摘要  研究了大鼠在條件性恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中杏仁核對(duì)恐懼視覺(jué)信息的編碼。首先，設(shè)計(jì)兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(“十”和“O”)圖形，利用巴普洛夫條件反射原理建立大鼠條件性恐懼視覺(jué)聯(lián)結(jié)，采用多通道神經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)采集恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中的杏仁核神經(jīng)元集群響應(yīng)信號(hào)。然后，對(duì)神經(jīng)元響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行有效響應(yīng)區(qū)間的自適應(yīng)選取，分別采用神經(jīng)元集群發(fā)放頻率和集群熵研究條件性恐懼視覺(jué)建立的不同階段杏仁核的集群編碼，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元集群在條件性恐懼建立后發(fā)放率、熵均有顯著增加。*后，采用支持向量機(jī)構(gòu)建條件性恐懼建立過(guò)程中不同恐懼水平的分類模型，驗(yàn)證兩種編碼的效果。結(jié)果表明集群熵編碼包含更多的非線性信息和時(shí)空整合信息，能更有效地實(shí)現(xiàn)恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中視覺(jué)信息的“恐懼”水平的表征，由此推測(cè)大鼠杏仁核神經(jīng)核團(tuán)是以集群的方式對(duì)恐懼信息進(jìn)行編碼的。

關(guān)鍵詞   杏仁核條件恐懼發(fā)放頻率集群熵恐懼視覺(jué)信息集群編碼

視覺(jué)是哺乳動(dòng)物接受外界信息的主要途徑，其中80％以上的感知信息是通過(guò)視覺(jué)獲得的。

動(dòng)物看到引起其恐懼或厭惡情緒的視覺(jué)目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的生理和心理應(yīng)激反應(yīng)，并伴隨著逃避行為心J，它可以喚起視覺(jué)信息調(diào)節(jié)**，激發(fā)動(dòng)物自我保護(hù)的本能舊J，對(duì)于動(dòng)物逃避天敵和爭(zhēng)取生存機(jī)會(huì)具有重要意義。動(dòng)物對(duì)外界視覺(jué)信息產(chǎn)生恐懼是通過(guò)先天遺傳和后天習(xí)得兩種方式獲得的，先天的視覺(jué)恐懼是祖先通過(guò)遺傳留給后代的，具有無(wú)意識(shí)的自我保護(hù)作用，但是由于動(dòng)物在生存中會(huì)面臨各種各樣潛在的威脅，大多數(shù)情況下動(dòng)物需要在成長(zhǎng)過(guò)程中不斷地學(xué)習(xí)和積累生存經(jīng)驗(yàn)，從而獲得條件性恐懼視覺(jué)聯(lián)結(jié)。杏仁核位于顳葉內(nèi)側(cè)，屬于早期進(jìn)化的邊緣結(jié)構(gòu)，大量研究表明杏仁核在恐懼形成和表達(dá)中起到了關(guān)鍵作用H～。因此，開展杏仁核在條件性恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中的編碼研究對(duì)于揭示大腦預(yù)警機(jī)制具有重要意義。

1939年，Kluver等一1通過(guò)損傷杏仁核后研究猴子面對(duì)恐懼信息的情緒反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)該引發(fā)恐

懼反應(yīng)的動(dòng)物不在產(chǎn)生回避行為，但對(duì)其他情緒表情的識(shí)別均正常。2011年，Schweckendiek等¨。采用fMRI技術(shù)對(duì)特定恐懼患者接受認(rèn)知行為**前后杏仁核的激活程度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)**前患者在杏仁核較正常對(duì)照組激活明顯，而**后激活明顯降低；2013年，Strawn等舊1采用似m技術(shù)研究杏仁核對(duì)先天性恐懼面部表情的表征，發(fā)現(xiàn)杏仁核的興奮性顯著增強(qiáng)。以上研究主要從神經(jīng)影像技術(shù)、動(dòng)物行為學(xué)角度確定了杏仁核在恐懼視覺(jué)信息表征中的重要地位。

