神经元功能网络特性分析及认知行为预测方法研究

【摘要】脑科学是二十一世纪最重要的学科之一,脑神经信息处理是一门综合神经生物学、计算机和数学等多学科的新兴交叉学科。传统分析方法已经无法适应多电极阵列记录到群体神经元信号分析的要求,结合图论和复杂网络理论研究脑功能网络已成为神经科学研究的重要内容。现有研究集中在脑功能网络的小世界特性上,且研究对象为宏观层次(磁共振成像、脑电图等)构建的功能网络,无法反应神经元的活动规律。从微观层次(神经元)分析能更精细刻画脑功能网络的连接规律。本课题以在体多电极记录大鼠神经元构建的功能性网络为研究对象,结合计算模型分析,通过复杂网络中的分析方法对神经元功能性网络的特性、社团结构的划分、评价及利用功能网络来预测大鼠的行为选择过程等方面展开研究。本课题的研究不仅为阐明大脑认知功能的神经机制提供了依据,也为脑疾病的诊断和治疗提供了新方向。论文的第一章对神经元功能网络研究的具体背景和基本知识进行了简单的介绍。第二、三、四、五、六章分别介绍了本论文的主要结果。其中包括：(1)目前神经科学家对于执行认知任务的脑功能网络是如何演化的还缺乏了解。本论文根据海马的神经生物学解剖基础,构建了海马神经环路的计算模型。在模拟单个神经元动作电位串(spiketrains)发放的基础上,通过结合神经元之间的连接结构,模拟了海马群体神经元的发放活动。研究群体神经元之间是如何随着连接结构的变化形成功能网络社团结构的。由于在体多电极记录神经元功能网络是无法预先知道其网络结构及社团个数的,需要研究该计算模型如何根据不同的神经元功能网络社团结构,产生已知群体神经元社团个数和社团结构的spiketrains,用来测试社团分析方法的有效性。(2)在本研究中,我们通过多电极记录了多只大鼠皮层群体神经元的spiketrains,这些老鼠分别执行多种不同认知任务实验。我们分别对每次trial过程构建了神经元功能网络,总共构成了150个功能网络。我们从复杂网络最重要的3个特性对神经元功能网络拓扑特性进行了分析：小世界特性、无标度网络和社团结构特性。另外为了分析神经元网络的社团结构,我们提出了一个判断在神经元功能网络中是否存在社团的准则。我们发现小世界特性普遍存在于不同的神经元功能网络中。与fMRI功能网络不同,发现神经元功能网络并不存在无标度特性。发现社团结构特性与记录到的spiketrains数据集有关。相比DM-GM认知实验任务。在Y-maze任务实验的数据集中发现存在很明显的社团结构特性。我们发现并非所有存在小世界特性的功能网络都存在社团性。这些结果表明神经元功能网络与其它脑功能网络一样,存在着重要的复杂网络特性。这个研究第一次同时分析了神经元功能网络的几个复杂网络拓扑特性。结果表明该分析方法是有效的。(3)本论文提出了一种新的神经元功能网络社团结构的划分方法。首先通过随机游走距离计算成对神经元spiketrains之间的相似性,接着使用最近邻方法对相似度矩阵进行排序,形成块矩阵,最后使用谱划分方法对相似度矩阵进行谱分解,通过分析特征值与特征向量的特性自动确定社团个数和社团的结构。我们在由计算模型生成的已知社团结构的spiketrains上评价了该方法。同时用于执行Y-maze行为任务的大鼠前额叶皮层的多神经元记录spiketrains上,发现了传统方法无法发现的社团结构个数及模式。(4)如何划分网络的社团结构对于分析各种网络拓扑性质是一个非常关键的问题,包括社会网络、计算机网络和生物网络等。Newman等人提出的社团模块度函数Q是应用最为广泛的评判社团特性强弱的指标,但存在着严重的分辨率极限问题。本论文提出了一种新的衡量社团划分强弱的评价函数,我们称之为社团系数C。根据社团系数C可自动地识别出网络社团结构的最佳划分个数,不需要任何社团结构的先验知识。同时我们比较了层次划分、谱聚类Ncut划分两种常用的社团划分方法,表明Ncut划分方法和社团系数C结合的社团检测方法得到的社团结构划分结果更优。在已知社团结构的一些真实网络上测试了该方法,相比现有其它几种社团检测方法,表明该方法能正确地划分出不同的社团结构,并且正确地识别了社团的个数。