【摘要】：腦科學(xué)是二十一世紀最重要的學(xué)科之一,腦神經(jīng)信息處理是一門綜合神經(jīng)生物學(xué)、計算機和數(shù)學(xué)等多學(xué)科的新興交叉學(xué)科。傳統(tǒng)分析方法已經(jīng)無法適應(yīng)多電極陣列記錄到群體神經(jīng)元信號分析的要求,結(jié)合圖論和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究腦功能網(wǎng)絡(luò)已成為神經(jīng)科學(xué)研究的重要內(nèi)容。現(xiàn)有研究集中在腦功能網(wǎng)絡(luò)的小世界特性上,且研究對象為宏觀層次(磁共振成像、腦電圖等)構(gòu)建的功能網(wǎng)絡(luò),無法反應(yīng)神經(jīng)元的活動規(guī)律。從微觀層次(神經(jīng)元)分析能更精細刻畫腦功能網(wǎng)絡(luò)的連接規(guī)律。 本課題以在體多電極記錄大鼠神經(jīng)元構(gòu)建的功能性網(wǎng)絡(luò)為研究對象,結(jié)合計算模型分析,通過復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的分析方法對神經(jīng)元功能性網(wǎng)絡(luò)的特性、社團結(jié)構(gòu)的劃分、評價及利用功能網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測大鼠的行為選擇過程等方面展開研究。本課題的研究不僅為闡明大腦認知功能的神經(jīng)機制提供了依據(jù),也為腦疾病的診斷和治療提供了新方向。 論文的第一章對神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)研究的具體背景和基本知識進行了簡單的介紹。第二、三、四、五、六章分別介紹了本論文的主要結(jié)果。其中包括： (1)目前神經(jīng)科學(xué)家對于執(zhí)行認知任務(wù)的腦功能網(wǎng)絡(luò)是如何演化的還缺乏了解。本論文根據(jù)海馬的神經(jīng)生物學(xué)解剖基礎(chǔ),構(gòu)建了海馬神經(jīng)環(huán)路的計算模型。在模擬單個神經(jīng)元動作電位串(spike trains)發(fā)放的基礎(chǔ)上,通過結(jié)合神經(jīng)元之間的連接結(jié)構(gòu),模擬了海馬群體神經(jīng)元的發(fā)放活動。研究群體神經(jīng)元之間是如何隨著連接結(jié)構(gòu)的變化形成功能網(wǎng)絡(luò)社團結(jié)構(gòu)的。由于在體多電極記錄神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)是無法預(yù)先知道其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及社團個數(shù)的,需要研究該計算模型如何根據(jù)不同的神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)社團結(jié)構(gòu),產(chǎn)生已知群體神經(jīng)元社團個數(shù)和社團結(jié)構(gòu)的spike trains,用來測試社團分析方法的有效性。 (2)在本研究中,我們通過多電極記錄了多只大鼠皮層群體神經(jīng)元的spike trains,這些老鼠分別執(zhí)行多種不同認知任務(wù)實驗。我們分別對每次trial過程構(gòu)建了神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò),總共構(gòu)成了150個功能網(wǎng)絡(luò)。我們從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)最重要的3個特性對神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)拓撲特性進行了分析：小世界特性、無標度網(wǎng)絡(luò)和社團結(jié)構(gòu)特性。另外為了分析神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的社團結(jié)構(gòu),我們提出了一個判斷在神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)中是否存在社團的準則。我們發(fā)現(xiàn)小世界特性普遍存在于不同的神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)中。與fMRI功能網(wǎng)絡(luò)不同,發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)并不存在無標度特性。發(fā)現(xiàn)社團結(jié)構(gòu)特性與記錄到的spike trains數(shù)據(jù)集有關(guān)。相比DM-GM認知實驗任務(wù)。在Y-maze任務(wù)實驗的數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)存在很明顯的社團結(jié)構(gòu)特性。我們發(fā)現(xiàn)并非所有存在小世界特性的功能網(wǎng)絡(luò)都存在社團性。這些結(jié)果表明神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)與其它腦功能網(wǎng)絡(luò)一樣,存在著重要的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性。這個研究第一次同時分析了神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)的幾個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓撲特性。結(jié)果表明該分析方法是有效的。 (3)本論文提出了一種新的神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)社團結(jié)構(gòu)的劃分方法。首先通過隨機游走距離計算成對神經(jīng)元spike trains之間的相似性,接著使用最近鄰方法對相似度矩陣進行排序,形成塊矩陣,最后使用譜劃分方法對相似度矩陣進行譜分解,通過分析特征值與特征向量的特性自動確定社團個數(shù)和社團的結(jié)構(gòu)。我們在由計算模型生成的已知社團結(jié)構(gòu)的spike trains上評價了該方法。同時用于執(zhí)行Y-maze行為任務(wù)的大鼠前額葉皮層的多神經(jīng)元記錄spike trains上,發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)方法無法發(fā)現(xiàn)的社團結(jié)構(gòu)個數(shù)及模式。 (4)如何劃分網(wǎng)絡(luò)的社團結(jié)構(gòu)對于分析各種網(wǎng)絡(luò)拓撲性質(zhì)是一個非常關(guān)鍵的問題,包括社會網(wǎng)絡(luò)、計算機網(wǎng)絡(luò)和生物網(wǎng)絡(luò)等。Newman等人提出的社團模塊度函數(shù)Q是應(yīng)用最為廣泛的評判社團特性強弱的指標,但存在著嚴重的分辨率極限問題。本論文提出了一種新的衡量社團劃分強弱的評價函數(shù),我們稱之為社團系數(shù)C。根據(jù)社團系數(shù)C可自動地識別出網(wǎng)絡(luò)社團結(jié)構(gòu)的最佳劃分個數(shù),不需要任何社團結(jié)構(gòu)的先驗知識。同時我們比較了層次劃分、譜聚類Ncut劃分兩種常用的社團劃分方法,表明Ncut劃分方法和社團系數(shù)C結(jié)合的社團檢測方法得到的社團結(jié)構(gòu)劃分結(jié)果更優(yōu)。在已知社團結(jié)構(gòu)的一些真實網(wǎng)絡(luò)上測試了該方法,相比現(xiàn)有其它幾種社團檢測方法,表明該方法能正確地劃分出不同的社團結(jié)構(gòu),并且正確地識別了社團的個數(shù)。最后我們將該方法應(yīng)用到神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)中。 (5)分析神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)對理解腦的認知功能是一個基本的任務(wù)。這些皮層群體神經(jīng)元組成的功能網(wǎng)絡(luò)是否可以用來分析群體神經(jīng)元活動與動物行為任務(wù)的關(guān)系,及預(yù)測動物單個trial行為選擇的正確性?這些問題目前仍然是不知曉的。本文提出了一種新的方法來分析群體神經(jīng)元的功能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和局部神經(jīng)元環(huán)路結(jié)構(gòu),這些神經(jīng)元來自多只執(zhí)行不同行為任務(wù)的大鼠,并且給出了預(yù)測大鼠單次trial結(jié)果正確性的實現(xiàn)過程。該方法主要由四個部分組成：根據(jù)spike trains構(gòu)建記錄到全體神經(jīng)元的功能網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)社團劃分方法對全體神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)劃分成最優(yōu)局部神經(jīng)功能環(huán)路組；根據(jù)功能網(wǎng)絡(luò)和功能神經(jīng)環(huán)路組無監(jiān)督聚類兩種不同行為選擇的trials;預(yù)測單次trial行為選擇的正確性。我們分別采用多電極記錄方法記錄了老鼠不同皮層的群體神經(jīng)元的spike trains,這些老鼠執(zhí)行兩種不同記憶行為任務(wù),分別為Y-maze任務(wù)和U-maze任務(wù)。實驗結(jié)果表明這些功能網(wǎng)絡(luò)與不同的行為選擇間存在著關(guān)系。相比Y-maze數(shù)據(jù)集,U-maze數(shù)據(jù)集無監(jiān)督劃分trials的正確性更高。結(jié)果表明,在大鼠在執(zhí)行U-maze任務(wù)時,兩種不同行為選擇過程對應(yīng)的神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)及神經(jīng)功能環(huán)路組存在著明顯區(qū)別。同時這些數(shù)據(jù)集能非常有效地用來預(yù)測大鼠單次trial的行為選擇結(jié)果。
【圖文】：

