视网膜神经节细胞电活动的相关性分析

论文摘要

视觉信息的初级处理发生在视网膜,视网膜将外界视觉刺激的光信号转换为电信号,在神经节细胞上形成动作电位,经视神经进一步向中枢传递。研究神经节细胞的响应特性和编码方式对了解视觉神经系统的工作机制有着重要的意义。本论文以小鸡和牛蛙视网膜为标本,分析多电极记录系统同步记录的多个神经节细胞的电活动,探讨它们在不同刺激特性下的相关性活动特性。主要内容分为两部分:第一部分基于已有的小鸡视网膜神经节细胞在二值伪随机棋盘格和自然刺激下的电活动数据,通过互相关函数和Lempel-Ziv距离两种相关性分析方法,分别计算了放电序列之间的时间同步性和放电模式相似度,考察了单个神经元在两类刺激下不同的响应特性,以及神经元之间的协同放电活动。结果显示,单个神经节细胞在二值伪随机棋盘格和自然刺激下有着不同的放电模式,自然刺激下神经元群体的放电时间同步性更高,放电模式也更相似。互相关函数反映的神经元放电同步性和神经元的生理连接结构密切相关,Lempel-Ziv距离衡量的放电模式相似度更明显地反映出了刺激引起的神经元响应差异。从结果可以看出,神经元能够动态调整放电模式与群体协同活动模式,以此编码不同特性的刺激信息。第二部分设计并实施了牛蛙视网膜神经节细胞的多电极胞外记录实验,考察它们对刺激不同统计特征的编码特性。单个神经元的放电频率与时间响应特性可以显著反映出低阶刺激统计量,如平均光强和对比度的差异。但神经元对于复杂刺激的识别能力不仅于此,因此本论文进一步考察了神经元对偏度、峰度两种高阶刺激统计量的识别能力,以及神经元相关性活动中所携带的刺激统计特征。结果显示,单个神经元在不同偏度、峰度刺激下的响应差异较不明显;而神经元群体的相关性活动能够明显表达出高低偏度刺激的差异,并且当参与群组的神经元数量越多时,相关活动所能反映出的刺激差异越明显。这一结果说明了神经元相关性活动对复杂刺激有更强的处理能力,编码可靠性也更高。相比单个神经元的电活动对刺激信息的表达能力,神经元群体相关性活动能够更加清晰地反映出刺激特性,神经元之间通过群体协同编码的方式能够更加准确与高效地对复杂刺激信息进行处理和传递。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 视觉通路与视网膜的结构
• 1.2 视觉信息处理
• 1.2.1 神经节细胞的类型
• 1.2.2 时间编码
• 1.2.3 群体编码
• 1.3 多通道神经元信号的分析方法
• 1.3.1 放电时间相关性分析
• 1.3.2 基于信息论的相关性分析
• 1.3.3 信号传递的因果性分析
• 1.4 本论文研究目的与内容
• 第二章 材料与方法
• 2.1 实验标本的制备
• 2.2 多电极记录系统
• 2.3 信号预处理
• 2.4 刺激模式
• 2.5 数据分析
• 2.5.1 引起神经元放电的刺激平均曲线
• 2.5.2 互相关函数
• 2.5.3 Lempel-Ziv距离
• 2.5.4 基于Lempel-Ziv距离的神经元分类
• 2.5.5 基于时间相关性的神经元分类与相关指数
• 第三章 结果
• 3.1 神经元在白噪声与自然刺激下的编码特性
• 3.1.1 单个神经元的放电模式
• 3.1.2 神经元放电相关性
• 3.1.3 小结
• 3.2 神经元对高阶统计量的编码
• 3.2.1 不同统计特征下的神经元时间响应特性
• 3.2.2 刺激高阶统计量下的神经元相关性
• 3.2.3 神经元群体的协同活动
• 3.2.4 小结
• 第四章 讨论
• 4.1 神经元相关性活动
• 4.1.1 放电相关性的来源
• 4.1.2 神经元群体编码
• 4.2 神经元对自然刺激的编码
• 4.3 神经元对刺激统计特性的编码
• 4.3.1 神经元对光强与对比度的编码
• 4.3.2 神经元对高阶统计特性的编码
• 4.4 存在的问题与研究展望
• 参考文献
• 缩写与符号
• 致谢
• 攻读硕士学位期间完成的论文及获奖情况