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神经系统信息处理和异常功能的复杂动力学

力学学报 2017年第2期49卷 410-420页

作者：古华光同济大学航空航天与力学学院上海200092

神经系统通过电活动实现信息处理及生物功能,电活动的节律和时空行为是功能的动力学表征.神经电生理实验结合理论模型,借助于分岔揭示了外界激励、参数和噪声调控下的周期、混沌和随机等多样性的节律模式及其节律的复杂转迁规律,揭示了... 详细信息

神经系统通过电活动实现信息处理及生物功能,电活动的节律和时空行为是功能的动力学表征.神经电生理实验结合理论模型,借助于分岔揭示了外界激励、参数和噪声调控下的周期、混沌和随机等多样性的节律模式及其节律的复杂转迁规律,揭示了感觉神经对信息(如血压压力信号和痛觉信息)的节律编码机制,揭示了突触噪声扩大脑神经元的信息传递能力并对能力强弱进行了分类,结果可用于提高信息检测能力和指导镇痛;借助于单神经元节律的动力学——如分岔和簇放电节律的快慢动力学——解释了网络功能异常的时空行为,如药物调控脑皮层的螺旋波/癫痫和慢抑制耦合调控的运动网络的同步转迁/运动模式异常,结果给出了调控系统功能的途径;通过大数据分析获得自闭症患者的脑功能网络的时空行为特征——症状相关脑区的同步活动降低,给出了用于诊断的潜在指标.通过新实验发现、新建理论模型、新分析方法和新观点阐释,揭示了神经系统的复杂动力学,认识和解释了神经系统的信息处理机制和异常生物功能/疾病,具有重要科学意义和潜在应用价值.

关键词：神经节律时空行为非线性动力学神经编码脑疾病

小鼠BLA与dPAG在恐惧视觉刺激下的本能防御行为编码研究

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小鼠BLA与dPAG在恐惧视觉刺激下的本能防御行为编码研究

作者：李守豪郑州大学

学位级别：硕士

大脑做出适当的防御反应以应对各种潜在的威胁是动物获得生存繁衍机会的重要保障,逃跑和冻结是小鼠在躲避天敌过程中最主要和最重要的两种防御行为。视觉威胁线索经视觉系统处理后传入情绪核团,最后传递到导水管周围灰质控制机体产生防... 详细信息

