三維神經(jīng)元的幾何形態(tài)重構(gòu)及其放電模式研究.pdf

1、作為大腦構(gòu)造的基本單位,神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能包含很多因素,其中神經(jīng)元的幾何形態(tài)特征和電學(xué)物理特性是兩個(gè)重要方面。最近十幾年來,研究者根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)理論和充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),應(yīng)用神經(jīng)元仿真技術(shù),可以高效地對(duì)神經(jīng)元的幾何形態(tài)、物理和生物化學(xué)變化等進(jìn)行模擬。隨著神經(jīng)科學(xué)的廣泛研究以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,特別是可視化技術(shù)的不斷發(fā)展,使得研究者對(duì)神經(jīng)元模擬結(jié)果的真實(shí)性、精確性、生動(dòng)性和直觀性不斷地得以提高。
　　在對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的主要幾種神經(jīng)元生

2、成方法、技術(shù)具體分析的基礎(chǔ)上,本文構(gòu)造并且以運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元為實(shí)例詳盡地說明了一種基于神經(jīng)生物學(xué)理論的、能夠產(chǎn)生真實(shí)感模擬結(jié)果的神經(jīng)元重構(gòu)生成算法,最后并研究了運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的放電模式。為此,本文主要在神經(jīng)元的幾何形態(tài)和放電模式上做了一些有益的探索性工作,具體如下:
　　復(fù)雜多樣的空間幾何形態(tài)是神經(jīng)元的重要特征,而幾何形態(tài)是研究神經(jīng)系統(tǒng)連接和單個(gè)細(xì)胞信息處理的基礎(chǔ)。樹突和軸突的形態(tài)多樣性為突觸整合,信號(hào)傳導(dǎo),網(wǎng)絡(luò)連接和電路動(dòng)態(tài)提供了必要的基

3、質(zhì)。為了能夠逼真地重構(gòu)神經(jīng)元的幾何形態(tài),本文構(gòu)造了一種新的三維神經(jīng)元幾何形態(tài)的發(fā)育生成方法,該方法采用了具有生物特性的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行發(fā)育生成三維虛擬神經(jīng)元。另外,所采用的幾何形態(tài)參數(shù)是通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、抽象和總結(jié)而得到的,因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠,最后分析了發(fā)育模型中不同參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
　　為了使模擬結(jié)果更具精確性、逼真性,生成在解剖結(jié)構(gòu)上和統(tǒng)計(jì)上與生物神經(jīng)元沒有區(qū)別且具有高度一致的虛擬神經(jīng)元,本文引入了NSGA

4、-II多目標(biāo)進(jìn)化算法,組合基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型與進(jìn)化計(jì)算的思想來進(jìn)化生成三維虛擬神經(jīng)元。所采用的進(jìn)化算法以基因片段復(fù)制與歧化模型為核心,而基因復(fù)制與歧化機(jī)制在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化中具有重要的作用,是形成基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最主要的驅(qū)動(dòng)力量。通過比較分析可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)元的幾何形態(tài)具有高度的相似性。
　　神經(jīng)元的電學(xué)物理特性包含了不同的電位發(fā)放模式。為了將運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元幾何形態(tài)造型的結(jié)果應(yīng)用于電生理活動(dòng)的仿真,本文利用NEURON神經(jīng)元模擬

5、軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并分別模擬了不同的幾何形態(tài)、突觸數(shù)目和外界刺激這三個(gè)方面對(duì)神經(jīng)元放電模式的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,神經(jīng)元具有豐富的電位發(fā)放模式,幾何形態(tài)、突觸數(shù)目以及外界刺激的不同,都引起了神經(jīng)元不同的電位發(fā)放。
　　由于樹突,軸突的生長(zhǎng)變化,神經(jīng)元的幾何形態(tài)千變?nèi)f化?？臻g幾何形態(tài)和電學(xué)物理特性等多個(gè)因素一起,綜合表達(dá)神經(jīng)元的信息傳遞功能。綜上所述,本文以真實(shí)感為基本目標(biāo),以神經(jīng)生物學(xué)理論為基礎(chǔ),以大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),構(gòu)造了一種神經(jīng)元