麻醉状态神经元放电的非线性多尺度熵分析

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1、麻醉状态神经元放电的非线性多尺度熵分析-->第一章绪论1.1本文的研究背景和意义大脑显然是世界上最复杂、最巧妙、最高级的信息处理系统[1]。长期以来，人们就梦想能够探知并理解自己所拥有的智能行为，但在认识大脑、保护大脑并创造大脑的三个阶段中，由于大脑系统的复杂性以及实验手段的缺乏，我们始终还只是停留在认识大脑的层面上。1963年由英国科学家Hodgkin和Huxley建立的Hodgkin-Huxley(HH)方程，第一次对神经细胞电活动进行了数学手段的描述，这项工作获得了诺贝尔奖。近几十年来，随着电子信息技术的发展，各种

2、脑功能研究相关的实验方法被提出。例如核磁功能成像(fMRI)以及正电子发射断层层析(PET)提供了一种从宏观或整体角度研究脑功能的手段；以电压敏感染料成像(VSDI)和双光子荧光显微成像(TPM)为代表的实验手段，使研究者高分辨率观测神经回路结构或功能成为可能；膜片钳技术(PatchClamping)和分子生物学技术(MolecularBio)则在分子细胞层面上促进了神经生物学的发展；而目前受到较多关注的植入式多电极阵列(MEA)等技术的发展，使人们能够高时间分辨率地获取在体的神经元电信号或脉冲序列，因为中枢神经系统信号

3、加工传递过程，本质上就是神经元信号产生并且突触传递的过程，因此这对于探索大脑在感知、行为、学习和记忆等智能行为的工作机制，具有重要的意义。......................1.2国内外研究现状1.2.1动作电位模式分类的研究现状由于MEA的电极是在细胞间隙中采集周围神经元的电信号，因此电极通常不能准确定位到单个神经元，且受到电极周围多个神经细胞之间的相互电磁干扰以及内外噪声的影响。所以，采集获得的神经元电信号是电极附近神经系统内外噪声和多个神经元放电的时空叠加。所以需要通过神经元动作电位的模式分类技术，完成动作

4、电位的盲源分离，即分离形态不同的动作电位信号并将其归属到对应的神经元中去。神经电信号模式分类的结果好坏对后续的研究具有重大的影响。....................................第二章大鼠感觉运动皮层的动作电位信号采集及预处理2.1动作电位信号的描述2.1.1动作电位的形成在神经元活动过程中所产生的动作电位，是在静息电位的基础上发生的，那么何为静息电位？神经元以生物电信号的形式对刺激进行编译、传递并整合，而生物电信号是建立在细胞膜对离子的选择性通透和离子跨膜移动为基础的电学变化，具备物理电路的基本

5、特性，如电容Cm、电阻Rm等，如图2.1为其等效电路。神经元细胞膜是一种双层脂质膜，对细胞内外的离子是不具通透性的，但是镶嵌在其上的蛋白质构成的通道能调控细胞内外离子或者一些极性分子的进出。神经元细胞内外的水溶性盐溶液中，含有多种离子成分，其浓度各不相同。未受到刺激时，神经元细胞膜两侧形成的电位差即是静息电位，典型值为-65mv。静息状态下，细胞内含有的正离子主要为K+离子，其浓度大大超过细胞外的K+离子浓度，同时含有低浓度的Na+离子、Cl-离子和浓度比较高的有机负离子；细胞外液中则含有低浓度的K+离子，Na+离子和C

6、l-离子的浓度远远大于细胞内两种离子的浓度[2]。这种细胞膜两侧正负离子的不均与分布状态是通过离子泵特别是Na+-K+泵的运转来维持的。静息时细胞膜对K+离子的通透性最大，其次是Cl-，对Na+离子的通透性很小，因此K+和Cl-基于细胞膜外的浓度差朝着各自低浓度的方向扩散，直到形成的电位差能够阻止离子的进一步流动，这种Na+-K+泵的作用使胞内Na+离子浓度维持在一个低水平，而K+离子浓度维持在高水平。正是由于这种浓度差和细胞膜对离子的差别性通透，才形成了静息电位。..........................2.

7、1.2动作电位的特性(1)全或无特性这是动作电位最重要的一个性质。只有受到阈上刺激时，神经元细胞才会产生动作电位，阈刺激与任何强度的阈上刺激或者不同性质的阈上刺激所引起的动作电位水平是相同的，即增大刺激强度并不改变动作电位的波形和幅度。(2)不应期动作电位的不应期分为绝对不应期和相对不应期。一次动作电位的上升支过程中，神经元细胞经历了非常显著的变化过程，处于无兴奋性的阶段。这一时期内无论给予神经元多大的刺激，均不能产生新的动作电位，称之为绝对不应期。相对不应期是指在动作电位下降支的后期，由于Na+离子通道通透性的逐渐恢复

8、，若给予神经元较正常刺激更强的刺激才有可能引发动作电位，此时神经元的兴奋性正在恢复过程中，但是低于正常状态。(3)不能叠加特性、不衰减性传导不能叠加特性是指动作电位不能产生时间或者空间等任何意义上的叠加，原因在于动作电位的“全或无”的特性和存在绝对不应期的特性。不衰减性传导指在细胞膜上任意一点受到阈上刺激产生动作电位