發(fā)布時間：2020-07-17 00:28

【摘要】：大腦是神經(jīng)系統(tǒng)中的高級中樞,負責(zé)機體的一切認知功能,而研究大腦的結(jié)構(gòu)和功能,則成為了當(dāng)前最熱門的科學(xué)領(lǐng)域。疼痛是一種復(fù)雜的感官體驗,也是困擾當(dāng)今人類健康最嚴重的問題。解碼疼痛神經(jīng)信號一直以來都是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域重要的研究課題,它不僅能夠幫助人們理解大腦處理疼痛信號的機制,進而推動新的治療策略的產(chǎn)生,而且還將對臨床以及閉環(huán)腦機接口產(chǎn)生重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。首先,針對從不同生理狀態(tài)下的大鼠上記錄得到的多模態(tài)的神經(jīng)信號,本文從多個角度對疼痛問題進行了深入研究。通過將動物行為與神經(jīng)生理記錄相結(jié)合,來識別假定的自發(fā)性疼痛事件,并在誘發(fā)性疼痛和自發(fā)性疼痛之間均發(fā)現(xiàn)了不同的多模態(tài)神經(jīng)響應(yīng):1)無論是正常還是處于慢性疼痛狀態(tài)下的大鼠,初級體感皮層(primary somatosensory cortex,S1)中幅相耦合(phase-amplitude coupling,PAC)程度要強于前扣帶皮層(anterior cingulate cortex,ACC)中的幅相耦合程度;2)在自發(fā)性疼痛期間,疼痛行為發(fā)生前S1中的 γ-ERS/ERD(event-relateddesynchronization/synchronization)與疼痛行為發(fā)生后的 ACC中的β-ERS/ERD相關(guān);3)在誘發(fā)性疼痛期間,ACC和S1中疼痛調(diào)制(pain-modulated)神經(jīng)元的發(fā)放率與由刺激誘發(fā)(stimulus-evoked)的事件相關(guān)電位(event-related potential,ERP)的振幅相關(guān);4)ACC和S1中的集群鋒電位和局部場電位(local field potential,LFP)為檢測疼痛信號提供了重要信息。這些結(jié)果共同表明,無論在LFP還是細胞層面上,誘發(fā)性疼痛和自發(fā)性疼痛之間都存在著截然不同的神經(jīng)機制,同樣也指出了 ACC和S1在疼痛過程中編碼作用的不同。其次,基于神經(jīng)元集群鋒電位數(shù)據(jù),在泊松動態(tài)系統(tǒng)(poisson linear dynamic system,PLDS)模型的基礎(chǔ)上,本文從提高急性疼痛檢測精度的角度出發(fā),提出了一種稱之為”突變點檢測器集成”(ensemble of change-point detectors,ECPDs)的解碼算法。該算法利用集成學(xué)習(xí)的思想,通過整合一系列相互獨立的“弱”檢測器并制定多數(shù)投票機制來達到提升檢測精度的目的。在多個計算機仿真數(shù)據(jù)以及真實實驗記錄數(shù)據(jù)的測試結(jié)果表明,本文提出的ECPDs的集成解碼算法的檢測性能要明顯優(yōu)于單檢測器的性能。最后,基于LFP信號,本文首先通過對不同生理狀態(tài)下大鼠的急性疼痛的強度進行了解碼分析,證明了使用LFP信號來檢測急性疼痛的可行性。根據(jù)LFP信號中theta頻段和high-gamma頻段的功率特征在區(qū)分疼痛強度研究中所發(fā)揮的作用,本文還提出了一種基于穩(wěn)態(tài)卡爾曼濾波的檢測急性疼痛信號的方法,通過在多個實驗記錄上進行驗證,平均真陽性率達到了 80%以上,假陽性率低于20%。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R402;TN911.6
【圖文】：

圖１．２電生理記錄中不同類型的電極圖示１２７１逡逑１．３．２方法及應(yīng)用逡逑１．３．２．１腦神經(jīng)信號的形式逡逑

圖１．４神經(jīng)刺激技術(shù)逡逑機斷層掃描（ｃｏｍｐｕｔｅｄ邋ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＣＴ）的升級。磁共振不用Ｘ光，而是用磁場（以及其逡逑它電波和信號）來生成身體和腦的影像。１ＭＲＩ在醫(yī)學(xué)上有很多應(yīng)用，比如它能告知醫(yī)生逡逑病人中風(fēng)后大腦的各個部位是否運行正常，在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，它能揭示大腦某些區(qū)域所發(fā)逡逑揮的特定功能。ｆＭＲＩ的缺陷主要體現(xiàn)在它的時空分辨率上，盡管隨著技術(shù)的進步，ｆＭＲＩ逡逑的像素點能夠小到１立方毫米，但是相對于神經(jīng)元的級別，還是過大。ｆＭＲＩ最大的問題逡逑在于其時間分辨率，比如，ｆＭＲＩ在進行血液流量掃描時，延遲長徶一秒。因此這些都限逡逑制了邋ＡＶＩＲＩ應(yīng)用范圍。ＥＥＧ信號有著將近一個世紀的歷史，它從頭皮表面采集信號來記錄逡逑大腦不同區(qū)域的電活動（如圖１．５所示）。在臨床上，ＥＥＧ能夠獲取關(guān)于癲癇等疾病的醫(yī)學(xué)逡逑信息，并且可以追蹤睡眠規(guī)律，還可以用來確認麻醉劑的效果。不過和ｆＭＲＩ不同的是，逡逑ＥＥＧ的時間分辨率很好，能夠即時的獲取腦內(nèi)電信號的產(chǎn)生。ＥＥＧ的主要弱勢在于空間逡逑分辨率，在這方面ＥＥＧ基本談不上分辨率。每個電極只是記錄一個很粗略的平均值，這逡逑

個值表示的是所有這個電極覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)百萬到數(shù)億個神經(jīng)元電量的矢量總和。ＥＣｏＧ逡逑和ＥＥＧ類似，同樣是利用表面電極的，只不過它是把電極放到了頭骨下面也就是腦的表逡逑面（如圖１．５所示）。沒有頭骨的干擾，ＥＣｏＧ能夠獲得更高的空間性分辨率（精確到１厘米）逡逑和時間性分辨率（精確到５毫秒）。ＥＣｏＧ的電極可以被放置于硬腦膜上方或者下方。ＭＥＧ逡逑信號的采集是通過檢測神經(jīng)電信號所引起的磁場獲得的，這些磁場的強度非常弱，相當(dāng)于逡逑地球磁場的千萬分之一。盡管ＭＥＧ的時間分辨率要高于ＥＥＧ，然而其只能運用于磁屏蔽逡逑的設(shè)備中。不同于上述信號所使用的表面電極，ＬＦＰ采用的是微電極。其原理可以簡單理逡逑解為將微電極插入皮層１－２毫米處（如圖１．５所示），每個電極就能收集附近一定范圍內(nèi)的逡逑神經(jīng)元電量的平均值。與前面提到的ｆＭＲＩ、ＥＥＧ和ＥＣｏＧ不同，微電極ＬＦＰ的規(guī)模性很逡逑低，它只能采集電極附件一小塊區(qū)域的信號，而且ＬＦＰ的侵入性非常強，它實際上已經(jīng)逡逑進入了腦的內(nèi)部。ＬＦＰ由于其較高的時空分辨率，在神經(jīng)科學(xué)研究和臨床上都有廣泛的應(yīng)逡逑用。鈣成像的主要原理是將外源性熒光信號和生理現(xiàn)象耦合起來

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3 趙坤W

本文編號：2758723