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基于同步分析的视觉神经元朝向选择性研究

燕山大学学报 2021年第5期45卷 456-464页

作者：李朝辉董增新邵宁宁燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004 河北省信息传输与信号处理重点实验室河北秦皇岛066004

朝向选择性在视觉神经编码过程中起到了十分重要的作用。为研究光栅刺激下猕猴视皮层V1区与V4区神经元的朝向选择性,本文用神经电生理信号记录系统采集猕猴视皮层的微电极信号,通过一致性和锁相值分析V1区与V4区间的同步与光栅朝向的关... 详细信息

朝向选择性在视觉神经编码过程中起到了十分重要的作用。为研究光栅刺激下猕猴视皮层V1区与V4区神经元的朝向选择性,本文用神经电生理信号记录系统采集猕猴视皮层的微电极信号,通过一致性和锁相值分析V1区与V4区间的同步与光栅朝向的关系,并首次将其分别与相关矩阵相结合构成全局性同步用以分析V1区和V4区内的同步与光栅朝向的关系。结果表明,光栅对V1与V4区间的同步以及V1区和V4区内的整体同步有调制作用,其在非偏好朝向上的值较小,在偏好朝向上的值较大,且在非偏好朝向和偏好朝向之间的同步分布差异明显。通过比较其朝向调谐指数发现,一致性值比锁相值可以更好地表征V1与V4区间的同步,而全局性相位同步比全局性频域同步可以更好地表征V1区和V4区内的整体同步。这对于探索神经元朝向选择性的形成机制具有重要意义。

关键词：朝向选择性视觉神经元局部场电位同步

基于spike-LFP同步的神经元朝向选择性分析

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燕山大学学报 2018年第4期42卷 315-319页

作者：李朝辉高梦宇燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004

局部场电位(local field potential,LFP)与神经元发放的锋电位(spike)之间的同步关系揭示了重要的神经编码信息。为了研究不同对比度的光栅刺激下猕猴视皮层V1区和V4区神经元的朝向选择性,本文将锋电位触发的相关矩阵同步方法应用于在... 详细信息

局部场电位(local field potential,LFP)与神经元发放的锋电位(spike)之间的同步关系揭示了重要的神经编码信息。为了研究不同对比度的光栅刺激下猕猴视皮层V1区和V4区神经元的朝向选择性,本文将锋电位触发的相关矩阵同步方法应用于在猕猴视皮层V1区和V4区记录的微电极信号,发现spike与gamma频段LFP之间的同步与光栅朝向之间存在较强的相关性,反映了视觉刺激的基本特征信息。另外,神经元spike的发放速率虽然会受到光栅朝向的影响,但是在不同对比度下发放速率并无明显区别,而spike-LFP同步会随着对比度的增加而增加,能够反映出同一朝向下对比度的变化。本文还利用圆方差来量化spike-LFP同步的朝向调谐曲线,发现对比度越大,V1区和V4区神经元的朝向选择性越强,V1区神经元比V4区神经元具有更强的朝向选择性。总之,spike-LFP同步能够更深入地揭示视皮层神经元的朝向调谐特性,为研究朝向选择性的形成机制提供新的方向。

关键词：视皮层朝向选择性锋电位局部场电位同步

猕猴朝向选择性的交叉频率耦合分析及Lasso回归预测

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猕猴朝向选择性的交叉频率耦合分析及Lasso回归预测

作者：杜悦燕山大学

学位级别：硕士

朝向选择性在视觉形成过程中起到了十分重要的作用。神经振荡广泛存在于不同脑区之中,处于不同频带的神经振荡之间会发生耦合,产生交叉频率耦合。研究表明,交叉频率耦合是实现大脑功能的重要基础。该文利用植入式多电极阵列采集猕猴视皮... 详细信息

