海馬CA3 SWNN模型及神經(jīng)元集群編碼刺激的研究.pdf

1、目的： 本論文基于海馬CA3區(qū)神經(jīng)元發(fā)放的稀疏分布，構(gòu)建了海馬CA3區(qū)神經(jīng)元發(fā)放的小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Small World Neural Network，SWNN）模型。應(yīng)用該模型，仿真了在脈沖輸入、Gaussian白噪聲輸入和兩者線性疊加的輸入條件下，海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群電活動的時空序列。應(yīng)用兩種神經(jīng)元集群編碼：頻率編碼（rate coding）和基于神經(jīng)元放電峰峰間隔序列（ISI）相關(guān)編碼。研究了海馬CA3區(qū)神經(jīng)元集群對這三類

2、信息（刺激）的編碼，為研究海馬神經(jīng)元集群編碼（信息）的研究，提供神經(jīng)計算的支持。 方法： 1.海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建 根據(jù)海馬CA3區(qū)特點：興奮性神經(jīng)元與抑制性神經(jīng)元的數(shù)量比大約為5：1，海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群體的稀疏發(fā)放（平均發(fā)放率小于10%）。在Matlab7.4仿真平臺上，構(gòu)建海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。仿真海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群體放電活動的時空序列。在小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中每個

3、神經(jīng)元發(fā)放的模型是Hindmarsh-Rose（HR）模型，通過改變HR模型中的γ參數(shù)，可以得到興奮性神經(jīng)元和抑制性神經(jīng)元的放電序列。海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包含120個神經(jīng)元，其中興奮性神經(jīng)元100個，抑制性神經(jīng)元20個。神經(jīng)元之間的聯(lián)系按WS小世界網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建算法生成。 2.應(yīng)用小世界網(wǎng)絡(luò)模型對海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群放電時空序列的動態(tài)仿真 設(shè)定三類典型的輸入刺激模式：脈沖刺激、Gaussian白噪聲刺激和以

4、上兩類刺激的線性疊加信號。在Matlab7.4平臺上，對所構(gòu)建的海馬CA3區(qū)小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分別施加上述三種不同的刺激模式，仿真在三種刺激條件下海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群發(fā)放的時空序列40秒時間段，并獲取在這三類刺激模式作用下序列中每個神經(jīng)元放電的峰峰間隔（Inter-Spike Interval，ISI）序列，組成ISIs時空序列。 3.仿真的海馬CA3區(qū)神經(jīng)元集群電活動對刺激的編碼 研究在不同的刺激模式下動態(tài)神經(jīng)元集群對

5、刺激的編碼。采用兩種神經(jīng)元集群編碼的表達(dá)方法：頻率編碼和ISI相關(guān)編碼。比較頻率編碼和ISI相關(guān)編碼，對三類特定刺激神經(jīng)元集群編碼的表征效能。 對在不同刺激模式下獲得的仿真神經(jīng)元群體發(fā)放時空序列，分別應(yīng)用頻率編碼和ISI相關(guān)編碼來劃分功能神經(jīng)元集群。 （1）神經(jīng)元集群電活動的頻率編碼 時間窗口為200ms（生理窗口），窗口移動步長設(shè)置為50ms，統(tǒng)計時空序列中每個神經(jīng)元在每個移動窗口內(nèi)的神經(jīng)元發(fā)放的個數(shù)。進(jìn)行歸一

6、化處理后，獲得表征神經(jīng)元群體發(fā)放時空模式的動態(tài)“地形圖”。 （2）基于放電峰峰間隔序列（ISI）的神經(jīng)元集群相關(guān)編碼 ①對神經(jīng)元群體放電時空序列（spike trains）中每個神經(jīng)元的放電序列，計算放電脈沖間隔序列ISIs。 ②連接N個神經(jīng)元發(fā)放時空序列中每個神經(jīng)元的離散ISIs點，經(jīng)過曲線擬合后得到N條神經(jīng)元發(fā)放ISI序列的連續(xù)曲線。 ③選取在刺激后神經(jīng)元平均發(fā)放頻率最高的神經(jīng)元發(fā)放序列作為參考序列。

7、 ④設(shè)定窗口寬度（選擇小于50ms的小窗口），在第k個窗口中計算其它N-1個ISI序列對參考序列的相關(guān)值。 ⑤選擇步長為1/3窗口寬度，計算每個移動窗口中ISI中的N-1個相關(guān)值。 ⑥繪制在時間、空間上神經(jīng)元群體放電的“地形圖”，劃分編碼特定刺激模式的動態(tài)神經(jīng)元集群。 結(jié)果： 1.本論文在Matlab7.4仿真平臺上構(gòu)建了海馬CA3區(qū)小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。應(yīng)用該模型可以成功仿真海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群體

8、的放電特性。 2.在沒有刺激輸入時，海馬CA3區(qū)小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸出的神經(jīng)元群動作電位發(fā)放平均發(fā)放率為7.8%，符合海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群放電的稀疏發(fā)放特性（平均發(fā)放率小于10%）。 3.在三類刺激輸入模式（脈沖刺激、Gaussian白噪聲刺激和上述兩類刺激的線性疊加）下，模型輸出的神經(jīng)元群體動作電位發(fā)放的特征模式不同。 對應(yīng)的神經(jīng)元集群編碼模式如下： ①神經(jīng)元集群頻率編碼 （a）在脈沖刺激輸入條

9、件下，各個神經(jīng)元的放電頻率范圍為[5.14～21.52]Hz，群體（120個神經(jīng)元）平均放電頻率為10.43±0.38 Hz。神經(jīng)元集群頻率編碼能夠編碼脈沖刺激輸入模式。 （b）在Gaussian白噪聲刺激信號作用下，各個神經(jīng)元的放電頻率范圍為[3.02～15.28] Hz，群體平均放電頻率為7.59±0.62Hz。神經(jīng)元集群頻率編碼能夠編碼Gaussian白噪聲刺激輸入模式。 （c）在以上兩類刺激的線性疊加條件下，神經(jīng)

10、元的放電頻率為[2.27～55.21]Hz，平均放電頻率為15.52±0.84Hz。神經(jīng)元集群頻率編碼不能編碼脈沖刺激和Gaussian白噪聲刺激線性疊加輸入模式。 ②神經(jīng)元集群的ISI相關(guān)編碼 （a）神經(jīng)元集群ISI相關(guān)編碼能夠編碼脈沖刺激輸入模式。 （b）神經(jīng)元集群ISI相關(guān)編碼能夠編碼Gaussian白噪聲刺激輸入模式。 （c）神經(jīng)元集群ISI相關(guān)編碼對脈沖刺激和Gaussian白噪聲刺激線性疊加輸

11、入模式編碼效果不明顯。 結(jié)論： 1.本論文建立的海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群小世界神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠有效地仿真海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群體電活動，反映其稀疏特性（平均發(fā)放率小于10%）。 2.在三種不同的刺激模式下（脈沖刺激、Gaussian白噪聲刺激和上述兩類刺激的線性疊加），海馬CA3區(qū)神經(jīng)元群動作電位發(fā)放的時空序列特征模式不同。 3.在脈沖刺激和Gaussian白噪聲刺激下，頻率編碼可以劃分表征不同單個刺激的神經(jīng)元