三維神經(jīng)元的幾何形態(tài)重構及其放電模式研究.pdf

1、作為大腦構造的基本單位,神經(jīng)元的結構和功能包含很多因素,其中神經(jīng)元的幾何形態(tài)特征和電學物理特性是兩個重要方面。最近十幾年來,研究者根據(jù)神經(jīng)生物學理論和充分的實驗數(shù)據(jù),應用神經(jīng)元仿真技術,可以高效地對神經(jīng)元的幾何形態(tài)、物理和生物化學變化等進行模擬。隨著神經(jīng)科學的廣泛研究以及計算機技術的快速發(fā)展,特別是可視化技術的不斷發(fā)展,使得研究者對神經(jīng)元模擬結果的真實性、精確性、生動性和直觀性不斷地得以提高。
　　在對國內(nèi)外現(xiàn)有的主要幾種神經(jīng)元生

2、成方法、技術具體分析的基礎上,本文構造并且以運動神經(jīng)元為實例詳盡地說明了一種基于神經(jīng)生物學理論的、能夠產(chǎn)生真實感模擬結果的神經(jīng)元重構生成算法,最后并研究了運動神經(jīng)元的放電模式。為此,本文主要在神經(jīng)元的幾何形態(tài)和放電模式上做了一些有益的探索性工作,具體如下:
　　復雜多樣的空間幾何形態(tài)是神經(jīng)元的重要特征,而幾何形態(tài)是研究神經(jīng)系統(tǒng)連接和單個細胞信息處理的基礎。樹突和軸突的形態(tài)多樣性為突觸整合,信號傳導,網(wǎng)絡連接和電路動態(tài)提供了必要的基

3、質(zhì)。為了能夠逼真地重構神經(jīng)元的幾何形態(tài),本文構造了一種新的三維神經(jīng)元幾何形態(tài)的發(fā)育生成方法,該方法采用了具有生物特性的基因調(diào)控網(wǎng)絡模型進行發(fā)育生成三維虛擬神經(jīng)元。另外,所采用的幾何形態(tài)參數(shù)是通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析、抽象和總結而得到的,因此實驗結果真實可靠,最后分析了發(fā)育模型中不同參數(shù)對實驗結果的影響。
　　為了使模擬結果更具精確性、逼真性,生成在解剖結構上和統(tǒng)計上與生物神經(jīng)元沒有區(qū)別且具有高度一致的虛擬神經(jīng)元,本文引入了NSGA

4、-II多目標進化算法,組合基因調(diào)控網(wǎng)絡模型與進化計算的思想來進化生成三維虛擬神經(jīng)元。所采用的進化算法以基因片段復制與歧化模型為核心,而基因復制與歧化機制在基因調(diào)控網(wǎng)絡的進化中具有重要的作用,是形成基因調(diào)控網(wǎng)絡結構最主要的驅(qū)動力量。通過比較分析可知實驗結果與標準神經(jīng)元的幾何形態(tài)具有高度的相似性。
　　神經(jīng)元的電學物理特性包含了不同的電位發(fā)放模式。為了將運動神經(jīng)元幾何形態(tài)造型的結果應用于電生理活動的仿真,本文利用NEURON神經(jīng)元模擬

5、軟件進行實驗,并分別模擬了不同的幾何形態(tài)、突觸數(shù)目和外界刺激這三個方面對神經(jīng)元放電模式的影響。實驗結果表明,神經(jīng)元具有豐富的電位發(fā)放模式,幾何形態(tài)、突觸數(shù)目以及外界刺激的不同,都引起了神經(jīng)元不同的電位發(fā)放。
　　由于樹突,軸突的生長變化,神經(jīng)元的幾何形態(tài)千變?nèi)f化?？臻g幾何形態(tài)和電學物理特性等多個因素一起,綜合表達神經(jīng)元的信息傳遞功能。綜上所述,本文以真實感為基本目標,以神經(jīng)生物學理論為基礎,以大量的實驗數(shù)據(jù)為依據(jù),構造了一種神經(jīng)元