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認知功能,得到神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。事實上,認知的本質(zhì)就是信息加工的過程,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)元電活動之間的聯(lián)系。神經(jīng)編碼模式的選取對于實現(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,并通過性能比較總結(jié)出對于所研究領(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。按照大腦對于信息處理的過程,從感受器中的編碼、發(fā)放率編碼與時間編碼、群編碼、能量編碼這四個方面入手探索不同層次上的編碼特性。接著運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。該方法的適用過程是首先通過頻譜分析了解局部場電位(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,接著通過濾波來獲取該頻段,從而確保LFP與spikes分析的有效性。然后對預(yù)處理后的LFP與Spikes的數(shù)據(jù)進行相干性分析,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相干性的強弱能夠進一步對神經(jīng)編碼、神經(jīng)競爭、神經(jīng)可塑性產(chǎn)生影響,從而能夠更深入的揭示神經(jīng)信息處理以及認知功能等形成的動力學(xué)機制。由于學(xué)習(xí)與記憶需要多個腦區(qū)之間的信息溝通與相互協(xié)作來實現(xiàn)功能,因而我們所提出的編碼分析方法可以識別與功能相關(guān)的信息交流腦區(qū),并且探究信息交流的特征所對應(yīng)的生理學(xué)機制。運用相位編碼定位了與記憶功能相關(guān)的區(qū)域之后,接著運用發(fā)放率編碼來進一步研究記憶系統(tǒng)的功能是如何從工作記憶向長期記憶轉(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)長時程增強(LTP:long-term potential)的Theta節(jié)律刺激TBS(Theta burst stimulation)與HFS(High frequency stimulation),通過控制變量法來評估這兩類初始刺激電流的特性(周期、幅值、占空比)對于模型記憶機制所產(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)放率會隨之增大,記憶的維持時間會隨之延長,并且兩類刺激都可以使模型實現(xiàn)從工作記憶到長期記憶的轉(zhuǎn)化。但是通過比較激發(fā)產(chǎn)生長期記憶時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)生長期記憶的效果。在工作記憶模型中運用可誘發(fā)LTP的兩類刺激成功激發(fā)產(chǎn)生長期記憶,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期記憶之間的聯(lián)系。接著我們在上述研究的基礎(chǔ)上引入能量編碼思想來探討工作記憶與長期記憶的相互作用,研究運用TBS和HFS分別激發(fā)工作記憶模型產(chǎn)生長期記憶過程中的刺激能耗變化。能量指標(biāo)可以更加具體的刻畫出刺激的某個特定要素(pulse數(shù)、幅值、占空比)在變化過程中,對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)論通過能量這一載體更加直觀的呈現(xiàn)�？梢园l(fā)現(xiàn)對于TBS和HFS而言,隨著刺激三要素的分別增長,三要素綜合效果的相對能耗也會隨之增長。兩類刺激對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期記憶的過程,以及兩類記憶相互作用的神經(jīng)能量機制。在研究了記憶功能形成機制的基礎(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。我們基于位置細胞與網(wǎng)格細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定量刻畫位置細胞和網(wǎng)格細胞在學(xué)習(xí)目標(biāo)位置后的高能比差異,從而反應(yīng)導(dǎo)航功能形成過程中所依賴的機制。研究發(fā)現(xiàn)隨著細胞分布均值的增加,兩類細胞的高能比明顯增加。在整個研究過程中,前期位置細胞的高能比大于網(wǎng)格細胞的高能比,但最終網(wǎng)格細胞的高能比超過了位置細胞。位置細胞的高能比變化率會隨著高能比的增加而有所減小,然而網(wǎng)格細胞的高能比變化率始終在增加。高能比只有達到某一恰當(dāng)?shù)闹?能夠權(quán)衡大腦神經(jīng)活動中所服從的能量最小化原則和信號傳輸效率最大化原則時,才更有益于開展后期高效的導(dǎo)航。運用能量編碼進行導(dǎo)航學(xué)習(xí)過程的高能比分析,可以揭示具有導(dǎo)航功能的細胞在支持導(dǎo)航功能形成過程中的機制差異,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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：Q42

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本文編號：1942313