大脑做出适当的防御反应以应对各种潜在的威胁是动物获得生存繁衍机会的重要保障,逃跑和冻结是小鼠在躲避天敌过程中最主要和最重要的两种防御行为。视觉威胁线索经视觉系统处理后传入情绪核团,最后传递到导水管周围灰质控制机体产生防御行为,基底外侧杏仁核(Basolateralamygdala,BLA)和背侧导水管周围灰质(Dorsal periaqueductal gray,dPAG)在两种防御行为的产生和调控中发挥着重要作用,但二者在其中的作用以及如何编码不同的防御行为尚不清楚。因此,为揭示BLA和dPAG编码不同防御行为的神经机制,本文以C57BL/6小鼠为实验对象展开研究,研究结果将有助于更好地认识和理解防御行为的产生和调控机制,深化对大脑自我保护机制的研究。本文使用Looming和Sweeping视觉刺激模拟天空的捕食者来诱导小鼠产生逃跑和冻结两种本能防御行为,同时采集BLA和dPAG脑区的神经活动信号并从原始信号中提取胞外动作电位(Spike)和局部场电位(Local field potential,LFP)信号。分别从Spike信号的发放率和发放间隔、LFP信号的频带活动和同步性等角度进行编码分析,并使用支持向量机和决策树算法对上述编码特征进行解码验证。具体工作及研究结果如下:(1)定位小鼠BLA和dPAG脑区位点,对6只C57BL/6小鼠进行电极植入手术;设计实验方案并搭建实验平台,采集了小鼠在视觉刺激诱导下产生防御行为时的神经电生理信号,并对数据进行了预处理和筛选;对视觉刺激下小鼠的防御反应进行统计分析。结果表明:预处理后的信号质量显著提升,有助于提升后续结果的准确性和可靠性;Looming和Sweeping视觉刺激可以有效诱导小鼠产生逃跑和冻结防御反应。(2)从Spike发放率和发放间隔两个角度对BLA和dPAG脑区在两种防御行为下的Spike信号进行了分析。结果表明:两个脑区在逃跑行为下的Spike发放率显著升高,而在冻结行为下的Spike发放率显著下降;逃跑和冻结行为下,两个脑区的ISI间隔分布差异主要表现在2-10 ms内,且逃跑行为高于冻结行为。两个脑区在两种防御行为下的Spike发放率和ISI密度分布具有较高的一致性,神经元活动的频率和发放间隔与防御行为的选择有着明显的关联性。(3)使用Morlet小波对BLA和dPAG脑区LFP信号进行了时频分析,结果表明,两个脑区在逃跑和冻结防御行为下的神经活动主要集中在theta频带,其中,逃跑行为主要集中在8-10 Hz,而冻结行为主要集中在6-8 Hz,两个脑区的频带活动表现出一致性。然后使用同步似然算法分别计算了各通道theta和gamma频带间的同步性并构建了脑功能网络,网络连接性、聚类系数C和全局效率E的变化表明,逃跑和冻结行为下theta频带的网络连接密度显著增强,神经元之间在theta频带均表现出较高的同步性。(4)使用支持向量机和决策树算法分别对提取的Spike特征和LFP特征进行了解码验证。结果表明:两种算法对单个特征的解码正确率达到80%左右,部分特征达到85%以上;并且组合后特征的解码正确率相较于单个特征更好。以上结果表明,本文提取的编码特征能够有效表征不同的防御行为,同时也表明BLA和dPAG两个脑区不仅均参与了逃跑和冻结本能防御行为的产生和调控,并且两种本能防御行为下的神经编码模式和编码特征存在明显区别。

关键词：基底外侧杏仁核背侧导水管周围灰质本能防御行为神经编码

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初级视皮层的亮度信息加工

生物化学与生物物理进展 2016年第4期43卷 361-366页

作者：王毅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

亮度(luminance)是最基本的视觉信息.与其他视觉特征相比,由于视神经元对亮度刺激的反应较弱,并且许多神经元对均匀亮度无反应,对亮度信息编码的神经机制知之甚少.初级视皮层部分神经元对亮度的反应要慢于对比度反应,被认为是由边界对... 详细信息

亮度(luminance)是最基本的视觉信息.与其他视觉特征相比,由于视神经元对亮度刺激的反应较弱,并且许多神经元对均匀亮度无反应,对亮度信息编码的神经机制知之甚少.初级视皮层部分神经元对亮度的反应要慢于对比度反应,被认为是由边界对比度诱导的亮度知觉(brightness)的神经基础.我们的研究表明,初级视皮层许多神经元的亮度反应要快于对比度反应,并且这些神经元偏好低的空间频率、高的时间频率和高的运动速度,提示皮层下具有低空间频率和高运动速度通路的信息输入对产生初级视皮层神经元的亮度反应有贡献.已经知道初级视皮层神经元对空间频率反应的时间过程是从低空间频率到高空间频率,我们发现的早期亮度反应是对极低空间频率的反应,与这一时间过程是一致的,是这一从粗到细的视觉信息加工过程的第一步,揭示了处理最早的粗的视觉信息的神经基础.另外,初级视皮层含有偏好亮度下降和高运动速度的神经元,这群神经元的活动有助于在光照差的环境中检测高速运动的低亮度物体.