朝向选择性在视觉形成过程中起到了十分重要的作用。神经振荡广泛存在于不同脑区之中,处于不同频带的神经振荡之间会发生耦合,产生交叉频率耦合。研究表明,交叉频率耦合是实现大脑功能的重要基础。该文利用植入式多电极阵列采集猕猴视皮层V1和V4区的局部场电位信号,分析不同光栅朝向刺激下低频和高频神经振荡之间的交叉频率耦合,并基于Lasso逻辑回归建立光栅朝向预测模型,为探索视皮层神经元朝向选择性的形成机制提供了新的思路。首先,对由多电极阵列采集到的数据进行预处理来获得低频和高频神经振荡的相位与幅值。分别使用4阶巴特沃斯低通和带通滤波器对猕猴视皮层的电信号进行滤波,以获得0-30Hz和4-12Hz的低频信号,以及30-200Hz和30-90Hz的高频信号,并使用希尔伯特变换来提取滤波信号的相位和幅值。其次,利用基于锁相值和基于广义特征分解的相位-幅值耦合以及基于皮尔逊相关系数的幅值-幅值耦合分析不同光栅朝向刺激下视皮层局部场电位信号的交叉频率耦合强度,发现其会随着正弦光栅朝向的变化而发生规律性的变化。用圆形统计量对光栅调谐曲线进行量化,从结果可以看出,相位-幅值和幅值-幅值交叉频率耦合可以表征朝向选择性。另外分析了V1和V4脑区神经元的偏好朝向,发现基于广义特征分解的交叉频率耦合获得的最佳朝向分布比较集中,能够有效地判断出神经元的最佳朝向。最后,以Lasso逻辑回归模型为基础,使用相位-幅值耦合和幅值-幅值耦合强度以及两者的联合特征,在神经元交叉频率耦合和光栅朝向之间建立回归模型,实现了通过交叉频率耦合强度来预测光栅朝向。并利用交叉验证法对光栅朝向预测模型的准确率进行分析,发现不同类型的交叉频率耦合和神经元偏好朝向会影响预测模型的准确率。

关键词：朝向选择性神经振荡交叉频率耦合 Lasso逻辑回归

基于Gamma频段局部场电位的猕猴朝向选择性分析

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基于Gamma频段局部场电位的猕猴朝向选择性分析

作者：董增新燕山大学

学位级别：硕士

朝向选择性在视觉神经编码过程中起到了十分重要的作用。视觉皮层V1区和V4区的神经元表现出一定的朝向选择性,但是关于朝向选择性的形成机制尚不明确。局部场电位(LFP)是电极尖端附近区域神经信号的低频部分,拥有较为丰富的神经信息。... 详细信息

朝向选择性在视觉神经编码过程中起到了十分重要的作用。视觉皮层V1区和V4区的神经元表现出一定的朝向选择性,但是关于朝向选择性的形成机制尚不明确。局部场电位(LFP)是电极尖端附近区域神经信号的低频部分,拥有较为丰富的神经信息。该文利用植入式微电极阵列采集猕猴视皮层V1和V4区的LFP信号,分析了不同朝向光栅刺激下γ频段LFP的特征,对于探索神经元朝向选择性的形成机制具有重要意义。首先,利用相位随机化和阈值化的小波双一致分析V1和V4区γ频段LFP在正弦光栅刺激下的二次相位耦合(QPC),并用全双一致(Total Bic)量化γ频段LFP的整体QPC,发现Total Bic与光栅朝向之间存在很强的相关性。此外,V1区的γ频段LFP调制V4区的QPC。综合而言,QPC可反映不同朝向上的视觉刺激特征,描述了不同大脑区域间γ频段LFP的相互作用。其次,计算了V1和V4区γ频段LFP在不同朝向光栅刺激下的Hilbert-huang谱熵和能量谱熵,发现其会随着光栅朝向的变化而发生规律的变化。用圆形统计量对Hilbert-huang谱熵、能量谱熵以及锋电位发放速率的朝向调谐曲线进行量化,其结果表明Hilbert-huang谱熵和能量谱熵对光栅刺激较为敏感。为更深入地挖掘这三种方法在分析朝向选择性时的性能,还计算了其在不同信噪比下的相对变异系数,发现Hilbert-huang谱熵有更好的抗噪性。最后,利用一致性、锁相值和全局性同步分析了V1和V4区γ频段LFP在不同朝向光栅刺激下的同步,发现光栅对V1与V4区间的同步以及V1区和V4区内的整体同步有调制作用。通过比较其朝向调谐指数发现,一致性值能够比锁相值更好地表征V1区与V4区间的同步,而相比于全局性频域同步,全局性相位同步可以更好地表征V1区和V4区内的整体同步。

关键词：朝向选择性局部场电位二次相位耦合 Hilbert-huang谱熵同步

基于spike和LFP的猕猴视皮层神经元朝向选择性分析

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基于spike和LFP的猕猴视皮层神经元朝向选择性分析

作者：高梦宇燕山大学

学位级别：硕士

朝向选择性在图形感知中起着重要作用,但是关于朝向选择性的形成机制并不明确。锋电位和局部场电位作为颅内两种不同形式的神经信号,具有不同的特征,将两种信号结合起来可以获得更丰富的信息。该文利用植入式微电极阵列采集猕猴视皮层V... 详细信息

