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

【摘要】：空間位置感知和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航是大腦的基本功能,對(duì)于動(dòng)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(biāo)導(dǎo)向的,比如覓食、歸巢、求偶、遷徙等等。目標(biāo)導(dǎo)向行為神經(jīng)機(jī)制的研究已成為神經(jīng)科學(xué)和控制科學(xué)等交叉學(xué)科的前沿研究熱點(diǎn)。近年來,一系列神經(jīng)電生理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大腦海馬(Hp)區(qū)在目標(biāo)導(dǎo)向行為中起到了關(guān)鍵作用,Hp區(qū)的位置細(xì)胞被認(rèn)為是空間導(dǎo)航信息表達(dá)的基本單元,編碼了動(dòng)物的位置信息。不同位置細(xì)胞的特定放電序列從一定程度上反映了動(dòng)物的行進(jìn)路線。但是目標(biāo)導(dǎo)向行為中位置細(xì)胞之間如何進(jìn)行功能互連,協(xié)同實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、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(xì)胞之間功能連接關(guān)系,闡明位置細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)導(dǎo)向行為相關(guān)信息的編碼機(jī)制,是解析生物空間導(dǎo)航神經(jīng)機(jī)制的關(guān)鍵。同時(shí),該研究對(duì)于仿生導(dǎo)航和機(jī)器人領(lǐng)域也具有重要參考價(jià)值。針對(duì)位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)如何編碼目標(biāo)導(dǎo)向行為這一問題,本文以具有卓越空間認(rèn)知和導(dǎo)航能力的鴿子為模式動(dòng)物,首先采用微電極陣列神經(jīng)電活動(dòng)記錄技術(shù)在體記錄了Hp區(qū)神經(jīng)信號(hào),對(duì)比有、無目標(biāo)環(huán)境中位置細(xì)胞空間響應(yīng)特性和穩(wěn)定性,構(gòu)造了位置細(xì)胞空間認(rèn)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(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò),分析了位置細(xì)胞在目標(biāo)導(dǎo)向空間認(rèn)知任務(wù)中的拓?fù)潢P(guān)系;在此基礎(chǔ)上,研究了目標(biāo)導(dǎo)向抉擇任務(wù)中位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)信息和路由信息的編碼機(jī)制,分析了位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)對(duì)路由信息的預(yù)測(cè)性能;最后,建立了位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)空間編碼模型,并結(jié)合運(yùn)動(dòng)軌跡神經(jīng)信息編碼和解碼實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)態(tài)可調(diào)裝置,解決了微電極陣列的精準(zhǔn)定位問題,為在體神經(jīng)信號(hào)可靠檢測(cè)和長(zhǎng)期穩(wěn)定記錄提供了保障。針對(duì)鳥類頭部獨(dú)特解剖學(xué)結(jié)構(gòu),采用四點(diǎn)定位方法,獨(dú)創(chuàng)了一種專用于鴿子的腦立體定位裝置,實(shí)現(xiàn)了微電極陣列植入的精確定位;針對(duì)微電極陣列慢性植入方式,采用模塊化設(shè)計(jì),制作了一種微電極植入深度動(dòng)態(tài)可調(diào)裝置,提高了電極植入的成功率,延長(zhǎng)了神經(jīng)信號(hào)有效采集時(shí)間。2)鴿子空間認(rèn)知實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)在有目標(biāo)導(dǎo)向的空間認(rèn)知任務(wù)中位置細(xì)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(gè)方面對(duì)比分析了有、無目標(biāo)環(huán)境中位置細(xì)胞位置野特性,發(fā)現(xiàn)確定性目標(biāo)能可靠誘發(fā)出穩(wěn)定的位置野;鴿子與哺乳動(dòng)物不同,位置細(xì)胞一般具有多位置野特性。這表明位置野的激活強(qiáng)烈依賴于目標(biāo)導(dǎo)向信息的調(diào)制。3)利用鋒電位發(fā)放率與局部場(chǎng)電位節(jié)律特征分別構(gòu)建了位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò),通過分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦园l(fā)現(xiàn):在目標(biāo)導(dǎo)向空間認(rèn)知任務(wù)中,不同位置細(xì)胞的位置野呈現(xiàn)出高度集聚特點(diǎn),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(dòng)的目標(biāo)導(dǎo)向行為中,位置細(xì)胞間的連接會(huì)變得更加緊密,有助于增強(qiáng)目標(biāo)導(dǎo)向的穩(wěn)定性。4)通過對(duì)上述位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)的性能分析,發(fā)現(xiàn)在目標(biāo)導(dǎo)向抉擇任務(wù)中Hp區(qū)和NCL區(qū)神經(jīng)元對(duì)目標(biāo)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(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)主要編碼了當(dāng)前位置和目標(biāo)位置信息,對(duì)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(duì)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(biāo)導(dǎo)向行為中作用及其分工。5)依據(jù)位置細(xì)胞之間的功能連接關(guān)系,結(jié)合一階隨機(jī)游走模型和二次指數(shù)泊松方程,構(gòu)建了位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)空間編碼模型。運(yùn)用該模型開展了運(yùn)動(dòng)軌跡的神經(jīng)信息編碼和解碼實(shí)驗(yàn),模型預(yù)測(cè)結(jié)果均與實(shí)測(cè)結(jié)果一致,驗(yàn)證了模型的有效性。在神經(jīng)信息解碼實(shí)驗(yàn)中將粒子濾波算法引入到了運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)中,提高了軌跡預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(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)：1669958