基于EMD和互信息的局部場(chǎng)電位響應(yīng)調(diào)諧特性分析.pdf

1、初級(jí)視覺皮層區(qū)（V1區(qū)）響應(yīng)信號(hào)調(diào)諧特性研究對(duì)于揭示視覺神經(jīng)系統(tǒng)信息處理機(jī)制具有重要意義。從V1區(qū)記錄到的神經(jīng)電信號(hào)通常被分為局部場(chǎng)電位(LFP)和鋒電位(spike)兩大類，局部場(chǎng)電位與鋒電位具有不同的時(shí)域頻域特征，在神經(jīng)信息傳達(dá)、編碼等功能上相互補(bǔ)充，二者一道成為研究視覺信息處理機(jī)制的兩大類信號(hào)。研究表明局部場(chǎng)電位不同頻率成分表征不同的刺激特征。局部場(chǎng)電位自身具有非平穩(wěn)性，另外傳統(tǒng)信號(hào)分析方法在分析非平穩(wěn)信號(hào)方面缺乏自適應(yīng)性，因而探

2、索一種具有自適應(yīng)性的局部場(chǎng)電位特征頻帶提取方法對(duì)于深入探究神經(jīng)信息處理機(jī)制具有積極而重要的意義。
　　本文針對(duì)局部場(chǎng)電位的非平穩(wěn)性，以大鼠為研究對(duì)象，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和互信息分析方法提取局部場(chǎng)電位響應(yīng)特征信號(hào)，從復(fù)雜的信號(hào)中提取出有效包含刺激信息的頻率成分，然后基于提取出的特征信號(hào)研究了V1區(qū)感受野內(nèi)神經(jīng)元對(duì)空間頻率和朝向刺激特征的調(diào)諧特性，并與基于小波變換提取的γ頻帶等方法的調(diào)諧特性分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了該算法的有效性。主要

3、研究?jī)?nèi)容分為以下兩大部分:
　　1，基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和互信息的局部場(chǎng)電位響應(yīng)信號(hào)提取方法（information-preservingEMD，IPEMD）。研究表明局部場(chǎng)電位對(duì)不同刺激特征的表征具有一定的動(dòng)態(tài)性，這就要求提取方法應(yīng)具有自適應(yīng)性。近年提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解完全依據(jù)信號(hào)自身幅值特點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，具有自適應(yīng)性;互信息依據(jù)概率統(tǒng)計(jì)定量表征刺激與相應(yīng)之間的依賴程度，信號(hào)自身平穩(wěn)與否不影響互信息的計(jì)算，二者在分析非平穩(wěn)信號(hào)方面具

4、有一定先天優(yōu)勢(shì)。該方法首先對(duì)局部場(chǎng)電位進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)，然后分別計(jì)算原信號(hào)和各個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(IMF)與刺激之間的互信息（分別記作MILFP和MIIMF），然后利用調(diào)整互信息定量分析每個(gè)MIIMF和MILFP之間的相關(guān)程度，提取相關(guān)度較高的多個(gè)固有模態(tài)分量作為局部場(chǎng)電位刺激響應(yīng)特征信號(hào)。相比傳統(tǒng)方法該方法不要求信號(hào)平穩(wěn)，無需選擇基函數(shù)，具有自適應(yīng)性。
　　2，基于IPEMD方法分析V1區(qū)感受野內(nèi)的神經(jīng)元響應(yīng)信號(hào)的調(diào)諧特性

5、。基于上述方法提取的特征響應(yīng)信號(hào)，以同電極記錄到的鋒電位調(diào)諧特性作為參照，對(duì)V1區(qū)感受野內(nèi)神經(jīng)元對(duì)空間頻率和朝向的調(diào)諧特性進(jìn)行了分析，并與小波變換提取的γ頻帶、單個(gè)固有模態(tài)分量的調(diào)諧特性分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:該方法提取的刺激響應(yīng)特征信號(hào)在刺激前后的變化比小波變換提取的γ頻帶和單個(gè)固有模態(tài)分量更加明顯;基于響應(yīng)特征信號(hào)的調(diào)諧特性分析結(jié)果與基于同電極記錄的鋒電位的調(diào)諧特性分析結(jié)果具有較高的一致率（空間頻率72.9％;朝向69.81％