圖2.1 DM-GM實驗裝置驗任務(wù)訓(xùn)練箱是一個有底無蓋的長方形盒子（,材質(zhì)為塑料灰板。在訓(xùn)練箱前擋板丨0cm高度處有中央位置的外壁設(shè)有一對紅外發(fā)射接收裝置。當(dāng)大鼠被打斷，輸出電平信號，可被行為控制程序?qū)崟r檢測m處的兩側(cè)箱壁間也設(shè)有一對紅外發(fā)射接收裝置。訓(xùn)一由電磁開關(guān)控制的水管，當(dāng)電磁閥打開時，即可將飲用。所用實驗裝置如圖2.1所示。程如下：將單只經(jīng)過預(yù)訓(xùn)練的大鼠放入訓(xùn)練箱中，先相同。觀察到大鼠成功取得20次以上的飲水后，，將控置。此時要求大鼠把鼻子探入孔內(nèi)并停留至少800rTi后，必須在五秒鐘之內(nèi)轉(zhuǎn)身到盒子的另一側(cè)去獲得水內(nèi)停留的時間。在孔內(nèi)停留的時間越長，轉(zhuǎn)身后獲得的水）。該實驗及數(shù)據(jù)記錄過程由復(fù)旦大學(xué)李德明課

e任務(wù)訓(xùn)練箱是一個有底無蓋的Y形盒子，選擇臂長71厘米，兩個獎2厘米，三臂互成120度夾角，高20厘米，材質(zhì)為塑料灰板。距選擇處和距獎勵臂末端35厘米處各有一個可以從迷宮地板下升起來的門端和每個門處各有一對紅外（一個紅外線發(fā)射端和一個紅外線接測大鼠在迷宮內(nèi)的位置。實驗裝置如圖2.2所示。作過程如下：將控水1天的大鼠放入迷宮適應(yīng)10分鐘，然后取出，式訓(xùn)練。訓(xùn)練^u始時選擇臂的門關(guān)閉、獎勵臂的門開放，當(dāng)大鼠打的紅外時此門打開，大鼠可以自由選擇進入獎勵臂，并在獎勵臂的微升的水。此時大鼠未進入的獎勵臂的門關(guān)閉。當(dāng)大鼠消費完獎勵擇臂的末端以啟動下一次實驗，此時選擇臂的門關(guān)閉，獎勵臂的門到選擇臂末端6秒后，當(dāng)大鼠打斷選擇臂門前的紅外時此門打開，另一個獎勵臂才能得到獎勵，即若上次trial進入的左獎勵臂，則當(dāng)右獎勵臂才能得到獎勵，否則反之。如果進入和上次trial相同的獎錯誤trial。下次trial的獎勵位置不變。每天訓(xùn)練100個trial,當(dāng)任務(wù)連續(xù)兩天超過80%,則開始記錄。該實驗及數(shù)據(jù)記錄過程由復(fù)旦大
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R338;O157.5

【參考文獻】

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