本文選題：鴿子　切入點：目標導(dǎo)向行為　出處：《鄭州大學》2017年博士論文

【摘要】：空間位置感知和運動導(dǎo)航是大腦的基本功能,對于動物的生存至關(guān)重要。自然界中生物大部分空間導(dǎo)航行為都是目標導(dǎo)向的,比如覓食、歸巢、求偶、遷徙等等。目標導(dǎo)向行為神經(jīng)機制的研究已成為神經(jīng)科學和控制科學等交叉學科的前沿研究熱點。近年來,一系列神經(jīng)電生理實驗發(fā)現(xiàn)大腦海馬(Hp)區(qū)在目標導(dǎo)向行為中起到了關(guān)鍵作用,Hp區(qū)的位置細胞被認為是空間導(dǎo)航信息表達的基本單元,編碼了動物的位置信息。不同位置細胞的特定放電序列從一定程度上反映了動物的行進路線。但是目標導(dǎo)向行為中位置細胞之間如何進行功能互連,協(xié)同實現(xiàn)目標、路由等關(guān)鍵導(dǎo)航信息的編碼,目前尚不清楚。因此,深入研究位置細胞之間功能連接關(guān)系,闡明位置細胞網(wǎng)絡(luò)對目標導(dǎo)向行為相關(guān)信息的編碼機制,是解析生物空間導(dǎo)航神經(jīng)機制的關(guān)鍵。同時,該研究對于仿生導(dǎo)航和機器人領(lǐng)域也具有重要參考價值。針對位置細胞功能網(wǎng)絡(luò)如何編碼目標導(dǎo)向行為這一問題,本文以具有卓越空間認知和導(dǎo)航能力的鴿子為模式動物,首先采用微電極陣列神經(jīng)電活動記錄技術(shù)在體記錄了Hp區(qū)神經(jīng)信號,對比有、無目標環(huán)境中位置細胞空間響應(yīng)特性和穩(wěn)定性,構(gòu)造了位置細胞空間認知地圖;其次,利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論與方法,構(gòu)建了位置細胞功能網(wǎng)絡(luò),分析了位置細胞在目標導(dǎo)向空間認知任務(wù)中的拓撲關(guān)系;在此基礎(chǔ)上,研究了目標導(dǎo)向抉擇任務(wù)中位置細胞功能網(wǎng)絡(luò)對目標信息和路由信息的編碼機制,分析了位置細胞功能網(wǎng)絡(luò)對路由信息的預(yù)測性能;最后,建立了位置細胞功能網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)空間編碼模型,并結(jié)合運動軌跡神經(jīng)信息編碼和解碼實驗驗證了模型有效性。本文已完成的工作和取得的創(chuàng)新性研究成果概括如下:1)研制了鴿子腦立體定位裝置和微電極植入深度動態(tài)可調(diào)裝置,解決了微電極陣列的精準定位問題,為在體神經(jīng)信號可靠檢測和長期穩(wěn)定記錄提供了保障。針對鳥類頭部獨特解剖學結(jié)構(gòu),采用四點定位方法,獨創(chuàng)了一種專用于鴿子的腦立體定位裝置,實現(xiàn)了微電極陣列植入的精確定位;針對微電極陣列慢性植入方式,采用模塊化設(shè)計,制作了一種微電極植入深度動態(tài)可調(diào)裝置,提高了電極植入的成功率,延長了神經(jīng)信號有效采集時間。2)鴿子空間認知實驗結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)在有目標導(dǎo)向的空間認知任務(wù)中位置細胞更易形成穩(wěn)定的位置野。從鋒電位特性、空間特性和穩(wěn)定性三個方面對比分析了有、無目標環(huán)境中位置細胞位置野特性,發(fā)現(xiàn)確定性目標能可靠誘發(fā)出穩(wěn)定的位置野;鴿子與哺乳動物不同,位置細胞一般具有多位置野特性。這表明位置野的激活強烈依賴于目標導(dǎo)向信息的調(diào)制。3)利用鋒電位發(fā)放率與局部場電位節(jié)律特征分別構(gòu)建了位置細胞功能網(wǎng)絡(luò),通過分析網(wǎng)絡(luò)拓撲特性發(fā)現(xiàn):在目標導(dǎo)向空間認知任務(wù)中,不同位置細胞的位置野呈現(xiàn)出高度集聚特點,即位置野集聚區(qū)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)和全局效率顯著高于非位置野集聚區(qū),但其小世界特性卻顯著低于非位置野集聚區(qū)。這表明在鴿子主動的目標導(dǎo)向行為中,位置細胞間的連接會變得更加緊密,有助于增強目標導(dǎo)向的穩(wěn)定性。4)通過對上述位置細胞功能網(wǎng)絡(luò)的性能分析,發(fā)現(xiàn)在目標導(dǎo)向抉擇任務(wù)中Hp區(qū)和NCL區(qū)神經(jīng)元對目標信息和路由信息編碼分別起到了關(guān)鍵作用:Hp區(qū)位置細胞功能網(wǎng)絡(luò)主要編碼了當前位置和目標位置信息,對路由信息并不敏感;NCL區(qū)神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)則側(cè)重于對路由信息的編碼。這一結(jié)論初步揭示了Hp區(qū)和NCL區(qū)在鳥類目標導(dǎo)向行為中作用及其分工。5)依據(jù)位置細胞之間的功能連接關(guān)系,結(jié)合一階隨機游走模型和二次指數(shù)泊松方程,構(gòu)建了位置細胞功能網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)空間編碼模型。運用該模型開展了運動軌跡的神經(jīng)信息編碼和解碼實驗,模型預(yù)測結(jié)果均與實測結(jié)果一致,驗證了模型的有效性。在神經(jīng)信息解碼實驗中將粒子濾波算法引入到了運動軌跡預(yù)測中,提高了軌跡預(yù)測的準確性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q42

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本文編號：1669958