朝向选择性在图形感知中起着重要作用,但是关于朝向选择性的形成机制并不明确。锋电位和局部场电位作为颅内两种不同形式的神经信号,具有不同的特征,将两种信号结合起来可以获得更丰富的信息。该文利用植入式微电极阵列采集猕猴视皮层V1区和V4区的锋电位和局部场电位信号,分析不同朝向光栅刺激下锋电位与局部场电位之间以及局部场电位之间的同步关系,为研究神经元朝向选择性的形成机制提供了一种新的方法和思路。首先,对实验采集到的数据进行预处理来提取锋电位和局部场电位信号。使用巴特沃斯滤波器对原始信号进行300-3000Hz的带通滤波,得到高频信号,然后使用阈值法进行锋电位检测来获得神经元发放的锋电位序列。使用零相移数字滤波器对原始信号进行低通滤波,得到Alpha和Gamma频段的局部场电位信号。其次,利用相关矩阵方法分析猕猴V1区和V4区神经元在正弦光栅刺激下的锋电位与局部场电位同步情况,发现这些神经元的放电活动与局部场电位之间的同步表现出显著的朝向选择性。对比神经元放电速率的分析结果发现,不同的响应特征研究朝向选择性时的结果是不同的,从V1区和V4区神经元的响应强度、圆方差以及最佳朝向三个方面综合考虑,可以看出锋电位与局部场电位同步比锋电位发放速率在研究神经元朝向选择性时更有优势。最后,利用符号转移熵的方法分析了猕猴V1区局部场电位与V4区局部场电位的信息传递情况,发现信息传递会随着光栅朝向的变化而变化。通过进一步的分析发现,不同朝向刺激下,从V1区到V4区方向的转移熵明显大于相反方向,并且V1区到V4区的传递延迟时间显著地小于V4区到V1区的传递延迟时间。另外提出一种度量不同通道信息传递差异的指标,结果发现,在偏好朝向刺激下V1区各个通道的信息传递差异大于在非偏好朝向刺激下的信息传递差异,而V4区没有发现明显差异。

关键词：神经元朝向选择性锋电位序列局部场电位同步

纹外皮层PMLS区反馈投射对初级视皮层神经元反应特性的影响

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生物化学与生物物理进展 2011年第9期38卷 821-829页

作者：李宇辉李兵中国科学院生物物理研究所脑与认知科学国家重点实验室北京100101 中国科学院研究生院北京100049

神经系统中存在大量下行投射,与上行输入一起形成复杂的前馈与反馈回路,调控神经信号的传导和处理,但目前对皮层内反馈投射的功能作用认识还比较薄弱.通过微量注射抑制性神经递质γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA),使猫纹外皮层... 详细信息

神经系统中存在大量下行投射,与上行输入一起形成复杂的前馈与反馈回路,调控神经信号的传导和处理,但目前对皮层内反馈投射的功能作用认识还比较薄弱.通过微量注射抑制性神经递质γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA),使猫纹外皮层后内侧外上雪氏区(area posteromedial lateral suprasylvian,PMLS)局部可逆性失活,使用胞外记录方法,研究初级视皮层17区神经元反应特性的变化.实验结果显示,PMLS区失活后,17区细胞对运动刺激的反应总体减弱,反应的相对稳定性基本不变,最高发放率/自发之比有所下降.与此同时,细胞的方向选择性指数减小,朝向选择性无显著变化.除少数"双向"反应细胞外,绝大部分细胞的最优方向基本不变.进一步分析发现,细胞对各个方向刺激的反应普遍下降,最优方向上的下降程度最大,是导致方向选择性减弱的主要原因.这些结果表明,PMLS区反馈投射可增强初级视皮层的方向选择性,而对朝向选择性影响有限.这一作用特点体现了PMLS区在皮层中偏重处理运动视觉信息的功能.

关键词： PMLS区反馈投射初级视皮层方向选择性朝向选择性

初级视觉皮层“简单”与“复杂”神经元动力学的计算建模(英文)

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生理学报 2011年第5期63卷 401-411页

作者：陶乐天蔡申瓯北京大学生命科学学院生物信息中心蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室北京100871 上海交通大学自然科学研究院和数学系上海200240 美国纽约大学库朗数学研究所和神经科学中心纽约NY 10012

本文回顾了我们在哺乳动物视觉皮层的建模工作。利用初级视觉皮层的大规模神经元网络模型,我们解释了初级视觉皮层里"简单"与"复杂"神经元现象的网络机制。所谓的"简单"细胞对视觉刺激的反应近似线性,而"复杂"细胞对视觉刺激是非线性的... 详细信息

本文回顾了我们在哺乳动物视觉皮层的建模工作。利用初级视觉皮层的大规模神经元网络模型,我们解释了初级视觉皮层里"简单"与"复杂"神经元现象的网络机制。所谓的"简单"细胞对视觉刺激的反应近似线性,而"复杂"细胞对视觉刺激是非线性的。我们的模型成功地再现了简单和复杂细胞分布的实验数据。

