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。     

基于场耦合的神经网络放电特性影响因素

神经网络放电特性是决定脑电位变化规律的重要因素.除化学突触作用,磁耦合对其他神经元放电特性的影响成为了近年的研究热点.然而,目前的研究只考虑放电神经元膜电流在空间产生的磁耦合,没有考虑其电学自突触电流产生的磁场作用.基于场耦合理论,充分考虑放电神经元的电学自突触电流对空间磁场的作用,根据神经元Hindmarsh-Rose(H-R)等效模型,构建仅含磁耦合作用的链式神经网络模型.通过模型研究刺激频率、距离权重、场耦合强度和电学自突触增益等因素变化对神经网络放电特性的影响规律.结果表明:①随着刺激频率从零开始增加,神经网络的放电状态呈现从"抑制"到"放电"再到"抑制"的"窗口"变化特性;②神经元网络的同步程度均随磁耦合强度和距离权重的增加而增强;③无论正、负反馈,放电神经元的电学自突触作用均能改变神经元网络的放电特性,其中正反馈的影响更显著;④电学自突触增益大于零时,同步程度随增益增大而提高.研究结果进一步表明磁耦合是实现神经元之间信号传递的一个重要方式,其中电学自突触电流的磁耦合作用不可忽视.说明神经突触的化学作用如果失效,由放电神经元膜电流和其电自学突触电流共同产生的磁场也可能引起其他神经元膜电位超过阈值而放电.     

相位同步方法用于稳态视觉诱发电位的测量

稳态视觉诱发电位(SSVEP)被广泛用于脑-机接口和脑电的稳态标记频率检测中.在这些研究中,都需要解决一个问题:当视觉刺激的频率发生变化时,如何通过分析SSVEP信号,快速准确地跟踪上这种变化.解决这个问题通常的分析方法是利用信号的频谱特征.该文依据稳态视觉诱发电位与视觉刺激之间的时间锁定关系,提出用相位同步化方法来解决这个问题.实验结果表明,相位同步化方法能够更加准确地定位刺激频率的变化时刻.在SSVEP研究中,相位同步化可以作为一个新的可资利用的特征.     

磁通神经元模型的放电行为分析

神经系统由大量神经元组成,改进后的磁通神经元模型用来描述考虑电磁感应的神经元电活动的动力学行为.通过改变参数或选取适当的外加刺激电流以及电磁辐射下,检测到神经元电活动的多种放电模式.此外,对引入磁通量的神经元模型进行了动力学分析,如Hopf分岔分析;通过相图和分岔图讨论了神经元的放电行为.结果表明,该模型可呈现多种放电模式(静息态、尖锋放电、簇放电)以及不同模式之间的转换.     

电场作用下海马锥体神经元等效应建模

为解决电磁刺激治疗癫痫神经疾病的有效性和安全性等问题,建立了容易引起癫痫发作的海马CA3区锥体神经元在外电场刺激下的等效应模型,并通过Matlab 数值仿真,分别研究了其在直流和交流外电场作用下的动力学特性。仿真结果表明,神经元的放电频率受到直流电场强度的调制,特别对电场的方向比较敏感。当电场为负向时,电场强度的变化对神经元的动力学特性影响明显,当电场为正向时,影响不明显;在交流电场刺激下,神经元的动力学特性改变具有外部电场频率依赖性,不同频率刺激下神经元会出现周期簇放电、同步放电、周期峰放电和混沌放电等状态。据此可指导医生制定更为有效安全的神经疾病电磁刺激治理方案。     

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。     

视知觉训练与初级视皮层神经元信息及其表征容量

通过分析猕猴初级视皮层（V1）神经元的群体活动在轮廓线检测训练过程中的变化发现：知觉训练可以降低V1神经元响应在不同试次之间的变异性，促使V1神经元对相同刺激的响应更加稳定；训练还可降低V1神经元群体中神经元活动之间的相关性，使V1神经元之间的活动更加独立；增加了神经活动的维度，提高了神经元表征信息的容量，减少了冗余的神经活动，进而提升了感知能力.     

