本文選題：學(xué)習(xí)與記憶 + 相位編碼��； 參考：《華東理工大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：學(xué)習(xí)與記憶作為大腦的高級(jí)認(rèn)知功能,得到神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。事實(shí)上,認(rèn)知的本質(zhì)就是信息加工的過(guò)程,而信息加工的本質(zhì)則是神經(jīng)編碼。神經(jīng)編碼旨在研究刺激與單個(gè)或總體神經(jīng)元響應(yīng)之間的聯(lián)系,以及所有神經(jīng)元電活動(dòng)之間的聯(lián)系。神經(jīng)編碼模式的選取對(duì)于實(shí)現(xiàn)腦功能的判定具有極其重要的作用,有助于分析腦皮層信息整合與學(xué)習(xí)記憶功能之間的關(guān)系。但是,不同的神經(jīng)編碼模式所揭示的神經(jīng)活動(dòng)以及適用范圍都是具有局限性的。這就需要我們探索適用于不同層次研究的編碼特性,并通過(guò)性能比較總結(jié)出對(duì)于所研究領(lǐng)域有效的神經(jīng)編碼模式。因此,本文的研究主題就是如何選取適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)編碼和解碼理論來(lái)探討有關(guān)學(xué)習(xí)與記憶功能的判定方法與生理學(xué)機(jī)制分析。本文首先概述了神經(jīng)編碼的現(xiàn)狀,并且探索了對(duì)不同層次以及多層次結(jié)合上的有效的神經(jīng)編碼模式。按照大腦對(duì)于信息處理的過(guò)程,從感受器中的編碼、發(fā)放率編碼與時(shí)間編碼、群編碼、能量編碼這四個(gè)方面入手探索不同層次上的編碼特性。接著運(yùn)用群編碼中相位編碼的思想提出了一種研究腦皮層之間同步化現(xiàn)象的方法——Spike-LFP的相干性分析法。該方法的適用過(guò)程是首先通過(guò)頻譜分析了解局部場(chǎng)電位(LFP:local field potential)中所有頻率成份的分布情況,從而確定含有較高頻率成份的頻段,接著通過(guò)濾波來(lái)獲取該頻段,從而確保LFP與spikes分析的有效性。然后對(duì)預(yù)處理后的LFP與Spikes的數(shù)據(jù)進(jìn)行相干性分析,從而精確定位到兩者之間在某一頻段存在高度的相干性。Spike-LFP相干性的強(qiáng)弱能夠進(jìn)一步對(duì)神經(jīng)編碼、神經(jīng)競(jìng)爭(zhēng)、神經(jīng)可塑性產(chǎn)生影響,從而能夠更深入的揭示神經(jīng)信息處理以及認(rèn)知功能等形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。由于學(xué)習(xí)與記憶需要多個(gè)腦區(qū)之間的信息溝通與相互協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)功能,因而我們所提出的編碼分析方法可以識(shí)別與功能相關(guān)的信息交流腦區(qū),并且探究信息交流的特征所對(duì)應(yīng)的生理學(xué)機(jī)制。運(yùn)用相位編碼定位了與記憶功能相關(guān)的區(qū)域之后,接著運(yùn)用發(fā)放率編碼來(lái)進(jìn)一步研究記憶系統(tǒng)的功能是如何從工作記憶向長(zhǎng)期記憶轉(zhuǎn)化的。研究中我們基于由Ca2+子系統(tǒng)控制的具有雙穩(wěn)定性的C-W模型中所得到的神經(jīng)元高頻發(fā)放率的維持模式。將所用模型的初始刺激電流修正為可誘發(fā)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP:long-term potential)的Theta節(jié)律刺激TBS(Theta burst stimulation)與HFS(High frequency stimulation),通過(guò)控制變量法來(lái)評(píng)估這兩類初始刺激電流的特性(周期、幅值、占空比)對(duì)于模型記憶機(jī)制所產(chǎn)生的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著刺激周期、幅值、占空比的增加,神經(jīng)元聯(lián)合響應(yīng)的最高發(fā)放率會(huì)隨之增大,記憶的維持時(shí)間會(huì)隨之延長(zhǎng),并且兩類刺激都可以使模型實(shí)現(xiàn)從工作記憶到長(zhǎng)期記憶的轉(zhuǎn)化。