突觸權(quán)重修正及抑制性神經(jīng)元數(shù)量對腦放電活動的影響.pdf

1、人腦含有上千億的神經(jīng)元細(xì)胞，有超過1014個神經(jīng)突觸，其結(jié)構(gòu)與功能極為復(fù)雜，需要從不同層次對其進(jìn)行探究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與全腦功能是神經(jīng)信息學(xué)研究的重點(diǎn)，也是人類腦計劃中的重要研究項(xiàng)目。突觸是神經(jīng)元之間信息傳遞的主要結(jié)構(gòu)，它有在一定條件下增減數(shù)目、改變形態(tài)及調(diào)整功能的能力，即突觸可塑性，大量研究證明突觸可塑性是學(xué)習(xí)與記憶的細(xì)胞分子生物學(xué)基礎(chǔ)。本文將通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從理論上研究突觸可塑性修正參數(shù)、抑制性神經(jīng)元所占比例對神經(jīng)元放電活動的影響。本文研

2、究內(nèi)容分為以下三部分:
　　第一部分研究了突觸權(quán)重修正強(qiáng)度對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放電活動的影響?？伤苄陨窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)中，單個神經(jīng)元的動力學(xué)由Izhikevich模型決定，突觸可塑性采用依賴神經(jīng)元脈沖時序的可塑性規(guī)則(STDP)，同時考慮了脈沖在軸突上的傳導(dǎo)延遲。研究表明，此模型描述的放電活動中能出現(xiàn)γ節(jié)律，γ節(jié)律的呈現(xiàn)依賴突觸權(quán)重的修正強(qiáng)度:對于突觸權(quán)重增強(qiáng)修正的最大值A(chǔ)+，當(dāng)0.09≤A+≤0.13時，網(wǎng)絡(luò)在3600s的放電時間內(nèi)存在γ節(jié)律。其中

3、當(dāng)0.09≤A+≤0.1時，隨著A+的增大，γ節(jié)律首次出現(xiàn)的時間有所推遲，然而當(dāng)0.1≤A+≤0.13時，隨著A+的增大，γ節(jié)律首次出現(xiàn)的時間有所提前;對于突觸權(quán)重抑制修正的最大值A(chǔ)_，當(dāng)0.12≤A_≤0.13時，網(wǎng)絡(luò)在3600s的放電時間內(nèi)存在γ節(jié)律，并且隨著A_的增大，γ節(jié)律首次出現(xiàn)的時間有所提前。此部分內(nèi)容在本文第二章。
　　第二部分研究了描述權(quán)重變化快慢時間參數(shù)τ對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放電活動的影響。研究表明，當(dāng)7≤τ≤21時，網(wǎng)絡(luò)

4、在3600s的放電時間內(nèi)存在γ節(jié)律，并且隨著τ的減小，γ節(jié)律首次出現(xiàn)的時間有所提前。此部分內(nèi)容在本文第二章。
　　第三部分研究了抑制性神經(jīng)元所占比例對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放電節(jié)律的影響。為了腦電平衡，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中既有興奮性神經(jīng)元也存在一定數(shù)量的抑制性神經(jīng)元。興奮性神經(jīng)元主要負(fù)責(zé)傳遞信息;抑制性神經(jīng)元通過釋放抑制性遞質(zhì)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動始終處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。雖然抑制性神經(jīng)元相比于興奮性神經(jīng)元的數(shù)目只是少量的，但它們對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)編碼的演化是

5、極其重要的。通過研究發(fā)現(xiàn)，γ節(jié)律的產(chǎn)生依賴于抑制性神經(jīng)元數(shù)量所占比例，當(dāng)800∶200≤Ne∶Ni≤826∶174時（其中Ne∶Ni為興奮性神經(jīng)元與抑制性神經(jīng)元數(shù)量之比），網(wǎng)絡(luò)在3600s的放電時間內(nèi)才會存在γ節(jié)律。此外給出了γ節(jié)律首次出現(xiàn)的時間隨抑制性神經(jīng)元的數(shù)量所占比例的增減而發(fā)生的變化。在整個變化的過程中存在三個特殊的比例，通過對比這種情況下網(wǎng)絡(luò)的放電神經(jīng)元數(shù)目與時間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，大數(shù)量的放電事件比較稀疏時，它的放電頻譜分布圖中有γ