神经元簇状放电锋电位数的研究

利用水蛭心脏细胞的神经元膜电位的动力学方程,讨论外界刺激电流对簇状放电中锋电位数目的影响,发现外界刺激电流和非失活钾离子通道激活电位具有相同的作用,神经元的活动状态随着外界刺激电流的变化,可以在簇状放电、持续放电和无放电三种状态之间转换.神经元簇状放电时,刺激电流导致神经元膜电位的去极化程度越高,在一次簇状放电过程中产生的锋电位数也越多.     

不同神经元模型在直流外电场下的适应性机制分析

外电场会对神经系统的动力学行为产生影响,但其作用机制尚不明确.放电频率适应性是神经元动力学的一个显著特征,它在神经系统的信息处理过程中起到了重要的作用.为了研究不同神经元模型的适应性机制以及不同机制之间的对比,基于Leaky Integrate-and-Fire(LIF)模型和Ermentrout模型,建立了在直流外电场作用下改进的LIF和Ermentrout适应性模型.通过分析不同模型的放电序列、初始和稳态放电频率曲线,发现LIF模型有两种产生适应性的机制,适应性电流机制使放电频率曲线水平移向高输入方向,且斜率保持不变;动态阈值机制使放电频率曲线呈发散状,斜率递减.而Ermentrout模型只有一种产生适应性的机制.另外通过分析噪声下放电峰峰间期的相关系数和变异系数,进一步阐明直流外电场对不同适应性机制的影响.     

基于视觉感知机制的轮廓检测方法

结合初级视皮层的结构及其功能特性,模拟初级皮层的轮廓感知功能,提出一种有效的基于人类视觉感知机制的轮廓检测算法.首先,利用局部能量建立复杂细胞响应模型;然后,结合初级视皮层细胞排列特性构建图像信息与皮层细胞的映射关系,通过模拟神经元间的水平连接机制,实现对图像轮廓信息的增强和背景信息的抑制,建立了以初级视皮层风车状结构为基础的轮廓感知模型.实验结果表明:所提方法在保持目标轮廓完整性的同时,对背景信息的抑制效果更为有效;可以更加有效地对图像背景纹理进行抑制和对目标轮廓进行增强,在一定程度上达到了轮廓过度检测与欠检测的平衡,检测出的目标轮廓位置也更加精准.     

海马结构中DG对CA3的信号传递作用

利用海马结构中的细胞通道模型,数值研究海马中CA3-DG网络的传递特性.首先分析外界刺激对锥体神经元放电节律的影响,放电节律经历周期峰放电,倍周期分岔通向混沌,激变周期3放电进而演化混沌,最后周期簇爆发的完整放电模式变化过程.然后通过突触连接模型,构造CA3-DG神经系统模型,分析了网络中各种神经元突触后电流总和的计算公式,突触后电流对神经元放电节律的影响以及簇爆发的产生机理,网络结构的强大编码能力揭示了CA3结构在海马信息传递中的特性.模型分析包含突触传递的时滞影响,模型结果与海马发放的实验现象相符合.     

云闪斜向通道闪电电磁辐射特性研究

雷暴过程中,云闪发生频次约占总闪电频次的2/3以上;但由于云地闪对人类危害较大,目前对其研究较多.随着微电子技术的发展,云闪的电磁辐射特性也越来越受到重视.将云闪的放电通道近似为一斜向通道,考虑镜像电流,将回击电流近似为水平偶极子与垂直偶极子的叠加,根据Maxwell方程,推导了云闪斜向通道电磁场计算模型.通道基电流选取脉冲函数,在MTLL传输模型下计算了斜向放电通道在地面1～200 km处激发的电磁场波形.计算结果表明云闪斜向放电通道中水平偶极子与回击点高度对近场电磁场的影响较大.随着距离的增加,影响越来越小;在大于50 km的远场区,其影响可以忽略.     

