基於反饋及其突觸可塑性的神經元集群編碼研究

《基於反饋及其突觸可塑性的神經元集群編碼研究》是依託濟南大學，由謝錦麗擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於反饋及其突觸可塑性的神經元集群編碼研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：謝錦麗
• 依託單位：濟南大學

項目摘要

神經信息編碼是視覺、聽覺等神經系統功能實現的基礎，是理解和模擬生物智慧型的關鍵，是由大量神經元構成的集群協同活動完成的。構成信息傳遞通路的反饋結構可以調節突觸後神經元的放電活動，繼而參與神經編碼。然而，有關反饋在神經元集群編碼中的作用尚未明晰。本課題對電感系統的全局負反饋迴路、局部正反饋迴路及其抑制性中間神經元通路建模，得到具有多反饋迴路的神經網路模型。基於數值仿真和理論分析，研究不同的反饋迴路對網路放電活動及信息編碼的影響，並以此為基礎進一步研究神經元集群編碼所依賴的反饋特性。根據電感系統的網路結構，在各個反饋迴路整合相應的突觸可塑性模型，揭示網路編碼時反饋迴路的突觸可塑性機理。最後以神經生理學實驗結果為依據驗證本項目揭示的神經元集群編碼的神經結構原理。本項目的研究將為認知活動的腦機制及人工智慧計算的研究奠定基礎。

結題摘要

神經元集群的相關性放電活動參與神經系統的信息編碼，集群間的連線方式對相關性放電活動具有重要影響。研究特定的網路結構中神經元放電活動的相關性機理有助於理解神經系統的信息處理機制。本項目建立了具有生物特性的電感系統的網路模型，研究了神經元集群編碼過程中不同形式的反饋連線及其突觸可塑性參與神經編碼的機理。首先基於電感系統的信息傳遞迴路，建立了ELL（Electrosensory Lateral Line Lobe）神經元集群和nP（nucleus Praeminentialis）神經元集群間的全局負反饋、正反饋，局部負反饋迴路模型。進一步的研究證明，網路的全局負反饋可以增強網路的同步振盪活動。並且，隨著全局負反饋的增強，網路的振盪活動對反饋強度的變化具有魯棒性。當考慮網路在百毫秒時間尺度上的相關性放電活動時，增強網路中的全局負反饋連線，並不總能增大網路放電活動的相關係數。全局負反饋通過調整放電序列的強度和規律性，影響網路放電活動的相關性。網路的全局正反饋可以使ELL神經元的膜電位迅速飽和並產生規律性放電活動。該放電活動的規律性與神經元及網路中突觸連線的時間常數有關。在同時具有局部前向和反饋通路的網路中，網路的相關性放電活動（振盪、相關）與前向通路的拓撲特性無關，而局部負反饋的引入可以減弱網路放電活動的相關性。但當網路具有局部負反饋迴路時，即使反饋迴路分布係數變化，網路的相關性放電活動也不受影響。基於以上網路模型，最後確定了網路參數的變化及突觸可塑性（衰減、易化）對神經元回響的影響。本項目的研究表明，反饋連線參與調節突觸後神經元放電活動的時頻特性，給神經元之間的相關性提供了豐富的時間結構。這些時間結構通過相關放電的神經元綁定了特定的信息。