鴿子位置細胞功能網絡對目標導向行為的信息編碼機制.pdf

1、空間位置感知和運動導航是大腦的基本功能，對于動物的生存至關重要。自然界中生物大部分空間導航行為都是目標導向的，比如覓食、歸巢、求偶、遷徙等等。目標導向行為神經機制的研究已成為神經科學和控制科學等交叉學科的前沿研究熱點。近年來，一系列神經電生理實驗發(fā)現(xiàn)大腦海馬（Hp）區(qū)在目標導向行為中起到了關鍵作用，Hp區(qū)的位置細胞被認為是空間導航信息表達的基本單元，編碼了動物的位置信息。不同位置細胞的特定放電序列從一定程度上反映了動物的行進路線。但是目

2、標導向行為中位置細胞之間如何進行功能互連，協(xié)同實現(xiàn)目標、路由等關鍵導航信息的編碼，目前尚不清楚。因此，深入研究位置細胞之間功能連接關系，闡明位置細胞網絡對目標導向行為相關信息的編碼機制，是解析生物空間導航神經機制的關鍵。同時，該研究對于仿生導航和機器人領域也具有重要參考價值。
　　針對位置細胞功能網絡如何編碼目標導向行為這一問題，本文以具有卓越空間認知和導航能力的鴿子為模式動物，首先采用微電極陣列神經電活動記錄技術在體記錄了Hp區(qū)

3、神經信號，對比有、無目標環(huán)境中位置細胞空間響應特性和穩(wěn)定性，構造了位置細胞空間認知地圖；其次，利用復雜網絡理論與方法，構建了位置細胞功能網絡，分析了位置細胞在目標導向空間認知任務中的拓撲關系；在此基礎上，研究了目標導向抉擇任務中位置細胞功能網絡對目標信息和路由信息的編碼機制，分析了位置細胞功能網絡對路由信息的預測性能；最后，建立了位置細胞功能網絡狀態(tài)空間編碼模型，并結合運動軌跡神經信息編碼和解碼實驗驗證了模型有效性。本文已完成的工作和取

4、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態(tài)可調裝置，解決了微電極陣列的精準定位問題，為在體神經信號可靠檢測和長期穩(wěn)定記錄提供了保障。針對鳥類頭部獨特解剖學結構，采用四點定位方法，獨創(chuàng)了一種專用于鴿子的腦立體定位裝置，實現(xiàn)了微電極陣列植入的精確定位；針對微電極陣列慢性植入方式，采用模塊化設計，制作了一種微電極植入深度動態(tài)可調裝置，提高了電極植入的成功率，延長了神經信號有效采集時間。
　　

5、2）鴿子空間認知實驗結果分析，發(fā)現(xiàn)在有目標導向的空間認知任務中位置細胞更易形成穩(wěn)定的位置野。從鋒電位特性、空間特性和穩(wěn)定性三個方面對比分析了有、無目標環(huán)境中位置細胞位置野特性，發(fā)現(xiàn)確定性目標能可靠誘發(fā)出穩(wěn)定的位置野；鴿子與哺乳動物不同，位置細胞一般具有多位置野特性。這表明位置野的激活強烈依賴于目標導向信息的調制。
　　3）利用鋒電位發(fā)放率與局部場電位節(jié)律特征分別構建了位置細胞功能網絡，通過分析網絡拓撲特性發(fā)現(xiàn)：在目標導向空間認知任

6、務中，不同位置細胞的位置野呈現(xiàn)出高度集聚特點，即位置野集聚區(qū)網絡的聚類系數(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)。這表明在鴿子主動的目標導向行為中，位置細胞間的連接會變得更加緊密，有助于增強目標導向的穩(wěn)定性。
　　4）通過對上述位置細胞功能網絡的性能分析，發(fā)現(xiàn)在目標導向抉擇任務中Hp區(qū)和NCL區(qū)神經元對目標信息和路由信息編碼分別起到了關鍵作用：Hp區(qū)位置細胞功能網絡主要編碼了當前位置和目標位置信息

7、，對路由信息并不敏感；NCL區(qū)神經元功能網絡則側重于對路由信息的編碼。這一結論初步揭示了 Hp區(qū)和NCL區(qū)在鳥類目標導向行為中作用及其分工。
　　5）依據(jù)位置細胞之間的功能連接關系，結合一階隨機游走模型和二次指數(shù)泊松方程，構建了位置細胞功能網絡狀態(tài)空間編碼模型。運用該模型開展了運動軌跡的神經信息編碼和解碼實驗，模型預測結果均與實測結果一致，驗證了模型的有效性。在神經信息解碼實驗中將粒子濾波算法引入到了運動軌跡預測中，提高了軌跡預測