基于斜向通道的云闪放电特性研究

雷暴过程中,云闪发生频次约占总闪电频次的2/3以上;但由于云地闪对人类危害较大,目前对其研究较多。随着微电子技术的发展,云闪的电磁辐射特性也越来越受到重视。将云闪的放电通道近似为一斜向通道,考虑镜像电流,将回击电流近似为水平偶极子与垂直偶极子的叠加,根据Maxwell方程,推导了云闪斜向通道电磁场计算模型。通道基电流选取脉冲函数,在MTLL传输模型下计算了斜向放电通道在地面1~200 km处激发的电磁场波形。计算结果表明云闪斜向放电通道中水平偶极子与回击点高度对近场电磁场的影响较大。随着距离的增加,影响越来越小;在大于50 km的远场区,其影响可以忽略。     

恒电流刺激下神经元Chay模型的Hopf分岔分析

研究了恒电流刺激下神经元Chay模型的Hopf分岔.首先,利用Matlab软件计算出系统在给定参数下的平衡点,据其Jacobian矩阵得到平衡点的稳定性.其次,根据稳定性理论,研究了恒电流刺激下神经元Chay模型,结果表明随着控制参数I的变化,系统将发生Hopf分岔.最后利用Matlab给出了支持理论分析的数值模拟.     

脉冲神经网络自适应侧连接的运动检测

根据视觉皮层脉冲神经网络中神经元相互作用的神经生物学机制,提出了模拟初级视皮层脉冲神经网络生物学属性的运动检测方法.该方法利用脉冲神经元之间的侧连接实现中心环绕的抑制和易化作用,并根据运动强度自适应地确定相互作用范围以及连接强度.实验结果表明:该方法不仅能较大程度地抑制噪声,而且能改善不同对比度对象的运动检测,从而提升了运动检测的性能.     

金属微粒-电介质复合材料的高频电磁特性

利用高频电磁波作用下金属微粒的等效偶极子模型,考虑表面衰减而引入金属颗粒的归-化电磁参数,由等效介质理论（EMT）得到推广的Bruggeman公式计算了金属颗粒-电介质复合材料等效电磁参数随入射波频率的变化．对于无磁性金属微粒所形成的复合材料,较高的等效电容率的虚部反映了复合材料具有一定的磁损耗和较强的吸波特性,等效磁导率的实部小于1显示出抗磁性．     

脑电多极子模型及仿真分析研究

为寻求能更好反映头皮电位分布的等效脑电源模型，建立了脑电（EEG）的电流多极子模型，采用三层介质头球模型分别对单、双电流偶极子源情况进行了计算机仿真分析， 并引入适合度（GOF）、不适度（ND）和比适度（DD）等评价参数.仿真结果表明：与偶极子模型相比，多极子模型能够更好地拟合等效脑电源（尤其是双电流偶极子源）和反映真实头皮电位分布，具有较高的GOF数值.因此建议采用脑电多极子模型用于头皮脑电信息分析.     

基于新的视觉合并机制的目标识别方法

提出了一种新的特征合并机制,模拟初级视皮层中复杂细胞汇聚合并来自不同简单细胞的响应.该机制首先对简单细胞的线性响应进行归一化,然后将同频率和方向下不同相位简单细胞的响应进行能量合并,最后取局部邻域内响应的最大值作为合并后的输出,得到对输入刺激具有一定相位和平移不变性的不变特征.将其应用于目标识别,在MNIST手写数据库上的测试结果表明:基于新的合并机制的方法能取得更低的识别错误率,对目标的局部变化有更强的鲁棒性.     

电磁场下HR神经元模型分岔分析

电磁场对神经元的放电活动有着重要影响,但是目前还无法精确给出电磁场对神经元放电活动影响的具体关系式。本文运用理论与仿真相结合的方法,分析了在外界刺激电流的变化下系统平衡点的分布与稳定性,理论分析得出该系统存在超(亚)临界Hopf分岔行为,并在亚临界Hopf分岔点附近发现了隐藏吸引子。基于理论分析,数值仿真该系统在Hopf分岔点附近的放电特征,揭示了电磁场下HR神经元模型放电特征转变的内在机制。     

外界刺激对CA1锥体神经元放电节律的影响

应用神经元房室模型,研究了外界刺激对CA1锥体神经元放电节律的影响.得到几个结论:第一,对直流刺激,随着刺激的增大,胞体放电先后经历混沌放电、周期多峰放电、周期双峰放电和周期单峰放电,胞体膜电位ISI会产生分叉,动作电位发放频率也会增大;第二,对交流刺激,胞体放电节律对振幅或频率的改变非常敏感,振幅或频率的微小改变也能致使胞体放电节律的显著变化.其中一些结果与实验和前人研究结果相吻合.