关键词：初级视皮层信息加工神经编码亮度对比度时间过程空间频率时间频率

外膝状体神经元的亮度反应与感受野ON-OFF反应的关系

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生物化学与生物物理进展 2016年第4期43卷 413-419页

作者：王勇王毅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 中国科学院大学北京100049

外膝体是视觉信息进入新皮层的主要通路,其编码亮度信息的神经机制还不清楚.我们采用随机呈现的连续快速变化(50 Hz)的均匀亮度刺激,显著地提高了猫外膝体神经元对均匀亮度的反应强度,通过反相关算法抽提出神经元的亮度反应函数.约81%... 详细信息

外膝体是视觉信息进入新皮层的主要通路,其编码亮度信息的神经机制还不清楚.我们采用随机呈现的连续快速变化(50 Hz)的均匀亮度刺激,显著地提高了猫外膝体神经元对均匀亮度的反应强度,通过反相关算法抽提出神经元的亮度反应函数.约81%的神经元的亮度反应函数为单调性上升或下降,有19%的神经元亮度反应函数为V型.通过分析这些神经元对亮度上升和下降的反应强度与感受野ON和OFF反应强度的关系,表明83%的神经元对亮度的反应模式是由其感受野ON-OFF反应的相对强度决定的,其余17%则与其感受野ON-OFF区的兴奋和抑制的变化相关.这些结果揭示了外膝体神经元编码亮度变化的机制.

关键词：外膝体神经元感受野亮度反应函数 ON反应 OFF反应相关性神经编码

基于生物脉冲信号的视觉神经编码验证方法研究

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电子与信息学报 2024年第1期46卷 317-326页

作者：张燚钧刘健黄铁军中移(苏州)软件技术有限公司PaaS产品部苏州215004 利兹大学计算学院利兹LS29JT 北京大学计算机学院北京100190

研究界对如何对神经编码模型的性能度量还没有达成一个统一的评价标准。现有的主要编码度量方法是对神经编码模型的编码响应与真实生理响应之间的相似度进行度量。该文提出一种通过神经解码验证神经编码模型性能的方法。基于此方法构建... 详细信息

研究界对如何对神经编码模型的性能度量还没有达成一个统一的评价标准。现有的主要编码度量方法是对神经编码模型的编码响应与真实生理响应之间的相似度进行度量。该文提出一种通过神经解码验证神经编码模型性能的方法。基于此方法构建了包括传统编码度量方法和神经解码度量方法的视觉脉冲信号编码验证框架,并基于动态视觉刺激下采集的蝾螈视网膜神经节细胞(RGC)脉冲信号数据集对此框架进行了实验验证。选择了具有动态视觉刺激脉冲响应编码能力的编码模型与性能先进的神经解码模型作为标准度量模型。实验从不同神经编码方式和不同维度全面地对3种神经编码模型的编码性能进行了度量。此外,实验结果表明,脉冲频率编码和脉冲计数编码两种编码方式对脉冲编码性能存在不可忽略的影响。

关键词：神经编码神经解码视觉系统类脑视觉

针刺对弱视视觉可塑性调节的脑功能机制研究进展

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针刺研究 2018年第9期43卷 597-600页

作者：刘安国曹朝霞朱田田马重兵张奥李小娟严兴科甘肃中医药大学针灸推拿学院兰州730000

本文总结了近年来有关针刺对弱视视觉可塑性调节的脑功能机制研究,从视皮层神经元的超微结构、可塑性、放电活动、神经编码、视觉微循环(神经递质及营养因子)以及视觉中枢——效应器官的靶向机制等方面,多系统、多层次分析阐述了针刺对... 详细信息

本文总结了近年来有关针刺对弱视视觉可塑性调节的脑功能机制研究,从视皮层神经元的超微结构、可塑性、放电活动、神经编码、视觉微循环(神经递质及营养因子)以及视觉中枢——效应器官的靶向机制等方面,多系统、多层次分析阐述了针刺对弱视视觉可塑性调节的脑功能效应机制。

关键词：针刺弱视视觉剥夺视觉可塑性视觉电生理神经编码脑功能效应机制

负性刺激诱导小鼠情绪性记忆脑区神经元编程的可塑性

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基因组学与应用生物学 2020年第5期39卷 2394-2403页

作者：刘冬播石彦陈传好胡坤陶恒陆进蚌埠医学院人体解剖教研室蚌埠233030 蚌埠医学院第一附属医院蚌埠233004 蚌埠医学院科研中心蚌埠233030

通过检测慢性复合应激小鼠在Morris水迷宫实验中记忆能力及其杏仁体和海马神经元电生理特性的变化探讨情绪性记忆相关脑区的作用机制及神经元网络可塑性变化的机理。水迷宫实验中两组小鼠的逃避潜伏期逐渐缩短,具有显著性差异,6个训练... 详细信息

