大鼠前額葉皮層神經(jīng)元集群對(duì)工作記憶事件稀疏編碼的研究.pdf

1、研究目的：神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)信息的編碼是由多個(gè)神經(jīng)元組成的功能集群協(xié)同電活動(dòng)完成的，有效表達(dá)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(dá)前額葉皮層神經(jīng)元集群對(duì)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(jī)制，提出和實(shí)現(xiàn)了兩類不同表達(dá)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(jī)制提供神經(jīng)編碼計(jì)

2、算的支持。
　　 研究方法：
　　 1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　 本論文所用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由天津醫(yī)科大學(xué)神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)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(dòng)作電位的50個(gè)時(shí)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(duì)象。
　　

3、 2.神經(jīng)元集群稀疏編碼。
　　 (1)離散“點(diǎn)電位”的連續(xù)化：因?yàn)橄∈杩臻g變換適用于連續(xù)信號(hào)，而神經(jīng)元群體中每一個(gè)神經(jīng)元發(fā)放的動(dòng)作電位序列是離散的“點(diǎn)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(diǎn)電位”通過以下兩種方式轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號(hào)。
　　 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(gè)數(shù)(頻率)，量化該窗口中“點(diǎn)電位”。選取生理窗口窗寬200ms、窗口移動(dòng)步長為50ms，從初始點(diǎn)開始

4、，逐個(gè)計(jì)算每個(gè)窗口中的各個(gè)神經(jīng)元的發(fā)放頻率；將整個(gè)時(shí)間過程的每個(gè)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(diǎn)電位”。用窗寬為200ms，步長為50ms的移動(dòng)窗口，獲取每個(gè)窗口內(nèi)每個(gè)神經(jīng)元發(fā)放序列的信息熵，在全時(shí)間段對(duì)各個(gè)神經(jīng)元發(fā)放熵值進(jìn)行歸一化。
　　 (2)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢痪仃嚨姆秦?fù)稀疏編碼算法：通過試算，設(shè)置稀疏分解時(shí)源分量的個(gè)數(shù)；在非

5、負(fù)限制條件下，通過最小化代價(jià)函數(shù)，將神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢痪仃嚪纸鉃槌陚涞臋?quán)重矩陣和稀疏的源分量矩陣。
　　 (3)特征稀疏分量的選取：計(jì)算神經(jīng)元集群出現(xiàn)的時(shí)間段，選取源稀疏分量系數(shù)在該時(shí)間段內(nèi)明顯增加的分量作為特征分量。
　　 (4)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏南∈柚貥?gòu)：對(duì)稀疏源特征分量進(jìn)行稀疏逆變換，在原坐標(biāo)中獲取重建的神經(jīng)元群體發(fā)放的動(dòng)態(tài)時(shí)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(duì)工作記憶事件的稀疏編碼，神經(jīng)元集群對(duì)應(yīng)的神經(jīng)元編號(hào)、集群平均持續(xù)時(shí)間分別為：
　　 1.神經(jīng)元集群頻率稀疏編碼。
　　 (1)第1號(hào)大鼠。
　　 ①頻率稀疏編碼：9，10，11(剔除2個(gè)神經(jīng)元)，(0.8480±0.2897)s。
　　 ②頻率編碼：9，10，11(剔除6個(gè)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(shí)間明顯小于頻率編碼中

7、集群持續(xù)時(shí)間，經(jīng)t檢驗(yàn)有顯著性差異(p<0.01)。
　　 (2)第2號(hào)大鼠。
　　 ①頻率稀疏編碼：第1天，7，8(剔除1個(gè)神經(jīng)元)，(0.9540±0.3736)s。第2天，7，8，9(剔除2個(gè)神經(jīng)元)，(1.2180±0.5966)s。
　　 ②頻率編碼：第1天，7，8，9(剔除3個(gè)神經(jīng)元)，(2.7210±1.1983)s；第2天，7，8，9，10(剔除2個(gè)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(shí)間明顯小于頻率編碼中集群持續(xù)時(shí)間，經(jīng)t檢驗(yàn)有顯著性差異(p1<0.01；p2<0.01)。
　　 (3)第3號(hào)大鼠。
　　 ①頻率稀疏編碼：第1天，13，14，15(剔除3個(gè)神經(jīng)元)，(1.1890±0.4418)s；第2天，5，6，7(剔除3個(gè)神經(jīng)元)，(1.1700±0.3348)s。
　　 ②頻率編碼：13，14，15，17(剔除8個(gè)神經(jīng)元)，(2.7560±1.1

9、124)s；第2天，5，6，7，8(剔除10個(gè)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(shí)間明顯小于頻率編碼中集群持續(xù)時(shí)間，經(jīng)t檢驗(yàn)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(hào)大鼠。
　　 ①熵稀疏編碼：9，10，11(剔除2個(gè)神經(jīng)元)，(0.8478±0.2896)s。
　　 ②熵編碼：9，10，11

10、(剔除5個(gè)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(shí)間明顯小于熵編碼中集群持續(xù)時(shí)間，經(jīng)t檢驗(yàn)有顯著性差異(p<0.01)。
　　 (2)第2號(hào)大鼠。
　　 ①熵稀疏編碼：第1天，7，8(剔除2個(gè)神經(jīng)元)，(0.9541±0.3736)s；第2天，7，8，9(剔除2個(gè)神經(jīng)元)，(1.2179±0.5965)s。
　　 ②熵編碼：第1天，7，8，9(剔除3個(gè)神經(jīng)元)，(2

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

12、.3348)s。
　　 ②熵編碼：13，14，15，17(剔除11個(gè)神經(jīng)元)，(2.7558±1.1125)s；第2天，5，6，7，8(剔除8個(gè)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(shí)間明顯小于熵編碼中神經(jīng)元集群持續(xù)的時(shí)間，經(jīng)t檢驗(yàn)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(dá)了稀疏發(fā)放模式的神經(jīng)元集群對(duì)工作記