[發(fā)明專利]一種老鼠海馬結(jié)構(gòu)在環(huán)境認(rèn)知過程中作用的分析方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410019993.7
• 申請日: 2014-01-16
• 公開（公告）號: CN103778332A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于乃功;王琳;陳煥朝;阮曉鋼;徐麗;李倜
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種老鼠海馬結(jié)構(gòu)在環(huán)境認(rèn)知過程中作用的分析方法，屬于仿生學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

空間記憶是動物在環(huán)境中生存的基本功能，大腦皮層中海馬結(jié)構(gòu)（Hippocampal?Formation）承擔(dān)著環(huán)境認(rèn)知的任務(wù)。海馬結(jié)構(gòu)與老鼠的學(xué)習(xí)、記憶和認(rèn)知功能有關(guān)，尤其是短期記憶和空間記憶。?

海馬結(jié)構(gòu)由四部分組成，分別為齒狀回（Dentate?Gyrus）、海馬角（Cornu?Ammonis）、下托（Subiculum）、內(nèi)嗅皮質(zhì)（Entorhinal?Cortex）。其中海馬角又分為CA1-CA4四個區(qū)域，內(nèi)嗅皮質(zhì)分為Ⅰ-Ⅵ6層。當(dāng)老鼠處于一個環(huán)境中時，外界信息首先到達(dá)海馬結(jié)構(gòu)的內(nèi)嗅皮質(zhì)中，內(nèi)嗅皮質(zhì)為海馬角提供主要的輸入，內(nèi)嗅皮質(zhì)第Ⅱ?qū)訉⑿畔⑼渡涞烬X狀回和CA3，內(nèi)嗅皮質(zhì)第Ⅲ層將信息投射到CA1和下托，反過來，CA1和下托又將信息反射回內(nèi)嗅皮質(zhì)第Ⅲ層和第Ⅴ層，形成一個海馬回路。?

在老鼠環(huán)境認(rèn)知過程中，海馬結(jié)構(gòu)中有四種細(xì)胞起作用，按細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)的時間順序分別為位置細(xì)胞（Place?Cell?PC）、頭朝向細(xì)胞（Head-direction?Cell?HD）、網(wǎng)格細(xì)胞（Grid?Cell?GC）、邊界細(xì)胞（Border?Cell?BC）。當(dāng)老鼠處于環(huán)境中特定位置時，位置細(xì)胞被激活，它與老鼠行為活動所處位置密切相關(guān)，每個位置細(xì)胞有且只有一個激活域。位置細(xì)胞主要存在于CA3區(qū)。頭朝向細(xì)胞是一種頭朝向依賴性神經(jīng)元，放電活動只與頭在水平面的朝向有關(guān)，與老鼠的位置、姿勢、行為無關(guān)，每個頭朝向細(xì)胞有且只有一個最佳朝向（preference?angle），其激活?率與老鼠頭朝向的關(guān)系如圖2所示，呈現(xiàn)高斯曲線規(guī)律。網(wǎng)格細(xì)胞對特定的空間位置發(fā)生重復(fù)性放電，多個放電野相互交疊成一個個節(jié)點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)形成相連的三角形遍及整個老鼠遍歷的空間環(huán)境，與位置細(xì)胞不同的是，每個網(wǎng)格細(xì)胞有多個激活域。每個網(wǎng)格細(xì)胞形成的網(wǎng)格域都具備4個基本特征：①間距（spacing）：鄰近節(jié)點(diǎn)之間的距離；②激活域大小（firing?field?size）：網(wǎng)格細(xì)胞發(fā)生放電的空間范圍；③位相（phase）：相對于外部參考點(diǎn)的x軸和y軸位移；④定向（orientation）：相對于外在參考坐標(biāo)的傾斜度。網(wǎng)格域的間距沿著內(nèi)嗅皮質(zhì)的背腹側(cè)軸逐漸增大，由39-73cm變化。內(nèi)嗅皮質(zhì)第Ⅱ?qū)又兄缓芯W(wǎng)格細(xì)胞，第Ⅲ到Ⅴ層網(wǎng)格細(xì)胞與頭朝向細(xì)胞共存。當(dāng)老鼠在環(huán)境中遇到環(huán)境邊界或者障礙物邊界時，邊界細(xì)胞被激活，當(dāng)移除邊界時，邊界細(xì)胞的激活域就消失。邊界細(xì)胞主要存在于內(nèi)嗅皮質(zhì)中，但含量不足10%。頭朝向細(xì)胞為網(wǎng)格細(xì)胞和邊界細(xì)胞提供輸入，網(wǎng)格細(xì)胞為位置細(xì)胞提供輸入。?

基于四種細(xì)胞的功能，建立老鼠海馬結(jié)構(gòu)在環(huán)境認(rèn)知中作用的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)老鼠在環(huán)境中運(yùn)動時，頭朝向細(xì)胞感知老鼠的運(yùn)動速度和頭朝向，進(jìn)而傳遞至網(wǎng)格細(xì)胞和邊界細(xì)胞，有關(guān)網(wǎng)格細(xì)胞激活域的形成目前有兩大類理論模型：第一類為吸引子模型（attractor?model）：認(rèn)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有多個“吸引子”，每個“吸引子”對應(yīng)于空間環(huán)境中的一個位點(diǎn)，通過“吸引子”之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)對整個空間環(huán)境的編碼；第二類是振蕩干擾模型（oscillatory?interference?mechanism）：老鼠大腦內(nèi)的θ波相互干擾形成網(wǎng)格域。網(wǎng)格細(xì)胞進(jìn)行信息整合后，多個網(wǎng)格細(xì)胞線性組合進(jìn)而形成位置細(xì)胞激活域，位置域和邊界細(xì)胞激活域共同形成對環(huán)境的認(rèn)知。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是通過數(shù)學(xué)方法建立老鼠海馬結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型來模擬老鼠對?未知環(huán)境的認(rèn)知過程；建立的模型實(shí)現(xiàn)了海馬結(jié)構(gòu)中四種認(rèn)知細(xì)胞的生物學(xué)功能，可以將其運(yùn)用于機(jī)器人導(dǎo)航，醫(yī)學(xué)治療，心理診斷等領(lǐng)域。?

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種老鼠海馬結(jié)構(gòu)在環(huán)境認(rèn)知中作用的分析方法，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下，如圖1所示，?

S1構(gòu)建一個虛擬老鼠探索室內(nèi)二維空間環(huán)境，形成空間軌跡，其中，?

老鼠在時刻t的運(yùn)動速度為v_t

老鼠在時刻t的頭朝向?yàn)棣?sub>t

則可知老鼠在t+1時刻的位置為?

x(t+1)=x(t)+v_t·dt·cosθ_t

y(t+1)=y(t)+v_t·dt·sinθ_t