基于稀疏-小世界网络的初级视皮层神经元发放模型

通过构建神经元发放模型实现对视觉系统刺激编码方式的解析是计算神经生理学领域的研究热点。在传统线性-非线性-泊松(LNP)模型的基础上,采用稀疏编码模型训练的基函数作为模型的刺激滤波器,进一步利用小世界网络优化神经元集群的连接结构,构建了一种新型初级视皮层(V1区)神经元发放模型,用于预测神经元在特定刺激模式下的响应活动。利用在LE大鼠V1区采集的多通道发放数据拟合模型参数,进一步验证模型的有效性。实验结果表明,与传统未选择基函数作为刺激滤波器以及未经过小世界网络优化的对照模型相比,该模型能更准确地预测大鼠V1区神经元在不同朝向光栅刺激下的响应。该研究表明,经小世界网络优化后,模型中神经元的连接结构具有更强的生物相似性,能更真实地反映初级视觉皮层神经元群的响应机制。     

基于受限玻尔兹曼机的神经元群体响应的贝叶斯解码

神经元通过尖峰模式传递有关刺激的信息,多个神经元通过突触相互联系,构成了复杂的神经回路。在过去的一个世纪中,多电极记录技术的进步使科学家们能够获取一个完整神经回路的细胞响应。这些记录表明,神经元的活动之间存在显著相关性。因此,本文提出利用受限玻尔兹曼机模型描述神经元响应活动之间的相关性,建立神经元群体响应的编码模型,并利用贝叶斯定理构建了基于受限玻尔兹曼机模型的解码器,将它应用于模拟的小鼠视觉皮层神经元的响应序列中。实验结果表明,此解码器在准确率方面优于不考虑神经元之间相关性的独立模型解码器。     

大鼠初级视皮层神经元整合野调制的多重分形去趋势波动分析

初级视皮层(V1区)神经元整合野的外周调制作用是动物执行视觉图像-背景分割和目标识别的神经基础。采用多重分形去趋势波动的方法,分析了整合野调制下神经元响应的多重分形性,并分析了其与整合野抑制作用的关系。结果表明:不同模式下神经元的响应信号均具有多重分形特征,谱宽Δα能显著区分两种典型的整合野调制状态,且神经元的分形性强度与整合野的抑制指数呈正相关。该研究表明整合野的调制作用改变了神经元响应的复杂程度,提高了其携带信息的能力。     

信鸽视顶盖中间层ON-OFF神经元在空间统一白噪声刺激下的编码

感知系统神经科学的一个基本目标是刻画刺激和神经元响应之间的功能性关系。空间统一白噪声（spatial uniform white noise,SUN）刺激包含了丰富的时间变化信息,SUN 刺激下的神经响应揭示了其时间编码属性。基于视网膜神经节细胞-视顶盖（retinal ganglion cells - optic tectum,RGC-OT）神经回路的信息整合假设,本文提出了信鸽视顶盖浅中层 ON-OFF 神经元 SUN 刺激响应的双滤波器半波整流模型,用于 SUN 刺激响应的预报。为解决凸优化问题,利用二次曲线对半波整流进行近似,将双滤波器模型转换为广义二次模型（generalized quadratic model,GQM）,然后进行优化,预报结果表明二次模型相比较传统的线性-非线性-泊松分布（linear nolinear possion,LNP）模型,获得了更好的预报效果。该结果也验证了 OT 神经元以不同的通路进行时变的亮度增强和降低的信息处理的假设。     

大鼠初级视皮层整合野朝向信息调制的混沌性研究

整合野朝向信息调制作用下神经元响应信号具有混沌性,目前并不清楚混沌响应特性对信息处理的作用。以大鼠为研究对象,通过胞外电极记录信号的方式获取初级视皮层(V1区)神经元的动作电位信号,利用最大李雅普诺夫指数描述响应信号的非线性混沌状态,通过递归图算法计算随混沌状态变化的动力学信息量,分析神经元在整合野朝向信息调制下混沌性的变化对神经元信息表达的影响。结果发现整合野的调制增强了神经元响应信号的混沌性,有助于神经元用相对较少的发放传递等量的信息,或用同样的发放传递相对较多的信息,从而提高视觉系统处理信息的能力。     

大脑、知觉模型和计算机模拟

现代神经生物学的研究表明，大脑的知觉活动可能和脑里神经脉冲的图型有关。为了充分评价这一假设的含义并在计算机上模拟知觉过程，必须研究神经元是如何工作的；它们之间是如何通信的；它们是如何组织成局部的或散布的网络的，以及神经元之间的连接是如何随经验而改变的。     

