猕猴视皮层中锋电位与局部场电位的耦合机制与神经反馈连接

he coupling between neural signals plays an important role in the working mechanism of brain. The primary visual cortex and extrastriate visual cortex work together to achieve the perception for external things. The reliable estimation of the coupling between neural signals in visual cortex is the key to reveal the way for processing visual information. The orientation selectivity of cortical neurons is a very important characteristic of receptive field, which provides an ideal model for the study on the mechanism of information processing in visual cortex. This project is devoted to use and develop coupling method in order to analyze the impact of graphic stimulus with different orientations on the coupling between neural signals. First, the coupling between different frequency bands of local field potentials (LFPs) is explored using phase-amplitude coupling and wavelet bicoherence. Then, the measure that combines linearity and nonlinearity and the Granger causality method are applied to analyze the coupling strength and direction between brain regions. Furthermore, the normalized permutation transfer entropy is used to characterize interactions between neurons. A new method is developed to estimate the higher-order correlations in a neuronal pool to observe the effect of orientations. Finally, a new index is developed to quanlify the coupling between LFP and spikes to analyze the coupling between neurons and the networks they embedded. The development of this project will bulid novel computational tools for coupling between neural signals, which will provide powerful technical support to study the information processing mechanism of visual cortex.

神经信号间的耦合是大脑工作的重要机制，视皮层对外部事物的感知是由初级视皮层和纹外视皮层的协同工作实现的。可靠地描述视皮层神经信号之间的耦合以及脑区之间的反馈连接，是揭示视觉信息处理方式的关键。视皮层神经元的方位选择性是非常重要的一种感受野特性，为研究视皮层的信息处理机制提供了一个理想的切入点。本项目使用和发展耦合估计方法，分析刺激图形对视皮层神经信号耦合及反馈连接的影响。主要包括：使用相位幅度耦合和小波双一致方法挖掘不同频段局部场电位之间的耦合；使用兼顾线性和非线性相关的估计方法、以及Granger因果性方法，分析脑区间的反馈连接；利用归一化排序转移熵方法，发展神经元群高阶相关性分析的新方法，观察神经元及神经元群之间的相互作用；发展度量锋电位场电位耦合的新方法，分析神经元与其所属网络之间的耦合关系。项目的开展将提供新颖的神经信号耦合的计算工具，为研究视皮层的信息处理机制提供有力的技术支撑。

研究不同朝向光栅刺激下视皮层神经信号之间的耦合关系，是揭示视觉信息处理机制的一种有效手段。本项目使用植入式微电极阵列采集了两只雄性猕猴视皮层V1区和V4区的锋电位序列和局部场电位信号，使用和发展神经耦合估计方法，分析了不同朝向的正弦光栅对视皮层神经信号耦合关系的影响，研究了神经元朝向选择性的形成机制、以及V1和V4之间的连接方式。主要包括：使用相位幅度耦合和小波双一致方法挖掘不同频段局部场电位之间的耦合；使用符号转移熵方法，分析脑区间的耦合强度和方向；利用归一化排序转移熵分析神经元间的相互作用；发展度量锋电位场电位耦合的新方法，分析神经元与其所属网络之间的耦合关系；运用Lasso逻辑回归模型模拟视皮层神经元对朝向信息的编码过程。项目的开展提供了新颖的神经信号耦合的计算工具，为研究视皮层的信息处理机制提供了有力的技术支撑。项目研究工作进展顺利，达到预期研究目标，培养研究生5名，为进一步研究神经信号耦合领域的其他问题奠定了坚实的基础。