鸽子同步“脑-脑”网络构建系统实现与实验研究

论文摘要

信息共享,物物相息是“信息化”时代的典型特征,外部世界的各种信息及物体通过各种途径紧密相连。在此背景下将多个大脑联接从而构建脑联网（Brainet）已成为目前脑科学领域的研究热点。为探究“脑-脑”网络的构建过程及网络中不同个体脑内和脑间的神经活动变化,本文以群体协同能力较好的鸽子为模式动物,以与认知相关的弓状皮质尾外侧区（NCL）为目标脑区,设计了鸽子脑电同步化学习实验范式及训练系统,构建了鸽子间同步“脑-脑”网络;从神经活动角度确定了与脑间同步任务相关的频带;最后利用脑功能网络的方法评估了“脑-脑”网络的连接强度。本文的研究结果对于未来Brainet的实现以及社会活动中脑间工作机制的探索具有积极意义。已完成的工作概括如下:（1）设计了基于神经反馈的鸽子脑电同步化学习实验范式与训练系统,构建了鸽子间同步“脑-脑”网络。鸽子脑电同步化学习训练系统通过将训练装置、神经信号采集装置、计算机之间相互通信,实现了同时记录三只鸽子的行为与神经数据,并能够对信号进行在线实时分析的功能;然后利用上述系统训练三只鸽子实现了任务驱动下的脑电同步,构建了鸽子间的同步“脑-脑”网络;最后通过实验分析验证了该范式及系统的有效性。（2）完成了鸽子脑电同步化学习过程中的同步性动态分析。首先结合行为学数据与局部场电位（LFP）信号确定了与同步任务相关的时间窗与特征频带,结果表明,视觉线索呈现后0.5s内的20-40Hz的频带能够反映与同步任务相关的信息;基于皮尔森相关系数（PCC）和相位锁定值（PLV）,对鸽子脑电同步化学习过程对中的脑电同步性进行了多指标分析。结果表明鸽子在有意义的视觉线索条件下且经过长期的神经反馈训练,其脑间的同步性显著提高。（3）利用脑功能网络的方法评估了鸽子间同步“脑-脑”网络的连接强度。分别基于PCC和PLV构建了鸽子同步化学习过程中的“脑-脑”网络,对比分析了鸽子在不同学习阶段且不同条件下的网络连接强度;并基于复杂网络理论定量分析了该网络的拓扑特性。结果表明经过长期神经反馈训练的鸽子在视觉线索提示条件下,其脑间网络连接强度显著增加。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要内容及论文结构

2 鸽子同步“脑-脑”网络系统设计与实现

2.1 鸽子同步“脑-脑”网络构建实验范式设计

2.1.1 行为预训练范式设计

2.1.2 基于神经反馈的脑电同步化训练范式设计

2.2 鸽子脑电同步化训练系统设计

2.2.1 设计需求

2.2.2 系统的软硬件设计

2.3 系统实现与评估

2.3.1 系统实现

2.3.2 系统评估

2.4 本章小结

3 鸽子间脑电同步化学习过程分析

3.1 鸽子脑电同步化过程中时间窗划分

3.2 鸽子脑电同步化学习过程中时频特性分析

3.2.1 鸽子脑电同步化学习过程中时域特性分析

3.2.2 鸽子脑电同步化学习过程中频域特性分析

3.2.3 鸽子脑电同步化学习过程中时频能量分析

3.3 鸽子间脑电同步性分析

3.3.1 基于PCC的脑电同步化过程动态分析

3.3.2 基于PLV的脑电同步化过程动态分析

3.4 本章小结

4 基于脑功能网络的鸽子间同步“脑-脑”网络评估

4.1 功能网络构建及其拓扑特性定量度量

4.1.1 脑功能网络定义与构建

4.1.2 功能网络拓扑特性度量

4.2 基于PCC的同步“脑-脑”网络构建及分析

4.2.1 基于PCC的动态功能网络构建

4.2.2 基于PCC的动态功能网络拓扑特性分析

4.3 基于PLV的同步“脑-脑”网络构建及分析

4.3.1 基于PLV的动态功能网络构建

4.3.2 基于PLV的动态功能网络拓扑特性分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨莉芳

导师: 万红,尚志刚

关键词: 鸽子,神经反馈,脑电同步,脑脑网络

来源: 郑州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 数学,生物学

单位: 郑州大学

分类号: Q811;O157.5

总页数: 69

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