【摘要】：大腦是神經(jīng)系統(tǒng)中的高級(jí)中樞,負(fù)責(zé)機(jī)體的一切認(rèn)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(mén)的科學(xué)領(lǐng)域。疼痛是一種復(fù)雜的感官體驗(yàn),也是困擾當(dāng)今人類(lèi)健康最嚴(yán)重的問(wèn)題。解碼疼痛神經(jīng)信號(hào)一直以來(lái)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(hào)的機(jī)制,進(jìn)而推動(dòng)新的治療策略的產(chǎn)生,而且還將對(duì)臨床以及閉環(huán)腦機(jī)接口產(chǎn)生重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。首先,針對(duì)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(hào),本文從多個(gè)角度對(duì)疼痛問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。通過(guò)將動(dòng)物行為與神經(jīng)生理記錄相結(jié)合,來(lái)識(shí)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(wú)論是正常還是處于慢性疼痛狀態(tài)下的大鼠,初級(jí)體感皮層(primary somatosensory cortex,S1)中幅相耦合(phase-amplitude coupling,PAC)程度要強(qiáng)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(chǎng)電位(local field potential,LFP)為檢測(cè)疼痛信號(hào)提供了重要信息。這些結(jié)果共同表明,無(wú)論在LFP還是細(xì)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(jī)制,同樣也指出了 ACC和S1在疼痛過(guò)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(dòng)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(cè)精度的角度出發(fā),提出了一種稱(chēng)之為”突變點(diǎn)檢測(cè)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(guò)整合一系列相互獨(dú)立的“弱”檢測(cè)器并制定多數(shù)投票機(jī)制來(lái)達(dá)到提升檢測(cè)精度的目的。在多個(gè)計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)以及真實(shí)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果表明,本文提出的ECPDs的集成解碼算法的檢測(cè)性能要明顯優(yōu)于單檢測(cè)器的性能。最后,基于LFP信號(hào),本文首先通過(guò)對(duì)不同生理狀態(tài)下大鼠的急性疼痛的強(qiáng)度進(jìn)行了解碼分析,證明了使用LFP信號(hào)來(lái)檢測(cè)急性疼痛的可行性。根據(jù)LFP信號(hào)中theta頻段和high-gamma頻段的功率特征在區(qū)分疼痛強(qiáng)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(cè)急性疼痛信號(hào)的方法,通過(guò)在多個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄上進(jìn)行驗(yàn)證,平均真陽(yáng)性率達(dá)到了 80%以上,假陽(yáng)性率低于20%。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：R402;TN911.6
【圖文】：

圖１．２電生理記錄中不同類(lèi)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(hào)的形式逡逑

圖１．４神經(jīng)刺激技術(shù)逡逑機(jī)斷層掃描（ｃｏｍｐｕｔｅｄ邋ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＣＴ）的升級(jí)。磁共振不用Ｘ光，而是用磁場(chǎng)（以及其逡逑它電波和信號(hào)）來(lái)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(gè)部位是否運(yùn)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(shí)空分辨率上，盡管隨著技術(shù)的進(jìn)步，ｆＭＲＩ逡逑的像素點(diǎn)能夠小到１立方毫米，但是相對(duì)于神經(jīng)元的級(jí)別，還是過(guò)大。ｆＭＲＩ最大的問(wèn)題逡逑在于其時(shí)間分辨率，比如，ｆＭＲＩ在進(jìn)行血液流量掃描時(shí)，延遲長(zhǎng)徶一秒。因此這些都限逡逑制了邋ＡＶＩＲＩ應(yīng)用范圍。ＥＥＧ信號(hào)有著將近一個(gè)世紀(jì)的歷史，它從頭皮表面采集信號(hào)來(lái)記錄逡逑大腦不同區(qū)域的電活動(dòng)（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(lái)確認(rèn)麻醉劑的效果。不過(guò)和ｆＭＲＩ不同的是，逡逑ＥＥＧ的時(shí)間分辨率很好，能夠即時(shí)的獲取腦內(nèi)電信號(hào)的產(chǎn)生。ＥＥＧ的主要弱勢(shì)在于空間逡逑分辨率，在這方面ＥＥＧ基本談不上分辨率。每個(gè)電極只是記錄一個(gè)很粗略的平均值，這逡逑

個(gè)值表示的是所有這個(gè)電極覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)百萬(wàn)到數(shù)億個(gè)神經(jīng)元電量的矢量總和。ＥＣｏＧ逡逑和ＥＥＧ類(lèi)似，同樣是利用表面電極的，只不過(guò)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(méi)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(shí)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(hào)的采集是通過(guò)檢測(cè)神經(jīng)電信號(hào)所引起的磁場(chǎng)獲得的，這些磁場(chǎng)的強(qiáng)度非常弱，相當(dāng)于逡逑地球磁場(chǎng)的千萬(wàn)分之一。盡管ＭＥＧ的時(shí)間分辨率要高于ＥＥＧ，然而其只能運(yùn)用于磁屏蔽逡逑的設(shè)備中。不同于上述信號(hào)所使用的表面電極，ＬＦＰ采用的是微電極。其原理可以簡(jiǎn)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(gè)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(hào)，而且ＬＦＰ的侵入性非常強(qiáng)，它實(shí)際上已經(jīng)逡逑進(jìn)入了腦的內(nèi)部。ＬＦＰ由于其較高的時(shí)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(hào)和生理現(xiàn)象耦合起來(lái)

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3 趙坤W

本文編號(hào)：2758723