大鼠前額葉皮層神經(jīng)元集群對工作記憶事件稀疏編碼的研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、研究目的:神經(jīng)系統(tǒng)對信息的編碼是由多個神經(jīng)元組成的功能集群協(xié)同電活動完成的,有效表達神經(jīng)元集群編碼是神經(jīng)科學(xué)的關(guān)鍵科學(xué)問題。本論文的研究旨在發(fā)展神經(jīng)元集群稀疏編碼的理論與算法,通過稀疏空間的變換有效表達前額葉皮層神經(jīng)元集群對工作記憶事件的編碼。本論文基于神經(jīng)元發(fā)放的稀疏編碼機制,提出和實現(xiàn)了兩類不同表達方式的神經(jīng)元集群稀疏編碼:(1)神經(jīng)元集群頻率稀疏編碼;(2)神經(jīng)元集群熵稀疏編碼。期望為探索工作記憶的神經(jīng)元集群編碼機制提供神經(jīng)編碼計

2、算的支持。
   研究方法:
   1.實驗數(shù)據(jù)。
   本論文所用的實驗數(shù)據(jù)由天津醫(yī)科大學(xué)神經(jīng)工程實驗室提供。在SD大鼠前額葉皮層植入16通道微電極陣列。應(yīng)用在體多通道數(shù)據(jù)記錄技術(shù),獲取3只大鼠在Y迷宮工作記憶過程中前額葉皮層50次訓(xùn)練中的16通道數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)高通濾波(>500Hz)、閾值檢測和鋒電位分類得到神經(jīng)元群體動作電位的50個時空序列。選取足以表征工作記憶全過程的7s數(shù)據(jù)作為研究對象。
  

3、 2.神經(jīng)元集群稀疏編碼。
   (1)離散“點電位”的連續(xù)化:因為稀疏空間變換適用于連續(xù)信號,而神經(jīng)元群體中每一個神經(jīng)元發(fā)放的動作電位序列是離散的“點電位”,因此本論文的關(guān)鍵技術(shù)之一是將離散神經(jīng)元集群的“點電位”通過以下兩種方式轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號。
   ①神經(jīng)元集群頻率稀疏編碼。
   基于在選定窗口中神經(jīng)元發(fā)放個數(shù)(頻率),量化該窗口中“點電位”。選取生理窗口窗寬200ms、窗口移動步長為50ms,從初始點開始

4、,逐個計算每個窗口中的各個神經(jīng)元的發(fā)放頻率;將整個時間過程的每個神經(jīng)元發(fā)放頻率歸一化。
   ②神經(jīng)元集群熵稀疏編碼。
   基于在選定窗口中神經(jīng)元發(fā)放序列的信息熵,量化該窗口中的“點電位”。用窗寬為200ms,步長為50ms的移動窗口,獲取每個窗口內(nèi)每個神經(jīng)元發(fā)放序列的信息熵,在全時間段對各個神經(jīng)元發(fā)放熵值進行歸一化。
   (2)神經(jīng)元動作電位矩陣的非負稀疏編碼算法:通過試算,設(shè)置稀疏分解時源分量的個數(shù);在非

5、負限制條件下,通過最小化代價函數(shù),將神經(jīng)元動作電位矩陣分解為超完備的權(quán)重矩陣和稀疏的源分量矩陣。
   (3)特征稀疏分量的選?。河嬎闵窠?jīng)元集群出現(xiàn)的時間段,選取源稀疏分量系數(shù)在該時間段內(nèi)明顯增加的分量作為特征分量。
   (4)神經(jīng)元動作電位的稀疏重構(gòu):對稀疏源特征分量進行稀疏逆變換,在原坐標中獲取重建的神經(jīng)元群體發(fā)放的動態(tài)時空分布。
   研究結(jié)果:
   本論文研究了3只大鼠在50次工作記憶事件中,

