关于知觉认知与知觉决策的神经动力学研究与实验分析

On the basis of dynamics theory of complex system, nonlinear dynamics and control as well as neural electrophysiological experiments, this project mainly studies two scientific issues in the field of cognitive neurodynamics from the angle of large scale neuroscience, which are the spatio-temporal represatation and neural coding from perceptual formation, and the experimental study as well as dynamic modeling of cognitive deduction and perceptual decision-making. The main contents of the study includes the followings: the experimental analysis and neurodynamic mechanism of the represatation and formation of perception; the experiments, computing and neural modeling of the perceptual learning and memory; the recognition mechanism of perceptual cognition and the dynamics model of biological neural network; neural computation based on the perceptual decision-making and the relative experimental study and data analysis. Due to the intrinsic relations among neural energy, neural information processing and cognitive behavior, the project will explore the relation of neural energy, perceptual cognition and perceptual decision-making, as well as the connection of synaptic platicity and the direction of neural information flow coupling on the basis of experiments. Taking the neural activities, the change of cerebral blood flow, and the energy in blood flow into consideration, it aims to construct the theoretical framework of neurodynamics model according to a multi-level combination of synaptic, neuron, neural network, cerebral blood flow and cerebral vascular.

本项目以复杂系统动力学理论、非线性动力学与控制以及神经电生理实验入手，从大尺度神经科学的视角出发，研究认知神经动力学领域中的两个重要的科学问题。第一个是知觉形成的时空表达与神经编码；第二个是认知推理与知觉决策的实验研究与动力学建模。主要研究内容包括(1)知觉的表达与形成的实验分析与神经动力学机制；（2）知觉学习与记忆的实验、计算和神经建模；（3）知觉认知的识别机制及生物学神经网络动力学模型；（4）知觉决策基础上的神经计算以及（5）与之相关的实验研究与数据分析。由于神经能量与神经信息处理以及认知行为有内在关系，在实验的基础上我们将探讨神经能量与知觉认知与知觉决策之间的关系和突触可塑性指标与神经信息流耦合方向之间的关联性研究。本项目将把神经活动、脑血流的变化以及血流中的能量因素作综合考虑，从而在多层次的结合上建立突触、神经元、神经网络、脑血流及脑血管变化的相互作用的神经动力学模型的理论框架。

认知神经科学近十年来又取得了很大的进展，科学家们对神经系统的认知迅速增长。特别是在神经遗传学、大脑图谱、大脑的可塑性、大脑导航的机制、光遗传学技术、决策的大脑机制等研究领域做出了很多新颖的研究成果。然而这些最新的研究能在多大程度上可以整合我们已知的认知神经科学知识，并将其统一在一个理论框架内来解读浩瀚似海的实验数据呢？更不要说用来解读实验数据背后的带有规律性科学问题。为了逐步解决在一个理论框架内研究大脑活动的全局神经模型，本重点项目的把研究内容分为两大类：.第一类是“知觉形成的神经编码”。它涉及的研究内容包括：.（1）知觉的神经表达与知觉形成的神经动力学机制；.（2）知觉学习与记忆的实验、计算与神经动力学建模；.（3）相位神经编码与能量神经编码。.第二类是“知觉决策的神经编码”。它涉及的研究内容包括：.（4）知觉认知的识别机制及其神经动力学模型；.（5）知觉决策基础上的神经动力学计算；.（6）神经能量与知觉决策的关系。.自2013年开始启动以来，我们紧扣重点项目中所提出的研究内容和围绕需要解决的关键科学问题，经过5年的努力在项目资助下已经取得了一系列重要的进展，获得了一系列重要研究成果。截止目前为止，共发表SCI收录论文107篇，EI收录期刊论文9篇。在107篇SCI收录期刊论文中，JCR和中科院一区论文9篇，二区论文31篇，三区论文36篇，四区论文28篇。本项目多数研究成果已经发表。部分研究结果正在投稿或根据评审意见稿件修改之中，还有一些结果正在进行数据整理和计算机模拟，也将准备撰写论文，研究的预定目标基本实现。在重点项目资助下，在近几年内我们还获得了二项国家自然科学基金面上项目，一项国家自然科学基金的青年基金资助和二个省部级的项目。. 简而言之研究成果的主要科学意义是把能量作为神经元活动的一个新的物理参数。用能量函数刻画神经信息处理与知觉认知活动的表达，可以从物理上避免高维非线性耦合带来的巨大困难，又能够从神经细胞层次到神经网络层次的全脑多层次结合上，阐明知觉认知的表达与形成、学习与记忆、逻辑推理、知觉决策以及其他高级认知功能的神经动力学机制，通过认知过程中能量耗散的演变过程，构建知觉认知神经编码的理论框架。