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Burst提取分析系统的设计

马楠

  随着神经信息学的不断发展,对于神经元放电模式以及其中所包含的生理病理意义的研究也在不断的深入。然而神经元放电信号的表现形式却千差万别,不同的实验对象和不同的实验环境下所得到信息各不相同,但是神经元放电信号虽然形式复杂多样,簇状爆发形式(Bursts)却最为常见。所谓簇状放电即为放电频率较高,单个放电信号时间间隔较短的一串放电信号。这种簇状爆发放电的模式会随着神经元细胞所处环境不同而产生变换,不同模式Bursts所蕴含的病理、药理特性也存在较大差异,因此有必要对所提取的不同形式簇状爆发式放电所蕴含的不同信息进行分析。但是在对Burst的提取和分析过程中往往会存在一些难点,如:(1)由于电生理实验记录对象一般为uv级弱电信号,实验环境要求十分苛刻,因而实验过程不可避免的会引入一些不同形式不同幅值的噪声信号。它们一般来自外界环境、生物实验系统内部、生物机体本身等。这使得记录到的放电信号掺杂着大量噪声,并且其中一些大幅值噪声会将放电信号淹没,造成放电信号的遗漏。(2)由于在不同种类生理放电信号中的簇状爆发式放电的ISI各有不同,使用传统绘制ISI直方图的方法并不能够准确的确定ISI数值。如果使用这种方法对所有种类放电信号中所包含的Bursts进行提取和分析,那么必然会导致Bursts信号的错误提取和无效分析。(3)在细胞外引导提取放电信号时,由于放电神经元细胞与电极距离的不同,会产生幅值不同的放电信号,这里我们暂且把幅值比较大的放电称为主波,幅值比较小的放电称为次波。这些主波和次波彼此相互掺杂,覆盖,因而,在信号提取时很难针对主次波各自特点分别进行提取、分离和分析。 本文以解决上述三个Burst提取分析难题为出发点,设计开发了一种基于Ln(ISI)算法的神经元簇状爆发放电信号自动提取分析系统。主要展开了三个方面的工作:(1)深入分析主流电生理实验设备的特点,提出针对Burst的提取分析难题的解决方法。(2)以此解决方案为基础,在实验设备硬件方面设计相应的分析电路,使其各项参数指标能够满足系统的要求,在软件方面设计Burst分析算法,为后续的Burst分析工作提供尽可能全面的基础数据。(3)设计电生理实验,验证试验设备的可用性和准确性。 论文首先介绍传统主流电生理实验设备国内外研究的进展情况,分析了他们的优点和存在的限制,在此基础之上提出了本文Burst提取分析设备的组织构成。第二,介绍了Burst提取分析设备的硬件组成,以及为了降低噪声对Burst信号的干扰,本文是如何加以解决的。第三,介绍了Burst提取分析设备的软件组成,以及为了区别主波次波两种信号彼此交叠情况,而提出的系统内部解决算法。第四,设计相关Burst提取实验,验证本设备的各项性能是否可靠。最后,介绍了从Burst提取分析设备中所分离出来的两专利的基本情况。 本系统主要由信号采集单元、信号处理单元、信号处理单元以及系统软件等部分构成。该系统使用Ln(ISI)算法可实现对Bursts信号的无漏提取,并能对提取结果进行较全面的统计和分析。运用该设备对大鼠海马体神经元细胞自发和诱发放电活动进行提取分析的结果表明,该系统较好的实现了对神经元簇状爆发式放电的提取和分析工作,针对不同形式的放电确定了不同的簇状放电内部峰峰间隔(ISI),并且能够分别提取主波和次波中所包含的簇状放电信号。这项设计对于神经细胞通讯的研究和基于神经细胞通讯进行的生物传感器研究提供了神经信号提取和处理的工具。……   
[关键词]:神经元放电;簇状放电信号;“自学习”算法;Ln(峰电位间隔)
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:中南民族大学2011年