2006年，Paton等¨叫針對(duì)猴子進(jìn)行視覺(jué)認(rèn)知訓(xùn)練，將不同的圖形通過(guò)獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰措施建立猴子的積極和消極的視覺(jué)刺激關(guān)聯(lián)，分析了杏仁核單神經(jīng)元對(duì)不同意義圖形的響應(yīng)特性，研究表明視覺(jué)圖形的情緒意義可以調(diào)制神經(jīng)元活動(dòng)的變化；2011年，Wang等¨叫采用小鼠對(duì)礦場(chǎng)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生焦慮的先天性恐懼行為對(duì)杏仁核神經(jīng)元編碼焦慮的研究中，發(fā)現(xiàn)杏仁核區(qū)存在與焦慮行為高度相關(guān)的神經(jīng)元。上述研究采用神經(jīng)電生理技術(shù)分析了杏仁核單神經(jīng)元對(duì)恐懼信息的響應(yīng)特性。然而近年來(lái)越來(lái)越多的研究表明：神經(jīng)元集群以特定的模式實(shí)現(xiàn)視覺(jué)認(rèn)知任務(wù)的編碼，能夠更有效地傳遞和處理視覺(jué)信息L12，13 J。因此，從神經(jīng)元集群的角度揭示杏仁核條件性恐懼信息的編碼機(jī)制是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的新興課題。

綜合上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)“十”和“0”兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的圖形作為視覺(jué)刺激，利用巴普洛夫條件反射原理建立大鼠條件性恐懼視覺(jué)聯(lián)結(jié)。采用神經(jīng)電生理和行為學(xué)相結(jié)合的方法，采集大鼠視覺(jué)恐懼訓(xùn)練前、訓(xùn)練中(主動(dòng)逃避率40％一50％)和訓(xùn)練后(主動(dòng)逃避率在75％以上)三個(gè)階段的神經(jīng)元集群響應(yīng)信號(hào)，對(duì)神經(jīng)元響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行有效響應(yīng)區(qū)間的自適應(yīng)選取，然后提取神經(jīng)元集群發(fā)放頻率和集群熵特征，開展條件性恐懼視覺(jué)信息編碼研究。*后采用支持向量機(jī)構(gòu)建條件性恐懼建立過(guò)程中不同恐懼水平的分類模型對(duì)編碼方法進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到了良好的視覺(jué)信息的“恐懼”水平分類效果。

1．1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及慢性電極植入

4只雄性LE大鼠，清潔級(jí)，體重260—320 g，10—12周齡，由中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院斯萊克實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限責(zé)任公司提供種鼠，委托河南省動(dòng)物中心飼養(yǎng)繁殖。動(dòng)物飼養(yǎng)保持12 h／12 h明暗交替，濕度維持在(50±5)％，溫度控制在(25±1)℃。所有訓(xùn)練大鼠經(jīng)鄭州大學(xué)自主研發(fā)的嚙齒類動(dòng)物視覺(jué)認(rèn)知行為功能自動(dòng)化測(cè)評(píng)系統(tǒng)(**號(hào)：2013100376373)測(cè)試篩選，視力正常。首先，采用3％的巴鈉溶液對(duì)大鼠實(shí)施麻醉，**注射劑量o．17 mL／100 g；然后，固定在立體定位儀上(KOPF940)，用耳棒固定頭部；*后，根據(jù)大鼠腦立體定位圖譜，確定杏仁核區(qū)的位置(A—P：一2．80～一3．70 mm；M—L：4．50—5．50 mm；D—V：一7．50～一8．30 mm)，植入16 chSpmading微電極陣列(美國(guó)韋恩醫(yī)學(xué)院定制)，術(shù)后連續(xù)三天腹腔注射拜有利進(jìn)行**處理，恢復(fù)5～7 d開始恐}具視覺(jué)聯(lián)結(jié)訓(xùn)練。