基于spike-LFP同步的神经元朝向选择性分析

局部场电位(local field potential,LFP)与神经元发放的锋电位(spike)之间的同步关系揭示了重要的神经编码信息。为了研究不同对比度的光栅刺激下猕猴视皮层V1区和V4区神经元的朝向选择性,本文将锋电位触发的相关矩阵同步方法应用于在猕猴视皮层V1区和V4区记录的微电极信号,发现spike与gamma频段LFP之间的同步与光栅朝向之间存在较强的相关性,反映了视觉刺激的基本特征信息。另外,神经元spike的发放速率虽然会受到光栅朝向的影响,但是在不同对比度下发放速率并无明显区别,而spike-LFP同步会随着对比度的增加而增加,能够反映出同一朝向下对比度的变化。本文还利用圆方差来量化spike-LFP同步的朝向调谐曲线,发现对比度越大,V1区和V4区神经元的朝向选择性越强,V1区神经元比V4区神经元具有更强的朝向选择性。总之,spike-LFP同步能够更深入地揭示视皮层神经元的朝向调谐特性,为研究朝向选择性的形成机制提供新的方向。     

抑制性突触输入作用下神经振子群相响应同步

文章利用相响应曲线建立了具有兴奋性与抑制性突触输入和外部周期刺激的神经振子集群模型,引入复序参数描述神经元集群的同步活动。数值模拟表明抑制性突触输入降低了神经元集群的同步程度,减弱了神经元集群同步模式改变时的外部刺激;在弱刺激或低频率刺激下,神经元集群出现完全同步;在强刺激或高频率刺激下,神经元集群出现阵发性同步。     

不同动物小肠肌间神经丛内NOS神经元分布的比较

采用NADPH-黄递酶组织化学法对草鱼、牛蛙、家鸡和大鼠小肠肌间神经丛内NOS阳性神经元的分布进行了比较研究．结果表明，NOS阳性产物在草鱼肌间神经丛中未见分布，而在其它几类动物中阳性反应明显．但在不同动物NOS阳性神经元的形态、分布、密度及神经纤维的分布存在差异．在牛蛙、家鸡和大鼠的小肠肌间神经丛中，NOS阳性神经元的分布从分散到集中，形态呈现由不规则形到规则形再到不规则形的复杂变化；神经节从无到有，神经网络由不发达趋于发达；而在每种动物中，NOS阳性神经元的密度沿肠道由前向后基本呈上升趋势，这种节段性的差异牛蛙极显著，家鸡和大鼠则不甚显著．实验结果提示，随着动物的进化，一氧化氮能神经元在肠肌间神经丛中的分布也更加复杂而有序，从而使胃肠道的调节更加精确．     

日本弓背蚁(Camponotus japonicus)视叶髓区GABA免疫阳性反应的初步研究

采用CP包埋切片技术，结合免疫组织化学方法，研究了γ－氨基丁酸（GABA）在日本弓蚁视叶髓区中的分布。结果发现雌蚁和雄蚁的分布模式基本相同，髓质都显示GABA免疫阳性反应，并且呈现分层现象。髓质周期的一些神经元被标记，髓质之间的部分神经纤维也被标记，但几条大的视觉通路染色很浅。这表明GABA在视觉活动中发挥重要的调节作用，并且它主要抑制局部区域的神经活动。     

Adaptive coding of visual information in neural populations

Our perception of the environment relies on the capacity of neural networks to adapt rapidly to changes in incoming stimuli. It is increasingly being realized that the neural code is adaptive, that is, sensory neurons change their responses and selectivity in a dynamic manner to match the changes in input stimuli. Understanding how rapid exposure, or adaptation, to a stimulus of fixed structure changes information processing by cortical networks is essential for understanding the relationship between sensory coding and behaviour. Physiological investigations of adaptation have contributed greatly to our understanding of how individual sensory neurons change their responses to influence stimulus coding, yet whether and how adaptation affects information coding in neural populations is unknown. Here we examine how brief adaptation (on the timescale of visual fixation) influences the structure of interneuronal correlations and the accuracy of population coding in the macaque (Macaca mulatta) primary visual cortex (V1). We find that brief adaptation to a stimulus of fixed structure reorganizes the distribution of correlations across the entire network by selectively reducing their mean and variability. The post-adaptation changes in neuronal correlations are associated with specific, stimulus-dependent changes in the efficiency of the population code, and are consistent with changes in perceptual performance after adaptation. Our results have implications beyond the predictions of current theories of sensory coding, suggesting that brief adaptation improves the accuracy of population coding to optimize neuronal performance during natural viewing.     