但是通過(guò)比較激發(fā)產(chǎn)生長(zhǎng)期記憶時(shí)兩類刺激特性的臨界值,可以發(fā)現(xiàn)兩類刺激在相同pulse數(shù)和占空比的前提下,HFS的刺激幅值更小,刺激成本更低,更易激發(fā)工作記憶模型產(chǎn)生長(zhǎng)期記憶的效果。在工作記憶模型中運(yùn)用可誘發(fā)LTP的兩類刺激成功激發(fā)產(chǎn)生長(zhǎng)期記憶,并利用發(fā)放率編碼呈現(xiàn)記憶模式的改變,這一研究結(jié)果將有助于了解工作記憶與長(zhǎng)期記憶之間的聯(lián)系。接著我們?cè)谏鲜鲅芯康幕A(chǔ)上引入能量編碼思想來(lái)探討工作記憶與長(zhǎng)期記憶的相互作用,研究運(yùn)用TBS和HFS分別激發(fā)工作記憶模型產(chǎn)生長(zhǎng)期記憶過(guò)程中的刺激能耗變化。能量指標(biāo)可以更加具體的刻畫(huà)出刺激的某個(gè)特定要素(pulse數(shù)、幅值、占空比)在變化過(guò)程中,對(duì)于三要素的綜合效果所產(chǎn)生的影響,從而將控制變量法所得到的結(jié)論通過(guò)能量這一載體更加直觀的呈現(xiàn)�？梢园l(fā)現(xiàn)對(duì)于TBS和HFS而言,隨著刺激三要素的分別增長(zhǎng),三要素綜合效果的相對(duì)能耗也會(huì)隨之增長(zhǎng)。兩類刺激對(duì)于記憶模型的作用都能夠誘發(fā)工作記憶模型產(chǎn)生類似的長(zhǎng)期記憶效果,但HFS刺激給予記憶系統(tǒng)的能量更少、能量利用率更高。研究有助于了解工作記憶在兩類可誘發(fā)LTP的刺激作用下形成長(zhǎng)期記憶的過(guò)程,以及兩類記憶相互作用的神經(jīng)能量機(jī)制。在研究了記憶功能形成機(jī)制的基礎(chǔ)上,最后我們探索了學(xué)習(xí)與記憶功能指導(dǎo)下的導(dǎo)航行為。我們基于位置細(xì)胞與網(wǎng)格細(xì)胞交互作用的定位導(dǎo)航模型,引入能量編碼的思想定義了高能比來(lái)定量刻畫(huà)位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞在學(xué)習(xí)目標(biāo)位置后的高能比差異,從而反應(yīng)導(dǎo)航功能形成過(guò)程中所依賴的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)胞分布均值的增加,兩類細(xì)胞的高能比明顯增加。在整個(gè)研究過(guò)程中,前期位置細(xì)胞的高能比大于網(wǎng)格細(xì)胞的高能比,但最終網(wǎng)格細(xì)胞的高能比超過(guò)了位置細(xì)胞。位置細(xì)胞的高能比變化率會(huì)隨著高能比的增加而有所減小,然而網(wǎng)格細(xì)胞的高能比變化率始終在增加。高能比只有達(dá)到某一恰當(dāng)?shù)闹?能夠權(quán)衡大腦神經(jīng)活動(dòng)中所服從的能量最小化原則和信號(hào)傳輸效率最大化原則時(shí),才更有益于開(kāi)展后期高效的導(dǎo)航。運(yùn)用能量編碼進(jìn)行導(dǎo)航學(xué)習(xí)過(guò)程的高能比分析,可以揭示具有導(dǎo)航功能的細(xì)胞在支持導(dǎo)航功能形成過(guò)程中的機(jī)制差異,有助于提升導(dǎo)航的性能。
[Abstract]:In this paper , we find out how to select appropriate neural coding and decoding theory to study the relationship between neural coding , neural competition and neuroplasticity . In the process of studying the mechanism of memory function formation , the high energy ratio of the three factors can be increased . The energy index can be used to study the interaction between working memory and long - term memory .
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：Q42

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本文編號(hào)：1942313