通过检测慢性复合应激小鼠在Morris水迷宫实验中记忆能力及其杏仁体和海马神经元电生理特性的变化探讨情绪性记忆相关脑区的作用机制及神经元网络可塑性变化的机理。水迷宫实验中两组小鼠的逃避潜伏期逐渐缩短,具有显著性差异,6个训练周期中,应激组有5个训练周期的逃避潜伏期较对照组缩短,存在显著性差异;应激组小鼠在目标象限游泳停留时间显著长于其在其它3个象限的时间,同时显著长于对照组,而在对侧象限游泳时间显著短于对照组。小鼠在慢性负性刺激下学习和记忆能力得到提升,其杏仁体内GABA能神经元功能出现下降、海马锥体神经元功能出现增强,表明情绪性记忆可能与海马和杏仁体的神经元网络整体兴奋性的可塑性变化有关。

关键词：杏仁体海马神经编码 Morris水迷宫全细胞记录

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视知觉条件下步态运动的神经编码综述

振动与冲击 2016年第21期35卷 87-95页

作者：朱凤云王如彬潘晓川上海华东理工大学理学院认知神经动力学研究所上海200237

神经编码理论的研究,对于了解大脑内部工作机制以及对于人工智能、脑-机接口等技术的应用前景都具有重要意义。通过分析目前常用的几种视知觉神经编码的原理、方法,评价它们各自的优缺点,发现无论是单个神经元层次上还是多个神经元层次... 详细信息

神经编码理论的研究,对于了解大脑内部工作机制以及对于人工智能、脑-机接口等技术的应用前景都具有重要意义。通过分析目前常用的几种视知觉神经编码的原理、方法,评价它们各自的优缺点,发现无论是单个神经元层次上还是多个神经元层次上,甚至是网络层次上的编码方式,由于神经元之间复杂的非线性耦合方式,用计算模型来描述视知觉功能都存在一定的困难。基于这样一种研究现状,进一步分析了一种新的简单有效的编码方式-神经能量编码,此编码与现有的其他编码相互结合,有望解决原有编码所无法解决或无法解释的问题。在应用方面介绍了视知觉条件下的步态运动输出控制,分析讨论了目前人体步态运动控制的原理、研究方法及其面临的挑战。

关键词：神经编码能量编码群编码视觉 -运动整合步态运动

神经元活动依赖工具开发应用的研究进展与展望

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中国科学：生命科学 2019年第3期49卷 202-219页

作者：王继华胡海岚浙江大学医学院神经科学中心浙江大学医学院附属第一医院卫生部医学神经生物学重点实验室杭州310058

大脑存在数量众多而功能异质的神经元,在响应刺激输入时,特定的神经元类群集结成印迹,构成细胞和环路水平的功能编码单元.为了解析这些功能编码单元,即早基因(IEG)激活、环腺苷酸反应元件结合蛋白(CREB)表达增高及Ca^(2+)内流等细胞活... 详细信息

大脑存在数量众多而功能异质的神经元,在响应刺激输入时,特定的神经元类群集结成印迹,构成细胞和环路水平的功能编码单元.为了解析这些功能编码单元,即早基因(IEG)激活、环腺苷酸反应元件结合蛋白(CREB)表达增高及Ca^(2+)内流等细胞活化的特性被相继开发成活动依赖工具,并被大量应用于记忆印迹和事件编码神经集群的解析研究.本文对LacZ-Daun02失活系统、CREB过表达系统、四环素标签工具(TetTag)、活性类群靶向重组工具(TRAP)、活化神经集群捕获工具(CANE)、人工改造的活性启动子工具(E-SARE和RAM)以及光控钙离子依赖工具(Ca-Light和FLARE)等活动依赖工具的原理及应用进行了综述,并展望了活动依赖工具的开发前景.

关键词：活动依赖工具记忆印迹神经集群神经编码即早基因