要了解大腦這樣復(fù)雜的系統(tǒng),有效的觀測(cè)手段是不可缺少的。數(shù)十年來(lái),細(xì)胞外電生理學(xué)一直是人們記錄大腦信號(hào)的主要手段,但由于其固有局限性,新的觀測(cè)方法應(yīng)勢(shì)而生,其中鈣成像方法突破了電生理方法的許多局限性,例如鈣成像能同時(shí)記錄數(shù)量更多的神經(jīng)元并且能確保長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)記錄到的是同一細(xì)胞。所以,鈣成像方法以其突出優(yōu)勢(shì),逐漸成為有效的工具,并且在一些動(dòng)物上成功實(shí)現(xiàn)。本文要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)就是在小鼠運(yùn)動(dòng)皮層成功記錄到鈣成像,并利用鈣成像代替以往的電信號(hào),作為神經(jīng)解碼范式——小鼠壓桿中的信號(hào)源,解碼小鼠的壓桿動(dòng)作。我們采用了 3種鈣成像手術(shù)方式,一共在49只小鼠上進(jìn)行了手術(shù)探索,最終有2種方法獲得了成功,分別在2只和3只小鼠大腦皮層中成功記錄到了神經(jīng)元信號(hào)。我們對(duì)其中4只小鼠進(jìn)行壓桿訓(xùn)練,并同步記錄了鈣成像和小鼠的壓桿動(dòng)作。最終每只鼠都成功完成3次任務(wù),每次任務(wù)持續(xù)12-20分鐘。本文進(jìn)一步利用單光子成像信號(hào)提取流程對(duì)每次任務(wù)獲取到的鈣成像視頻進(jìn)行神經(jīng)信號(hào)增強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)校正、神經(jīng)元信號(hào)提取等處理,最終獲取了神經(jīng)元鈣信號(hào)變化軌跡。最后利用主成分分析和t分布的隨機(jī)鄰近嵌入對(duì)鈣信號(hào)進(jìn)行降維,將低維的鈣信號(hào)特征樣本作為支持向量... 

【文章來(lái)源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：72 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．２微型顯微鏡的成像示意圖［２５］??

?＾??Ｓｐｅｃｉｍｅｎ??圖１．２微型顯微鏡的成像示意圖［２５］??在清醒自由的小鼠上實(shí)現(xiàn)在體鈣成像的需求眾多，所以小動(dòng)物便攜式小型化??顯微鏡的研究一直在取得一個(gè)又一個(gè)的突破性的進(jìn)展，其中Ｍａｒｋ?ＪＳｃｈｎｉｔｚｅｒ小組??一直致力于鈣成像顯微鏡的研究和優(yōu)化并取得了很多優(yōu)秀成果。??２１世紀(jì)初前后，最先用來(lái)記錄在體熒光鈣信號(hào)的是光纖儀器，用來(lái)監(jiān)測(cè)小鼠??等哺乳動(dòng)物活動(dòng)時(shí)的光學(xué)信號(hào)，這些信號(hào)為細(xì)胞群體的熒光參數(shù)而不是細(xì)胞圖像??［９０］。通常其分辨率太低而無(wú)法分辨單個(gè)細(xì)胞。２００１年，Ｈｅ丨ｍｃｈｅｎ［９１］提出了一??種應(yīng)用于自由活動(dòng)的大鼠上的光纖掃描雙光子顯微鏡，其中激發(fā)光在單模光纖中??傳導(dǎo)到顯微鏡，利用光纖尖端的振動(dòng)掃描圖像。該顯微鏡能在麻醉大鼠的新皮質(zhì)??中成像

實(shí)驗(yàn)組利用這種熒光顯微鏡觀察小鼠在一段時(shí)間內(nèi)探索三種不同的環(huán)境時(shí)的海??馬ＣＡ１區(qū)域的神經(jīng)元鈣活動(dòng)，在一段時(shí)間內(nèi)均能穩(wěn)定記錄小鼠自由活動(dòng)時(shí)的鈣成??像［９６］，如圖１．５所示。??一?－??１０?ｓ?１??圖１．５微型集成熒光顯微鏡成像海馬ＣＡ１區(qū)域［９６］??（ａ）原始成像的平均熒光的示例；（ｂ）相對(duì)熒光變化的示例圖像；（ｃ）從（ｂ）中提取的細(xì)??胞；（ｄ）從單個(gè)神經(jīng)元中提取的鈣軌跡。（ａ）?－?（ｃ）的尺標(biāo)均為１００ｐｍ。??２０１３年，美國(guó)Ｉｎｓｃｏｐｉｘ公司的微型單光子焚光顯微鏡ｎＶｉｓｔａＨＤ系統(tǒng)被??ＴｈｅＳｃｉｅｎｔｉｓｔ雜志評(píng)為當(dāng)年“十大創(chuàng)新產(chǎn)品”，稱其能夠在分子水平上，對(duì)正在執(zhí)行??既定行為任務(wù)的動(dòng)物大腦中的數(shù)以千計(jì)的神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行成像；２０１７年，北京大??學(xué)的研究人員在高時(shí)空分辨在體成像系統(tǒng)研制方面取得突破性技術(shù)進(jìn)展，成功研??制出２．２克微型化佩戴式雙光子熒光顯微鏡，在動(dòng)物自然行為條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)神??經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多腦區(qū)等多尺度、多層次動(dòng)態(tài)信息處理的長(zhǎng)時(shí)程觀??察［９７］，被評(píng)委年度“中國(guó)十大科學(xué)進(jìn)展”。以上的相關(guān)技術(shù)和研究進(jìn)展提示，我們??可能正處于廣泛采用光學(xué)成像技術(shù)在清醒的行為動(dòng)物上記錄和觀測(cè)大腦活動(dòng)研??究大腦功能的風(fēng)口浪尖［９８］。??１２??

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]為中國(guó)腦計(jì)劃吶喊[J]. 楊雄里.  中國(guó)科學(xué):生命科學(xué). 2016(02)
[2]腦科學(xué)的新手段新技術(shù):信息+系統(tǒng)+智能視角[J]. 吳朝暉,潘綱.  科學(xué)通報(bào). 2015(10)
[3]大鼠運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元集群鋒電位時(shí)空模式解析[J]. 代建華,章懷堅(jiān),張韶岷,李茜,劉曉春,郝耀耀,于毅,蔣凱,劉俊,朱凡,陳衛(wèi)東,鄭筱祥.  中國(guó)科學(xué)（C輯:生命科學(xué)）. 2009(08)



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