颞叶癫痫大鼠海马神经元发放熵编码的特征模式研究

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1、http://www.paper.edu.cn颞叶癫痫大鼠海马神经元发放熵编码的1特征模式研究1121郭强，田心*，宋毅军，白文文，1天津医科大学天津市神经病学研究所，天津（300070）2天津医科大学总医院,天津（300052）E-mail:tianx@tijmu.edu.cn摘要：本文提出和计算神经元发放熵编码，研究了颞叶癫痫大鼠海马神经元发放熵编码的特征模式。基于神经元发放时间间隔(Inter-spikeinterval,ISI)序列直方图，选用合适的窄带带宽分割直方图，计算Shannon熵值。应用Chay模型仿真爆发

2、型和节律型神经元发放，对熵编码的有效性进行验证。制备颞叶癫痫（TemporalEpilepsy，TE）大鼠模型，对颞叶癫痫组(10只)和正常对照组(10只)大鼠，分别测取海马齿状回的神经元发放ISI序列，计算Shannon熵值，对两组熵值进行t检验。结果表明，颞叶癫痫大鼠组海马神经元发放的Shannon熵值为6.36±0.158bit，明显小于正常对照大鼠组海马神经元发放序列的熵值7.29±0.390bit，P<0.05。结论：Shannon熵编码可以有效定量地编码神经元的发放信息。颞叶癫痫大鼠显示了比正常大鼠明显低的熵编码

3、，其编码了癫痫病灶神经元的爆发发放模式。关键词：颞叶癫痫大鼠；海马；神经元发放；熵编码；1.引言癫痫是由多种原因引起的慢性脑疾病，以脑部神经元过度放电所致的暂时性中枢神经系统功能失常为特征，在我国癫痫的患病率为3.5‰-4.8‰，需要终生服药控制发作；约有20%的患者不能用药物有效控制癫痫发作，称之为难治性癫痫。癫痫的长期反复发作，不仅使患者身心遭受痛苦，也给患者家庭乃至社会带来了很大的负担。因此，研究癫痫的发病机制，具有重要的理论意义和临床应用价值。形成癫痫的病因多种多样，其表现也不同，目前公认的癫痫发作的电生理机制假说为

4、：责任病灶区的神经元的超同步发放造成病灶的过度放电。近年来国内外学者在癫痫发作病灶的超同步放电机制方面做了大量研究。其中主要的工作是研究癫痫病灶各个位置脑电相位的[1]超同步性，脑电是宏观层次上的，由于脑电是许多神经元的发放在头皮（或皮层）测试点上的综合，因此仅从脑电相位的同步性来研究癫痫发作的超同步发放机制，还不能反映微观层次上神经元发放和超同步发放之间的关系。近年来的研究关注在癫痫病灶单个神经元发放到神经元集群发放的编码模式与超同步放电机制的联系。鉴于平均频率无法编码神经元发放[2，3]的非线性动态信息，而ISI编码能定

5、量地表达信息。在本文中提出了定量的、非线性的神经元发放熵编码，研究了颞叶癫痫大鼠组海马神经元发放熵编码的特征模式，并与正常对照组进行了对比，为从神经元发放编码层次研究癫痫发病的过度放电机制提供支持。1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金项目（20040062004），天津市自然科学基金项目（07JCYBJC17100）的资助。*通讯作者：田心Email：tianx@tijmu.edu.cn。-1-http://www.paper.edu.cn2.神经元发放的Shannon熵编码神经元发放编码是指通过神经元发放对外界信息（

6、刺激）进行编码。近年来，科学家们提出了多种编码的表达方式，包括最初提出的平均频率编码，到时间间隔(ISI)编码，到信息[4]编码，等等。本文研究了神经元发放的非线性信息Shannon熵编码的算法，实施了编码的[4，5]计算。熵是对事件（序列）不确定性及信息量的量度，适合编码非线性的神经元发放信息。还可以定量表达编码。本文对Shannon熵编码的关键技术：带宽的选择问题进行了研究，对神经元发放的不同类型熵编码的带宽选择提出了建议，以下是Shannon熵编码的基本思路。神经元发放熵编码的基本思路是：对于有n个元素{x,x,…,x

7、}的信息源，如果各元素12n[6]在其中出现的概率分别为p,p,…,p,则Shannon熵E被定义为：12nnE=−∑pilog2pi(1)i=1当式(1)中的对数底为2时，Shannon熵的单位为比特(bit)；对数底为e时，Shannon熵[7，8]的单位为奈特(nat)。信息源的Shannon熵值与其信息量成正比。计算Shannon熵编码算法的步骤如下：(1)获取神经元发放的ISI序列，绘制ISI直方图；[9，10](2)根据发放序列的特性，设定合适的窄带带宽，再用等带宽的连续窄带分割ISI序列直方图，设窄带个数为n，

8、可计数得到第i个窄带中包含的发放脉冲个数为S(i=1,2,…,n)；in(3)第i个窄带中发放的概率为pi=Si/∑Si，(i=1,2,…,n)；i=1(4)将每个p代入公式(1)中计算该发放序列的Shannon熵值。i3.两类神经元发放仿真序列的Shannon熵编码3.1两类神经元发放的