最后我们将该方法应用到神经元功能网络中。(5)分析神经元功能网络的结构对理解脑的认知功能是一个基本的任务。这些皮层群体神经元组成的功能网络是否可以用来分析群体神经元活动与动物行为任务的关系,及预测动物单个trial行为选择的正确性?这些问题目前仍然是不知晓的。本文提出了一种新的方法来分析群体神经元的功能网络结构和局部神经元环路结构,这些神经元来自多只执行不同行为任务的大鼠,并且给出了预测大鼠单次trial结果正确性的实现过程。该方法主要由四个部分组成：根据spiketrains构建记录到全体神经元的功能网络；根据社团划分方法对全体神经元网络划分成最优局部神经功能环路组；根据功能网络和功能神经环路组无监督聚类两种不同行为选择的trials;预测单次trial行为选择的正确性。我们分别采用多电极记录方法记录了老鼠不同皮层的群体神经元的spiketrains,这些老鼠执行两种不同记忆行为任务,分别为Y-maze任务和U-maze任务。实验结果表明这些功能网络与不同的行为选择间存在着关系。相比Y-maze数据集,U-maze数据集无监督划分trials的正确性更高。结果表明,在大鼠在执行U-maze任务时,两种不同行为选择过程对应的神经元功能网络及神经功能环路组存在着明显区别。同时这些数据集能非常有效地用来预测大鼠单次trial的行为选择结果。
【作者】陆虎；
【导师】危辉；
【作者基本信息】复旦大学，计算机软件与理论，2013，博士
【关键词】神经元功能网络；多电极记录；复杂网络；小世界特性；社团结构；工作记忆；认知任务；行为预测；

【参考文献】
[1]舒展.中药白头翁化学成分研究<二>[D].苏州大学,药物化学,2012,硕士.
[2]孙红旗.义和团运动高潮时期直隶民众与教会势力的斗争[D].河北大学,中国近现代史,2002,硕士.
[3]约输W·萨特莱格尔,路德维格·奥托·施沃特,彼得K·斯蒂尔.为三维地震数据采集而改编的二维震源检波器排列的地质学测定[J].石油地球物理勘探,1976,S1:23.
[4]胡海瑛.试论《心》的死-“K”及“先生”的“死”与伦理观及其作用的研究[D].浙江大学,日语语言文学,2014,硕士.
[5]苏川英.车载NaI（T1）γ谱仪系统效率刻度技术研究[D].兰州大学,粒子物理与原子核物理,2013,硕士.
[6]尹珊.留学生语言实践活动报告[D].黑龙江大学,汉语国际教育,2012,硕士.
[7]唐婉冬.个人合作建房模式之法律探究[D].湖南师范大学,民商法学,2013,硕士.
[8]王晓茜.吉林省高速公路综合管理信息系统构建与研发[D].吉林大学,交通运输工程,2012,硕士.
[9]倪彤光,王士同.适用于不确定类标签数据学习的迁移支持向量机[J].控制与决策,2014,10:1751-1757.
[10]陈金枝.有限群的一般测度[D].华中师范大学,基础数学,2013,硕士.
[11]谢昭涵.徐家围子断陷断裂构造演化特征及控藏作用[D].东北石油大学,地质工程,2013,硕士.
[12]孙瑞玲.基于石墨烯复合材料及石墨烯量子点的制备并用于一些酚类环境污染物的分析[D].南昌大学,2014.
[13]温宁花.物理教学中开发学生多元智能的教学研究[D].江西师范大学,教育,2003,硕士.
[14]石钧元.剖析美籍华人生活中体现出的中华传统价值观[D].内蒙古师范大学,比较文学与世界文学,2013,硕士.
[15]李艳.AlCl_3共引发异丁烯控制阳离子聚合研究[D].北京化工大学,高分子化学及物理,2008,博士.
[16]叶月明,李振春,仝兆岐,杨敬磊,朱绪峰.基于稳定成像条件的保幅叠前深度偏移[J].石油地球物理勘探,2009,01:28-32+130+6+5.
[17]何梦琦.城镇化与能源发展的互动关系研究[D].重庆大学,产业经济学,2014,硕士.
[18]韩海涛.碳基纳米复合材料的制备、表征及其在化学修饰电极中的应用研究[D].烟台大学,2014.