基于残差神经网络的恒星-星系分类器

使用残差神经网络（residual neural network，RNN）算法对斯隆数字巡天（Sloan digital sky survey，SDSS）提供的天体伪彩色图片进行分类，直接从图像中获得特征．使用带有光谱信息的星系与恒星图片作为训练集和测试集．经过训练，在测试集上的准确率达到98.23%，召回率达到98.80%。这表明:RNN可以实现对星系和恒星图像的精确分类，分类器给出的恒星-星系概率是有效的，可用于分类可靠度评估；还可以尝试将此分类器应用到未来巡天中，进一步测试其性能．      

Response synchronization: New progress in brain-visual information processing

Studies on brain-vision have entered a new stage, after the stimulus-induced y synchronized oscillation of neuron group activities have been discovered in cat primary visual cortex. Naturally, how to understand the visual system became a very important methodological problem. From aspects such as information processing, nonlinear dynamics and neuronal network, some primary problems in vision studies have been deeply discussed, which are related with the response synchronization of neuron groups to external objects. The nerve representation (NR) is a distinct feature of the visual system that acts as the intelligent information processing system. NR is also the kernel concept of the computational theory of vision, and the wavelet transform is the basis of multiscale representation. Some important problems should be paid attention to in the study of neuronal spatio-temporal coding and brain-visual information processing. The response synchronization might be a significant approach for integration of brain-visual information processing.     

基于改进的卷积神经网络的钢号识别

为获取样本的多样性特征,提出了一种改进的卷积神经网络结构。该网络中引入多层递归神经网络,利用卷积神经网络提取输入图像的浅层特征,同时利用卷积神经网络和递归神经网络并行提取高层特征,最后将两种网络学习到的特征进行融合输入到分类器中分类。利用迁移学习理论解决小样本集数据训练不足的问题,并将这种卷积神经网络结构应用于石油物资管线钢号识别中。实验探究了递归神经网络个数与卷积核个数对网络性能的影响,实验结果表明,改进的网络结构与其它网络进行对比,错误率降低了 3% 。     

信鸽外纹体神经元对习得性目标认知的响应特性

习得性认知是生物通过后天学习,将外部目标与自身行为进行强化训练,形成一种条件反射的认知过程,信鸽外纹体神经元在认知前后响应如何变化尚不清楚。通过训练信鸽识别特定目标,同步记录外纹体神经元集群信号,从动作电位发放率、局部场电位伽马子频带能量、神经元间互信息等角度,分析信鸽在不同认知阶段外纹体神经元响应特征的变化规律,结果表明:习得目标认知建立前后,其神经元的响应从集中在目标呈现阶段调整到决策阶段;不同试次神经元响应间的同步性随着习得性目标认知的建立逐渐增强,表现出更稳定可靠的响应特征;神经元集群间的互信息显著弱于认知前,表明习得性目标认知减弱了神经元集群的冗余信息,提高了编码效率。     

青藏高原城市洪涝缓解能力评估

通过耦合FUTURES城市扩张模拟模型和城市洪涝缓解能力评估模型,综合不同气候变化和城市扩张情景对拉萨市洪涝缓解能力的历史及未来变化进行了定量评估．结果发现:1）2000—2015年,拉萨市各区洪涝缓解能力平均降低了5.34%．其中城关区和堆龙德庆区分别降低了4.63%和8.55%,仅达孜区的缓解能力提高了1.13%．2）城关区未来洪涝缓解能力在RCP4.5和RCP8.5情景下分别平均降低了15.01%和29.52%,堆龙德庆区则分别降低了16.16%和31.95%．3）城关区和堆龙德庆区的新增城镇用地造成其缓解能力比原自然地表降低50%以上,在城市扩张中采取保护水体措施,能够有效减少缓解能力的退化．4）未来城市扩张造成拉萨市未来洪涝缓解能力的大幅降低,而气候变化进一步扩大了其退化程度．因此,拉萨市在未来应该遏制城市建设向水体、草地扩张的趋势,提高城市土地利用效率．并且应当加强城市内部绿色基础设施的建设,适度提高防洪排水设施标准,以应对气候变化可能造成的极端降水事件．      

