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被动运动相关的海马神经信号解析与信息编码模型研究

作　者: 谢康宁
导　师: 高上凯
学　校: 清华大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 海马 theta节律被动运动速度调控振荡大鼠
分类号: R338
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 9次
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内容摘要

海马是空间认知的重要脑区。关于大鼠海马与运动关系的研究由来已久。以往的研究集中于自由运动，通过鉴别两种theta节律及其与运动模式的关系，对海马神经元的发放模式获得了一些认识。在动物导航时可以通过本体感觉、视觉流、前庭输入得到自身运动的信息。被动运动能够切断本体感觉通路，为我们研究其速度感知提供了很好的范式。本文围绕空间认知中的速度信息编码问题，以被动运动模式为研究范式，在实验和建模两个方面做了较为细致的研究。主要包括四个部分：1）被动运动实验范式和研究方法的建立；2）被动运动模式下海马场电位的特点和分类；3）被动运动模式下海马神经元锋电位的特点及与场电位的关系；4）海马等相关脑区空间认知及速度编码的模型探讨。通过比较大鼠在线性轨道中自由移动和被动运动海马的theta节律证实两者具有不同特性。结果显示，在被动运动模式下，theta节律的频率与被动运动的速度成正相关，theta节律的频率和幅度明显降低；然而，硫酸阿托品对theta节律无阻滞作用，提示被动运动时的theta节律与自由运动时一样，都属于非毒蕈碱型乙酰胆碱能通路的theta I。theta I一直被认为与自主运动相关联，被动运动并非自主运动，在此情况下海马中也存在theta I，这为theta I的功能和作用提出了新的问题。在对被动运动时的锋电位分析后发现，被动运动时有部分神经元与速度有一定的相关性；与自由运动相比，被动运动时theta节律对神经元活动的调制有所减弱，锋电位与场电位相干在theta频段降低，这可能反映了单个神经元和集群活动之间协同性的降低；与场电位的结果类似，被动运动的方向对海马神经元活动无影响，提示与方向相关的编码在海马之外。综合实验观察结果，我们提出在被动运动时theta节律频率的降低以及锋电位和场电位协同性降低可能是由于本体感觉缺失引起感知速度降低而造成的。从这个假设出发，本论文试图在理论上进行探讨，提出了不依赖于感知速度误差的扩展速度调控振荡模型，分别在概念和网络层次进行了讨论，目的是将实验中的观察结果与现有的认识统一起来，理解速度信息在大脑相关脑区发挥的作用。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-24
  1.1 空间记忆与认知  9-16
    1.1.1 海马的解剖及功能  9-11
    1.1.2 海马 theta 节律  11-13
    1.1.3 海马中的神经元  13-14
    1.1.4 内嗅皮层与海马  14-16
  1.2 空间模型  16-18
    1.2.1 单神经元模型  16-18
    1.2.2 网络模型  18
  1.3 速度编码  18-22
    1.3.1 自身运动的感知  18-19
    1.3.2 速度细胞编码  19
    1.3.3 协同速度编码  19-20
    1.3.4 速度与空间认知  20
    1.3.5 速度编码的误差  20-22
  1.4 本论文的主要工作  22-24
第2章材料和方法  24-42
  2.1 被动运动实验新范式及其研究平台  24-30
    2.1.1 线性轨道和遥控小车的制作  24-26
    2.1.2 视频监控和跟踪  26-27
    2.1.3 电极的制作和神经记录系统  27-29
    2.1.4 大鼠训练与给水装置  29-30
  2.2 实验设计  30-34
    2.2.1 动物  30
    2.2.2 手术  30-32
    2.2.3 实验范式  32
    2.2.4 实验数据获取  32-33
    2.2.5 数据分析  33
    2.2.6 组织学切片  33-34
  2.3 数据分析方法  34-40
    2.3.1 von Mises 拟合  34-35
    2.3.2 锋电位‐场电位相干分析及信噪比估计  35-40
  2.4 本章小结  40-42
第3章被动运动下的海马场电位特征及分类  42-53
  3.1 电极定位  42-43
  3.2 波形的时频分析  43-44
  3.3 状态的比较  44-47
    3.3.1 自由运动与静止状态的比较  44-45
    3.3.2 被动运动与静止状态的比较  45-46
    3.3.3 被动运动与自由运动的比较  46-47
  3.4 被动运动的 theta 频率与速度  47-48
  3.5 被动运动的 theta 节律类型  48-49
  3.6 被动运动方向对 theta 节律的影响  49-50
  3.7 讨论  50-52
    3.7.1 自身运动的感知和路径整合  50-51
    3.7.2 被动运动 theta 节律的类型以及意义  51
    3.7.3 与自主运动的关系  51-52
  3.8 本章小结  52-53
第4章被动运动下的海马锋电位特征及与场电位的关系  53-64
  4.1 锋电位检测和分类  53-54
  4.2 被动运动下的速度与锋电位  54
  4.3 Theta 节律对神经元活动的调制  54-58
  4.4 锋电位‐场电位相干分析  58-62
  4.5 被动运动方向对锋电位的影响  62-63
  4.6 本章小结  63-64
第5章速度感知和空间认知探讨  64-86
  5.1 问题的提出  64-65
  5.2 感知速度的作用——海马宏观概念模型  65-75
    5.2.1 经典的 VCO 模型  65-67
    5.2.2 eVCO 宏观概念模型  67-70
    5.2.3 感知速度的误差对位置野的影响  70-73
    5.2.4 空间的覆盖  73-74
    5.2.5 Theta 节律频率的影响  74-75
    5.2.6 空间的内部表达  75
  5.3 感知速度的作用——海马微观网络模型  75-82
    5.3.1 微观网络模型定义  75-78
    5.3.2 微观网络模型与宏观概念模型的关系  78-80
    5.3.3 eVCO 微观网络模型与位置野  80-81
    5.3.4 验证和预测  81-82
  5.4 感知速度的作用——海马与内嗅皮层二级框架  82-85
  5.5 本章小结  85-86
第6章总结与展望  86-89
  6.1 论文的主要工作成果  86-87
  6.2 创新点总结  87-88
  6.3 展望  88-89
参考文献  89-96
致谢  96-98
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  98-99

被动运动相关的海马神经信号解析与信息编码模型研究

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