基于神经元群放电时空序列的小世界神经网络模型的研究

近几年的研究发现，大脑神经系统是由各种类型的神经元相互联系所构成的一个复杂小世界网络。记忆是重要的认知功能之一，老年性痴呆病的核心症状表现为记忆和认知功能障碍。越来越多的证据表明，老年记忆力下降与前额皮层的功能有密切的关系。.本项目基于正常组和痴呆（AD）组大鼠前额皮层神经元群放电时空序列（Spike trains）实验数据，应用认知科学研究的新技术方法-复杂小世界网络理论，分别构建两类大鼠前额皮层功能性网络。分析比较两类复杂网络特征指标的差异性：度分布、聚集系数和特征路径长度。定义并应用前额皮层功能网络信息熵，以衡量两类大鼠前额皮层功能网络神经信息传递的差异性，在神经元功能网络层次上探索老年性痴呆病的发病机制，为认知障碍患者的早期诊断和疗效评价研究开辟新的思路和途径。

本项目对正常清醒大鼠和AD组大鼠工作记忆责任脑区-前额叶皮层进行了植入式16通道微电极阵列记录实验，对采集到的神经元群放电实验数据进行了高通滤波处理和神经元锋电位分类，得到了正常组和AD组大鼠前额叶皮层神经元群放电的时空序列。本项目应用了认知科学研究的新技术方法-复杂网络理论，分别构建了两类大鼠前额皮层功能性网络。选取了能够表征工作记忆全过程的10秒数据作为研究对象，获取了两组大鼠在工作记忆前5秒和后5秒期间，神经元群发放时空图、直方图和地形图。基于Pearson相关、似然同步方法和ISI相关三种算法对实验数据的分析，分别构建相对应的功能复杂网络模型。本项目比较了两类复杂网络特征指标的差异性：聚集系数和特征路径长度。研究结果表明正常组大鼠前额皮层神经元群放电功能网络呈现典型的小世界网络特征，而AD组大鼠前额皮层神经元群放电功能网络丧失了小世界网络特征。.本项目还应用了瞬态频率法处理大鼠前额叶皮层的神经元放电，将其连续化，计算格兰杰因果网络，研究大鼠在Y迷宫工作记忆事件中神经元放电序列因果网络及其特征指数。大鼠工作记忆过程中前额叶皮层格兰杰因果关系网络各指标统计结果中，全局网络效应Eglob值越高表示该时间网络传播效应越大；网络因果密度Cd值越高表示该时间总体活动协调，便于预测彼此的活动；高数值的全通道平均中心系数Betweenness centrality说明该时间集中枢纽。这些参数在工作记忆参考点的前2s达到最大，在工作记忆参考点后1s下降，研究结构表明在工作记忆参考点的前2s网络传播效应最大，总体活动最协调，集群枢纽体现最大。.本项目在微观层次上，基于神经元群放电时空序列实验数据，在神经元群功能性网络层面上探索AD的发病机制，结合记忆网络工作状态分析，可以对AD作出早期诊断以开展早期预防和治疗工作。本项目的研究成果与国内外同行专家进行学术交流，发表了3篇国际学术会议论文。