基于大鼠皮层锋电位及LFP信号的急性疼痛解码算法研究

发布时间：2020-07-17 00:28

【摘要】：大脑是神经系统中的高级中枢,负责机体的一切认知功能,而研究大脑的结构和功能,则成为了当前最热门的科学领域。疼痛是一种复杂的感官体验,也是困扰当今人类健康最严重的问题。解码疼痛神经信号一直以来都是神经科学领域重要的研究课题,它不仅能够帮助人们理解大脑处理疼痛信号的机制,进而推动新的治疗策略的产生,而且还将对临床以及闭环脑机接口产生重要的指导意义和应用价值。首先,针对从不同生理状态下的大鼠上记录得到的多模态的神经信号,本文从多个角度对疼痛问题进行了深入研究。通过将动物行为与神经生理记录相结合,来识别假定的自发性疼痛事件,并在诱发性疼痛和自发性疼痛之间均发现了不同的多模态神经响应:1)无论是正常还是处于慢性疼痛状态下的大鼠,初级体感皮层(primary somatosensory cortex,S1)中幅相耦合(phase-amplitude coupling,PAC)程度要强于前扣带皮层(anterior cingulate cortex,ACC)中的幅相耦合程度;2)在自发性疼痛期间,疼痛行为发生前S1中的 γ-ERS/ERD(event-relateddesynchronization/synchronization)与疼痛行为发生后的 ACC中的β-ERS/ERD相关;3)在诱发性疼痛期间,ACC和S1中疼痛调制(pain-modulated)神经元的发放率与由刺激诱发(stimulus-evoked)的事件相关电位(event-related potential,ERP)的振幅相关;4)ACC和S1中的集群锋电位和局部场电位(local field potential,LFP)为检测疼痛信号提供了重要信息。这些结果共同表明,无论在LFP还是细胞层面上,诱发性疼痛和自发性疼痛之间都存在着截然不同的神经机制,同样也指出了 ACC和S1在疼痛过程中编码作用的不同。其次,基于神经元集群锋电位数据,在泊松动态系统(poisson linear dynamic system,PLDS)模型的基础上,本文从提高急性疼痛检测精度的角度出发,提出了一种称之为”突变点检测器集成”(ensemble of change-point detectors,ECPDs)的解码算法。该算法利用集成学习的思想,通过整合一系列相互独立的“弱”检测器并制定多数投票机制来达到提升检测精度的目的。在多个计算机仿真数据以及真实实验记录数据的测试结果表明,本文提出的ECPDs的集成解码算法的检测性能要明显优于单检测器的性能。最后,基于LFP信号,本文首先通过对不同生理状态下大鼠的急性疼痛的强度进行了解码分析,证明了使用LFP信号来检测急性疼痛的可行性。根据LFP信号中theta频段和high-gamma频段的功率特征在区分疼痛强度研究中所发挥的作用,本文还提出了一种基于稳态卡尔曼滤波的检测急性疼痛信号的方法,通过在多个实验记录上进行验证,平均真阳性率达到了 80%以上,假阳性率低于20%。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R402;TN911.6
【图文】：

电极,脑神经,形式

图１．２电生理记录中不同类型的电极图示１２７１逡逑１．３．２方法及应用逡逑１．３．２．１脑神经信号的形式逡逑

神经信号,尺度

图１．４神经刺激技术逡逑机断层扫描（ｃｏｍｐｕｔｅｄ邋ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＣＴ）的升级。磁共振不用Ｘ光，而是用磁场（以及其逡逑它电波和信号）来生成身体和脑的影像。１ＭＲＩ在医学上有很多应用，比如它能告知医生逡逑病人中风后大脑的各个部位是否运行正常，在神经科学领域，它能揭示大脑某些区域所发逡逑挥的特定功能。ｆＭＲＩ的缺陷主要体现在它的时空分辨率上，尽管随着技术的进步，ｆＭＲＩ逡逑的像素点能够小到１立方毫米，但是相对于神经元的级别，还是过大。ｆＭＲＩ最大的问题逡逑在于其时间分辨率，比如，ｆＭＲＩ在进行血液流量扫描时，延迟长徶一秒。因此这些都限逡逑制了邋ＡＶＩＲＩ应用范围。ＥＥＧ信号有着将近一个世纪的历史，它从头皮表面采集信号来记录逡逑大脑不同区域的电活动（如图１．５所示）。在临床上，ＥＥＧ能够获取关于癫痫等疾病的医学逡逑信息，并且可以追踪睡眠规律，还可以用来确认麻醉剂的效果。不过和ｆＭＲＩ不同的是，逡逑ＥＥＧ的时间分辨率很好，能够即时的获取脑内电信号的产生。ＥＥＧ的主要弱势在于空间逡逑分辨率，在这方面ＥＥＧ基本谈不上分辨率。每个电极只是记录一个很粗略的平均值，这逡逑

区域图,神经信号,类型,区域

个值表示的是所有这个电极覆盖范围内的数百万到数亿个神经元电量的矢量总和。ＥＣｏＧ逡逑和ＥＥＧ类似，同样是利用表面电极的，只不过它是把电极放到了头骨下面也就是脑的表逡逑面（如图１．５所示）。没有头骨的干扰，ＥＣｏＧ能够获得更高的空间性分辨率（精确到１厘米）逡逑和时间性分辨率（精确到５毫秒）。ＥＣｏＧ的电极可以被放置于硬脑膜上方或者下方。ＭＥＧ逡逑信号的采集是通过检测神经电信号所引起的磁场获得的，这些磁场的强度非常弱，相当于逡逑地球磁场的千万分之一。尽管ＭＥＧ的时间分辨率要高于ＥＥＧ，然而其只能运用于磁屏蔽逡逑的设备中。不同于上述信号所使用的表面电极，ＬＦＰ采用的是微电极。其原理可以简单理逡逑解为将微电极插入皮层１－２毫米处（如图１．５所示），每个电极就能收集附近一定范围内的逡逑神经元电量的平均值。与前面提到的ｆＭＲＩ、ＥＥＧ和ＥＣｏＧ不同，微电极ＬＦＰ的规模性很逡逑低，它只能采集电极附件一小块区域的信号，而且ＬＦＰ的侵入性非常强，它实际上已经逡逑进入了脑的内部。ＬＦＰ由于其较高的时空分辨率，在神经科学研究和临床上都有广泛的应逡逑用。钙成像的主要原理是将外源性荧光信号和生理现象耦合起来

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