关键词：初级视皮层数学模型神经元网络视觉信号空间总和朝向选择性非线性动力学

基于匹配小波变换的大鼠初级视皮层神经元锋电位分类

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基于匹配小波变换的大鼠初级视皮层神经元锋电位分类

作者：郜丽赛郑州大学

学位级别：硕士

视觉刺激与神经元响应映射关系的研究对于揭示视觉信息在大脑中的编码和传递机制意义重大,本文采用嵌入式微电极阵列采集大鼠视觉刺激下的初级视皮层（V1区）神经元锋电位信号,因每个电极尖端通常会记录到多个神经元的叠加信号,需要将... 详细信息

视觉刺激与神经元响应映射关系的研究对于揭示视觉信息在大脑中的编码和传递机制意义重大,本文采用嵌入式微电极阵列采集大鼠视觉刺激下的初级视皮层（V1区）神经元锋电位信号,因每个电极尖端通常会记录到多个神经元的叠加信号,需要将不同神经元的锋电位分开,确定各个神经元的锋电位序列,以便后续对其响应特性进行分析。目前虽有多种锋电位分类方法,但仍存在不足之处,有必要进一步研究。基于以上背景,本文设计了V1区神经元光栅刺激下锋电位信号的采集方案,提出了一种基于匹配小波变换的锋电位分类方法,并将其用于对大鼠V1区神经元朝向选择性的研究中。具体内容如下：（1）根据大鼠的视觉特点及视皮层感受野特性,基于实验平台设计了视觉刺激模式;通过综合分析和具体实验验证,设计出了实验方案,采集到了大鼠V1区神经元在光栅刺激下的锋电位信号。（2）对目前常用的模板匹配、主成分分析和基于小波变换的锋电位分类方法进行了分析研究,对其优缺点进行了总结,并针对这三种方法存在的问题提出了一种基于匹配小波变换的锋电位分类方法。（3）详细介绍了本文提出的分类方法的原理和步骤,首先根据锋电位信号的波形特性,依照匹配准则,构造出匹配小波,然后基于匹配小波对锋电位信号进行离散小波变换,获取锋电位信号特征进行聚类,从而实现锋电位分类。通过仿真和对实验记录到的大鼠V1区神经元锋电位的分类,验证了算法的有效性和优越性,并将算法用于大鼠V1区神经元放电序列、放电间隔的获取及对其朝向选择性的初步研究中。

关键词：锋电位分类匹配小波主成分分析初级视皮层朝向选择性

基于遗传算法—支持向量机的锋电位分类及神经元特性分析

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基于遗传算法—支持向量机的锋电位分类及神经元特性分析

作者：宫艳红郑州大学

学位级别：硕士

视觉作为高等动物最主要的感觉系统,是接收外部信息最有效的方式。初级视觉皮层是视觉信息初级加工和处理的区域,几乎90%的来自视网膜的视觉信息都在该区域进行初级处理。视皮层神经元锋电位携带了丰富的神经元活动信息,是神经系统进行... 详细信息

视觉作为高等动物最主要的感觉系统,是接收外部信息最有效的方式。初级视觉皮层是视觉信息初级加工和处理的区域,几乎90%的来自视网膜的视觉信息都在该区域进行初级处理。视皮层神经元锋电位携带了丰富的神经元活动信息,是神经系统进行信息表达的载体。因此,研究神经元锋电位对于研究视觉信息的传输和编码以及大脑的工作机理都具有重要意义。本文以大鼠为实验对象,采集了初级视觉皮层神经元锋电位信号,提出了基于遗传算法-支持向量机的神经元锋电位分类方法,并从神经元放电同步性和朝向选择性两个方面对初级视觉皮层神经元特性进行了分析。具体内容如下：（1）数据采集。通过了解动物视觉信息的传递通路和传输机理以及初级视觉皮层信息传递的特点,确定了初级视觉皮层为大鼠视觉信号采集的最佳位置。在现有实验平台和实验方案基础上,采集了大鼠初级视觉皮层神经元锋电位信号;（2）神经元锋电位的分类。针对采集到的神经元锋电位电信号,提出了基于遗传算法-支持向量机的神经元锋电位分类方法。利用本算法中支持向量机适合有限样本分类和具有全局最优解的特点,结合遗传算法的随机优化能力,实现了锋电位的分类,获得较高的分类准确率。通过对多组实验数据分类结果的比较,证明本算法分类结果稳定。从基于遗传算法-支持向量机锋电位分类的结果中提取典型的锋电位模板,利用模板匹配的方法进一步对实验数据进行分类,得到了较高的分类准确率,解决了传统模板匹配分类中模板选择的难题;（3）对神经元特性的研究。利用相关性分析方法分别对同一通道不同类别之间以及不同通道之间做了同步性分析,得出了不同情况下神经元放电之间存在的同步特性;通过对初级视觉皮层神经元感受野朝向选择性的分析,找到了部分神经元的最佳刺激朝向。

关键词：初级视觉皮层锋电位分类模板匹配同步性分析朝向选择性