【摘要】：探索和揭示神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理機(jī)制是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的前沿課題。在神經(jīng)信息處理過程中，信息通過神經(jīng)元的電生理活動(dòng)進(jìn)行編碼。深化對(duì)神經(jīng)電生理活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)于理解神經(jīng)信息處理機(jī)制具有重要意義。為了研究神經(jīng)電生理活動(dòng)在介觀層次的動(dòng)力學(xué)特征，本研究利用多電極陣列系統(tǒng)，多位點(diǎn)、同步記錄了體外培養(yǎng)海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在不同發(fā)育時(shí)期的自發(fā)電信號(hào)，并結(jié)合使用多種非線性方法分析其內(nèi)在特性。主要研究?jī)?nèi)容如下： 對(duì)體外培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)重現(xiàn)量化分析理論，提出一種從單電極記錄到的信號(hào)中識(shí)別簇發(fā)活動(dòng)模式的新算法，準(zhǔn)確率為92.89±2.64%。改進(jìn)現(xiàn)有的分析方法，根據(jù)電信號(hào)的特性自適應(yīng)地設(shè)置檢測(cè)閾值，從多電極同步記錄到的信號(hào)中提取出同步簇發(fā)活動(dòng)這一典型群體發(fā)放模式，準(zhǔn)確率為91.17±3.11%。對(duì)自發(fā)電信號(hào)進(jìn)行初步分析，發(fā)現(xiàn)其時(shí)頻特征在1至2個(gè)小時(shí)這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)沒有發(fā)生顯著變化，具有內(nèi)在平穩(wěn)性。 為了從體外培養(yǎng)海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)電信號(hào)中準(zhǔn)確地提取出非線性特征，結(jié)合使用最大李亞普諾夫指數(shù)、分形指數(shù)和近似熵等三種非線性方法，分別分析其局部動(dòng)力學(xué)行為和全局動(dòng)力學(xué)行為。通過評(píng)估非線性方法的一致性、抗噪能力和區(qū)分狀態(tài)能力，首次明確指出：最大李亞普諾夫指數(shù)可以有效地提取出神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)局部動(dòng)力學(xué)行為的混沌特征，分形指數(shù)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出全局動(dòng)力學(xué)行為的分形特征。 使用最大李亞普諾夫指數(shù)分析10個(gè)體外培養(yǎng)海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的局部動(dòng)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)育過程中局部行為混沌特征的變化規(guī)律表現(xiàn)為混沌模式突現(xiàn)于神經(jīng)發(fā)育的早期和中期（發(fā)育周期的18.98±2.30%至41.35±3.64%），在這一時(shí)期內(nèi)混沌程度呈現(xiàn)出單調(diào)上升趨勢(shì)。對(duì)混沌模式的時(shí)域特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)混沌模式和分岔模式周期性交替躍遷，通往混沌的道路為陣發(fā)。對(duì)混沌模式的空間特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不同位點(diǎn)的混沌模式具有同步性，混沌的程度與活躍位點(diǎn)的數(shù)目呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。 使用分形指數(shù)研究體外培養(yǎng)海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)全局動(dòng)力學(xué)行為的發(fā)育變化，發(fā)現(xiàn)全局行為的分形特征隨網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育呈現(xiàn)出倒“U”型分布。為了進(jìn)一步研究分形動(dòng)力學(xué)行為在網(wǎng)絡(luò)發(fā)育過程中的產(chǎn)生和維持機(jī)制，根據(jù)不同位點(diǎn)間的互信息值構(gòu)建了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的功能結(jié)構(gòu)，，并分析了分形指數(shù)與功能結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)系。結(jié)果表明，分形動(dòng)力學(xué)行為的變化與功能結(jié)構(gòu)拓?fù)涮卣鳎üδ軉卧獢?shù)目和小世界特性）的改變密切相關(guān)。 本文在介觀層次研究了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的非線性動(dòng)力學(xué)特征，有助于挖掘電生理信號(hào)中隱藏的神經(jīng)編碼信息，為揭示神經(jīng)信息處理機(jī)制提供了全新的視野。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文間保持良好的活性狀態(tài)，在一定程度上重現(xiàn)在體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育過程，保持在體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)和功能上的某些特點(diǎn)[16]。根據(jù)取材部位的不同，體外培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可分為海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和皮層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等多種類型。本研究采用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑轶w外培養(yǎng)海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，海馬神經(jīng)元的離體培養(yǎng)步驟如下（圖 1-1）：首先，將孕齡為 18 天的Wistar大鼠用乙醚麻醉，使用剪刀逐層剪開其腹部，從子宮中取出胎鼠，在無菌條件下快速分離出鼠腦的海馬體，并將其放置在 0.125%的胰蛋白酶中消化 1分鐘，溫度為 37 ℃；接著，用吸管吹打海馬，制備成細(xì)胞懸液，并稀釋至 5 × 106細(xì)胞/mL；然后，在使用多聚賴氨酸預(yù)處理過的細(xì)胞培養(yǎng)皿中接種 15 μL細(xì)胞懸液，1分鐘后補(bǔ)加 1 mL的DMEM細(xì)胞培養(yǎng)液；最后，把細(xì)胞培養(yǎng)皿放置在條件為 37 、℃5%CO2的培養(yǎng)箱中，24 小時(shí)后全換液，以后每 2 天換半液。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文在種種困難，在早期的研究中往往只能逐次記錄多個(gè)神經(jīng)元的電生理活動(dòng)，然后根據(jù)離線處理結(jié)果重構(gòu)神經(jīng)元群體[4]。雖然這種方法在一定程度上有助于研究神經(jīng)元的群體活動(dòng)特性，但是它能夠研究的神經(jīng)元數(shù)目非常有限，神經(jīng)信息在重構(gòu)過程中也非常容易丟失。要全面了解和認(rèn)識(shí)神經(jīng)元群體活動(dòng)的特性，需要發(fā)展新的技術(shù)對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的電生理活動(dòng)進(jìn)行同步記錄。20 世紀(jì) 90 年代，隨著集成電路制造技術(shù)的提高，平面微電極陣列得到了迅速的發(fā)展，神經(jīng)元群體活動(dòng)的多電極同步記錄成為可能[12]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：R318.0

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳文娟;李向?qū)?馮顯;蒲江波;駱清銘;;體外培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)時(shí)間發(fā)育變化[J];科學(xué)通報(bào);2010年25期

2 陳琳;鄧勇;陳文娟;曾紹群;駱清銘;;多電極陣列上神經(jīng)元自發(fā)放電序列的時(shí)間編碼[J];自然科學(xué)進(jìn)展;2007年10期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 陳琳;培養(yǎng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自發(fā)電信號(hào)的特性分析[D];華中科技大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2532281