LFP的时频能量谱,发现γ频带(30-60 Hz)能量呈现明显的先增高后降低趋势。对不同颜色下0.2 s-0.5 s内该频段能量进行显著性差异检验,发现该区间内γ频带能量在不同颜色下的差异随着认知的强化趋于显著(适应期、学习期p0.1,熟练期P0.05,秩和检验)。然后,构建了外纹体局部神经元集群的脑功能网络,发现集群网络的全局连接属性对目标的编码呈现动态性。采用互信息和相干性分析,计算了两两通道间基于低γ频带LFP的功能连接强度,选取合适的阈值,构建了时域和频域尺度的脑功能连接网络,选取平均节点度作为评估脑网络全局特性的指标。结果发现,鸽外纹体脑功能网络的全局连接属性均呈现先下降后上升的动态变化趋势,表明神经元集群在刺激呈现初期通过稀疏连接的方式,高效地完成了视觉信息的编码,而这些连接属性对不同颜色无显著差异。最后,采用三种分类器对鸽外纹体单通道能量特征和脑功能网络特征的不同特征组合,进行解码分析。结果表明,脑功能网络特征也包含与视觉目标颜色相关的信息,并且基于互信息和基于频域相干性的功能网络特征所携带的信息有所不同。此外,解码效果也随视觉目标认知的熟练度呈现动态变化。