[19]祖灵博.黄花败酱化学成分的研究[D].安徽大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[20]李钦奎.烟草叶面致香物质定量分析方法与资源鉴定研究[D].河南农业大学,作物遗传育种,2004,硕士.
[21]梅静梁.淮河支流微量元素分布及环境生物效应研究[D].安徽理工大学,环境工程,2013,博士.
[22]张鹏.预处理对落叶松热诱发变色过程的影响[D].北京林业大学,木材科学与技术,2013,硕士.
[23]王新震.多孔金属氧化物半导体材料的合成及其性能研究[D].山东大学,材料学,2014,博士.
[24]徐佩佩.基于家校合作视角的家长课程资源开发与利用研究[D].温州大学,课程与教学论,2012,硕士.
[25]张群桥.杏子川采油厂清洁生产模式研究[D].西北大学,高级工商管理（EMBA）（专业学位）,2012,硕士.
[26]范焱,郑诚,王清毅,蔡庆生,刘洁.用NaiveBayes方法协调分类Web网页[J].软件学报,2001,09:1386-1392.
[27]王胜.改革以来西部地区财政支农投入问题及对策研究[D].西南农业大学,农业经济管理,2003,硕士.
[28]吴景春.资源型进出口企业风险价值管理研究[D].云南大学,工商管理,2012,硕士.
[29]王忠荣.普通高中学生评教问题个案研究[D].东北师范大学,教育经济与管理,2012,硕士.
[30]王瀚韬.电梯群控算法及评测系统的研究与设计[D].杭州电子科技大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[31]李琴.磁控溅射Li-Co-O正极薄膜工艺参数优化及全固态电池研究[D].哈尔滨工业大学,化学工程,2014,硕士.
[32]罗成,胡德文,祝晓才,董国华.基于LQR和模糊插值的五级倒立摆控制[J].控制与决策,2005,04:392-397.
[33]郝晶.公司转投资法律规制研究[D].吉林大学,民商法学,2004,硕士.
[34]周庆红.民国时期甘肃女子学校教育研究（1912-1945）[D].西北师范大学,中国近现代史,2013,硕士.
[35]翁国庆,黄飞腾.电气工程专业现状分析及浙江省属高校发展策略探索[J].中国电力教育,2013,20:35-36+55.
[36]刘亭亭.财务软件在中小企业中的应用研究[D].长安大学,会计（专业学位）,2014,硕士.
[37]刘茜茜.基于WebGIS的徐州气象信息服务系统的设计与实现[D].中国矿业大学,地图制图学与地理信息工程,2014,硕士.
[38]王琳琳.复方苦参止痒软膏（乳膏）治疗亚急性湿疹临床研究[D].北京中医药大学,中医外科学,2014,硕士.
[39]胡娴.中美交际风格与文化模式研究[D].湖北大学,英语语言文学,2011,硕士.
[40]宋琪.基于故障相关性的加工中心可靠性评价[D].吉林大学,机械工程,2014,硕士.
[41]薛志刚.信息技术发展对企业人力资本影响研究[D].西北工业大学,马克思主义理论与思想政治教育,2004,硕士.
[42]刘喜梅.从维基百科看互联网语境下的知识生产与传播[D].湖南师范大学,新闻与传播（专业学位）,2013,硕士.
[43]师庆敏.基于Camshift算法的目标跟踪问题研究[D].安徽大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[44]张晓天.山西省城镇化与生态环境协调发展度分析[D].山西师范大学,人文地理学,2013,硕士.
[45]朱勇.带加强层框架—核心筒结构受力性能分析[D].安徽建筑大学,结构工程,2013,硕士.
[46]张德怀.雅鲁藏布江中下游流域表土孢粉组合及与气候指示意义研究[D].西南大学,第四纪地质学,2013,硕士.
[47]高丽.顽固性癫癇病人大脑组织中层间星形胶质细胞研究[D].大连医科大学,神经生物学,2012,硕士.
[48]王亦辉.战场侦察雷达的VSAR模式和信号处理方法研究[D].西安电子科技大学,信号与信息处理,2012,硕士.
[49]克里木.自适应数据仓库系统的研究与实现[D].大连理工大学,2003.
[50]田玉平.关于结构奇异值的一个注记[J].自动化学报,1996,01:126-128.