鴿子位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)導(dǎo)向行為的信息編碼機(jī)制.pdf

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

2、標(biāo)導(dǎo)向行為中位置細(xì)胞之間如何進(jìn)行功能互連，協(xié)同實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、路由等關(guān)鍵導(dǎo)航信息的編碼，目前尚不清楚。因此，深入研究位置細(xì)胞之間功能連接關(guān)系，闡明位置細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)導(dǎo)向行為相關(guān)信息的編碼機(jī)制，是解析生物空間導(dǎo)航神經(jīng)機(jī)制的關(guān)鍵。同時，該研究對于仿生導(dǎo)航和機(jī)器人領(lǐng)域也具有重要參考價值。
　　針對位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)如何編碼目標(biāo)導(dǎo)向行為這一問題，本文以具有卓越空間認(rèn)知和導(dǎo)航能力的鴿子為模式動物，首先采用微電極陣列神經(jīng)電活動記錄技術(shù)在體記錄了Hp區(qū)

3、神經(jīng)信號，對比有、無目標(biāo)環(huán)境中位置細(xì)胞空間響應(yīng)特性和穩(wěn)定性，構(gòu)造了位置細(xì)胞空間認(rèn)知地圖；其次，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論與方法，構(gòu)建了位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)，分析了位置細(xì)胞在目標(biāo)導(dǎo)向空間認(rèn)知任務(wù)中的拓?fù)潢P(guān)系；在此基礎(chǔ)上，研究了目標(biāo)導(dǎo)向抉擇任務(wù)中位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)信息和路由信息的編碼機(jī)制，分析了位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)對路由信息的預(yù)測性能；最后，建立了位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)空間編碼模型，并結(jié)合運(yùn)動軌跡神經(jīng)信息編碼和解碼實(shí)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(diào)裝置，解決了微電極陣列的精準(zhǔn)定位問題，為在體神經(jīng)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(dú)特解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，采用四點(diǎn)定位方法，獨(dú)創(chuàng)了一種專用于鴿子的腦立體定位裝置，實(shí)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(shè)計，制作了一種微電極植入深度動態(tài)可調(diào)裝置，提高了電極植入的成功率，延長了神經(jīng)信號有效采集時間。
　　

5、2）鴿子空間認(rèn)知實(shí)驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在有目標(biāo)導(dǎo)向的空間認(rèn)知任務(wù)中位置細(xì)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(biāo)環(huán)境中位置細(xì)胞位置野特性，發(fā)現(xiàn)確定性目標(biāo)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(xì)胞一般具有多位置野特性。這表明位置野的激活強(qiáng)烈依賴于目標(biāo)導(dǎo)向信息的調(diào)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(gòu)建了位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)，通過分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦园l(fā)現(xiàn)：在目標(biāo)導(dǎo)向空間認(rèn)知任

6、務(wù)中，不同位置細(xì)胞的位置野呈現(xiàn)出高度集聚特點(diǎn)，即位置野集聚區(qū)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)導(dǎo)向行為中，位置細(xì)胞間的連接會變得更加緊密，有助于增強(qiáng)目標(biāo)導(dǎo)向的穩(wěn)定性。
　　4）通過對上述位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)的性能分析，發(fā)現(xiàn)在目標(biāo)導(dǎo)向抉擇任務(wù)中Hp區(qū)和NCL區(qū)神經(jīng)元對目標(biāo)信息和路由信息編碼分別起到了關(guān)鍵作用：Hp區(qū)位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)主要編碼了當(dāng)前位置和目標(biāo)位置信息

7、，對路由信息并不敏感；NCL區(qū)神經(jīng)元功能網(wǎng)絡(luò)則側(cè)重于對路由信息的編碼。這一結(jié)論初步揭示了 Hp區(qū)和NCL區(qū)在鳥類目標(biāo)導(dǎo)向行為中作用及其分工。
　　5）依據(jù)位置細(xì)胞之間的功能連接關(guān)系，結(jié)合一階隨機(jī)游走模型和二次指數(shù)泊松方程，構(gòu)建了位置細(xì)胞功能網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)空間編碼模型。運(yùn)用該模型開展了運(yùn)動軌跡的神經(jīng)信息編碼和解碼實(shí)驗，模型預(yù)測結(jié)果均與實(shí)測結(jié)果一致，驗證了模型的有效性。在神經(jīng)信息解碼實(shí)驗中將粒子濾波算法引入到了運(yùn)動軌跡預(yù)測中，提高了軌跡預(yù)測