Gamma-band synchronization in visual cortex predicts speed of change detection

Our capacity to process and respond behaviourally to multiple incoming stimuli is very limited. To optimize the use of this limited capacity, attentional mechanisms give priority to behaviourally relevant stimuli at the expense of irrelevant distractors. In visual areas, attended stimuli induce enhanced responses and an improved synchronization of rhythmic neuronal activity in the gamma frequency band (40-70 Hz). Both effects probably improve the neuronal signalling of attended stimuli within and among brain areas. Attention also results in improved behavioural performance and shortened reaction times. However, it is not known how reaction times are related to either response strength or gamma-band synchronization in visual areas. Here we show that behavioural response times to a stimulus change can be predicted specifically by the degree of gamma-band synchronization among those neurons in monkey visual area V4 that are activated by the behaviourally relevant stimulus. When there are two visual stimuli and monkeys have to detect a change in one stimulus while ignoring the other, their reactions are fastest when the relevant stimulus induces strong gamma-band synchronization before and after the change in stimulus. This enhanced gamma-band synchronization is also followed by shorter neuronal response latencies on the fast trials. Conversely, the monkeys' reactions are slowest when gamma-band synchronization is high in response to the irrelevant distractor. Thus, enhanced neuronal gamma-band synchronization and shortened neuronal response latencies to an attended stimulus seem to have direct effects on visually triggered behaviour, reflecting an early neuronal correlate of efficient visuo-motor integration.     

不同足球水平女大学生反应抑制能力的差异及其脑结构基础

采用磁共振成像技术,结合Stop-Signal任务范式测评不同足球训练水平女大学生反应抑制能力的差异并探究其脑结构基础．34名被试按照足球训练水平分为对照组（CG）、业余组(AG)和专业组(PG),采用Stop-Signal任务评估反应抑制能力;基于体素形态学对T1结构像进行组间差异分析,并进行FDR校正;采用相关分析探究反应抑制能力和差异脑区之间的关系．结果表明:1）与CG相比,PG和AG的反应时分别缩短48和44 ms（P<0.05）;PG、AG较CG的停止信号反应时分别减少116和96 ms（P<0.05）,PG较AG停止信号反应时显著减少10 ms（P<0.05）;PG(57%)抑制正确率显著高于CG(55%)（P<0.05）．2）与CG相比,PG右侧小脑Crus1、丘脑、中央前后回及小脑蚓部Ⅷ,左侧小脑Crus1、苍白球、丘脑,灰质体积显著增大（P<0.05, FDR）;PG较AG右侧梭状回、中央前回、左侧扣带中回灰质体积显著增大（P<0.001）;AG较CG在双侧苍白球灰质体积显著增大（P<0.001）．3）小脑蚓部Ⅷ灰质密度和反应时存在显著负相关（P<0.05, r= ?0.12）;停止信号反应时与右侧丘脑(P<0.05, r= ?0.41)、左侧苍白球(P<0.01, r= ?0.49)呈显著负相关;抑制正确率与右侧梭状回(P<0.05, r=0.46)、左侧苍白球（P<0.01, r=0.47）呈显著正相关．长期足球训练显著提高女大学生反应抑制能力,且反应抑制能力与小脑蚓部Ⅷ、左侧苍白球、右侧丘脑、右侧梭状回灰质密度显著相关．推测长期足球训练通过诱导基底神经节、小脑灰质体积的变化来调节反应抑制能力的提升．因为本文采用了横断面研究,不能得出反应抑制和足球训练之间的直接因果关系,但在一定程度上表明二者之间存在显著相关关系．因此,后续还需要更多纵向对照研究,进一步确定因果关系．      

利用信息交互最优权重改进神经网络的方法

由于卷积神经网络中多层感知器使用梯度下降算法进行训练,存在收敛速度慢和易于陷入局部极小的问题。针对此问题,提出一种利用信息交互计算最优初始化权重的方法改善网络结构,该方法可有效减少训练时间并可避免陷入局部极小。利用数学理论推导出ＲeLU 函数最优初始化权值的公式,利用该方法改进2-channel网络结构,直接代入数据可求出最优初始权值。通过3 个数据集的多次训练和测试,灰度图像的平均匹配准确率提升了1． 0%左右,FPＲ95 平均值也由5． 23 降至4． 65,初始化权重的设置可避免神经元进入硬饱和区,同时网络还具有效果稳定、收敛速度快的优点。     

Attention modulates synchronized neuronal firing in primate somatosensory cortex

A potentially powerful information processing strategy in the brain is to take advantage of the temporal structure of neuronal spike trains. An increase in synchrony within the neural representation of an object or location increases the efficacy of that neural representation at the next synaptic stage in the brain; thus, increasing synchrony is a candidate for the neural correlate of attentional selection. We investigated the synchronous firing of pairs of neurons in the secondary somatosensory cortex (SII) of three monkeys trained to switch attention between a visual task and a tactile discrimination task. We found that most neuron pairs in SII cortex fired synchronously and, furthermore, that the degree of synchrony was affected by the monkey's attentional state. In the monkey performing the most difficult task, 35% of neuron pairs that fired synchronously changed their degree of synchrony when the monkey switched attention between the tactile and visual tasks. Synchrony increased in 80% and decreased in 20% of neuron pairs affected by attention.