6、前額葉皮層的神經(jīng)元集群對工作記憶事件的稀疏編碼,神經(jīng)元集群對應(yīng)的神經(jīng)元編號、集群平均持續(xù)時間分別為:
   1.神經(jīng)元集群頻率稀疏編碼。
   (1)第1號大鼠。
   ①頻率稀疏編碼:9,10,11(剔除2個神經(jīng)元),(0.8480±0.2897)s。
   ②頻率編碼:9,10,11(剔除6個神經(jīng)元),(2.9780±1.0031)s。
   頻率稀疏編碼中神經(jīng)元集群持續(xù)時間明顯小于頻率編碼中

7、集群持續(xù)時間,經(jīng)t檢驗有顯著性差異(p<0.01)。
   (2)第2號大鼠。
   ①頻率稀疏編碼:第1天,7,8(剔除1個神經(jīng)元),(0.9540±0.3736)s。第2天,7,8,9(剔除2個神經(jīng)元),(1.2180±0.5966)s。
   ②頻率編碼:第1天,7,8,9(剔除3個神經(jīng)元),(2.7210±1.1983)s;第2天,7,8,9,10(剔除2個神經(jīng)元),(3.4380±0.7899)s。

8、r>   頻率稀疏編碼中神經(jīng)元集群持續(xù)時間明顯小于頻率編碼中集群持續(xù)時間,經(jīng)t檢驗有顯著性差異(p1<0.01;p2<0.01)。
   (3)第3號大鼠。
   ①頻率稀疏編碼:第1天,13,14,15(剔除3個神經(jīng)元),(1.1890±0.4418)s;第2天,5,6,7(剔除3個神經(jīng)元),(1.1700±0.3348)s。
   ②頻率編碼:13,14,15,17(剔除8個神經(jīng)元),(2.7560±1.1

9、124)s;第2天,5,6,7,8(剔除10個神經(jīng)元),(3.2150±0.8827)s。
   頻率稀疏編碼中神經(jīng)元集群持續(xù)時間明顯小于頻率編碼中集群持續(xù)時間,經(jīng)t檢驗有顯著性差異(p1<0.01;p2<0.01)。
   2.神經(jīng)元集群熵稀疏編碼。
   (1)第1號大鼠。
   ①熵稀疏編碼:9,10,11(剔除2個神經(jīng)元),(0.8478±0.2896)s。
   ②熵編碼:9,10,11

10、(剔除5個神經(jīng)元),(2.9781±1.0031)s。
   熵稀疏編碼中神經(jīng)元集群持續(xù)時間明顯小于熵編碼中集群持續(xù)時間,經(jīng)t檢驗有顯著性差異(p<0.01)。
   (2)第2號大鼠。
   ①熵稀疏編碼:第1天,7,8(剔除2個神經(jīng)元),(0.9541±0.3736)s;第2天,7,8,9(剔除2個神經(jīng)元),(1.2179±0.5965)s。
   ②熵編碼:第1天,7,8,9(剔除3個神經(jīng)元),(2

11、.7209±1.1982)s;第2天,7,8,9,10(剔除2個神經(jīng)元),(3.4380±0.7899)s。
   熵稀疏編碼中神經(jīng)元集群持續(xù)時間明顯小于熵編碼中集群持續(xù)的時間,經(jīng)t檢驗有顯著性差異(p1<0.01;p2<0.01)。
   (3)第3號大鼠。
   ①熵稀疏編碼:第1天,13,14,15(剔除2個神經(jīng)元),(1.1890±0.4418)s;第2天,5,6,7(剔除3個神經(jīng)元),(1.1701±0

12、.3348)s。
   ②熵編碼:13,14,15,17(剔除11個神經(jīng)元),(2.7558±1.1125)s;第2天,5,6,7,8(剔除8個神經(jīng)元),(3.2151±0.8828)s。
   熵稀疏編碼中神經(jīng)元集群持續(xù)時間明顯小于熵編碼中神經(jīng)元集群持續(xù)的時間,經(jīng)t檢驗有顯著性差異(p1<0.01;p2<0.01)。
   結(jié)論:
   (1)神經(jīng)元集群頻率稀疏編碼表達了稀疏發(fā)放模式的神經(jīng)元集群對工作記

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