1．2條件性恐懼視覺(jué)訓(xùn)練方案

為了滿足大鼠基于簡(jiǎn)單圖形認(rèn)知的要求，改造傳統(tǒng)穿梭箱裝置¨4|，在穿梭箱兩個(gè)區(qū)域?qū)?cè)安裝兩臺(tái)顯示器，實(shí)現(xiàn)前后雙屏同時(shí)顯示圖像，確保大鼠對(duì)條件刺激關(guān)注度。大鼠恐懼視覺(jué)訓(xùn)練裝置如圖1所示，主要包括：訓(xùn)練穿梭箱體(50 cm×30 cm×30 cm)、雙屏顯示系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、足底電擊系統(tǒng)(電流0—1 mA可調(diào))和主控制設(shè)備等。恐懼視覺(jué)聯(lián)結(jié)訓(xùn)練方案如圖2所示，首先屏幕兩側(cè)顯示1 S提示信息，穿梭箱兩邊隨機(jī)顯示條件刺激15 S，左右兩邊顯示兩種圖片的概率相等，圖片“O”作為恐懼視覺(jué)圖像，出現(xiàn)“0”的一側(cè)顯示10 S后，加入足底電擊5 s，休息5 s，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。定義主動(dòng)逃避率達(dá)到75％作為條件性恐懼視覺(jué)聯(lián)結(jié)建立的標(biāo)準(zhǔn)¨51。主動(dòng)逃避率的計(jì)算方法如式(1)。中n為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，m。為需要逃避且在10 s內(nèi)逃避至**區(qū)的次數(shù)，m：為不需要逃避且該次未逃避的次數(shù)。

 SuperFcs條件性恐懼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，型號(hào)：XR-XC404

1．3信號(hào)采集與刺激模式

信號(hào)采集采用Blackrock公司生產(chǎn)的Cerebus一128多通道微電極陣列信號(hào)采集系統(tǒng)，采集到的原始信號(hào)通過(guò)帶通濾波器(250～5 000 Hz)得到高通連續(xù)信號(hào)，并用閾值檢測(cè)方法提取動(dòng)作電位。

視覺(jué)刺激采用22英寸LED顯示屏，分辨率1 280×960。為了消除圖片亮度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的影響，兩種刺激圖形的灰度值相同。本文將條件性恐懼視覺(jué)建立過(guò)程主要分訓(xùn)練前、訓(xùn)練中、訓(xùn)練后三個(gè)階段，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，信號(hào)采集刺激模式如圖3所示，首先提示信息顯示1 s，然后刺激圖形“0”出現(xiàn)1 s，每次圖形出現(xiàn)后黑屏休息5 s，重復(fù)10次。

2 方法

由于單個(gè)神經(jīng)元對(duì)特定刺激的響應(yīng)具有較大的差異性，對(duì)事件的表達(dá)不夠準(zhǔn)確，本文從神經(jīng)元集群的角度展開研究，首先需要篩選有效神經(jīng)元，來(lái)構(gòu)建神經(jīng)元集群。有效響應(yīng)神經(jīng)元定義：計(jì)算刺激前0．5 s內(nèi)的平均發(fā)放率作為神經(jīng)元響應(yīng)的基準(zhǔn)線rb，計(jì)算刺激后有效響應(yīng)區(qū)間內(nèi)的平均發(fā)放率r。，將lg(rs／rb)>0的神經(jīng)元視為有效響應(yīng)神經(jīng)元。

神經(jīng)元受到刺激后會(huì)產(chǎn)生放電頻率的增高或者下降，這些變化通常代表了有效的神經(jīng)信息，而不同的神經(jīng)元對(duì)特定視覺(jué)刺激的響應(yīng)區(qū)間不盡相同，本文根據(jù)Spike發(fā)放頻率的變化來(lái)確定有效響應(yīng)的區(qū)間，以下是單個(gè)神經(jīng)元有效響應(yīng)區(qū)間確定的方法。

2．2神經(jīng)元集群發(fā)放頻率編碼

在恐懼視覺(jué)建立不同階段，按照2．1步驟(1)、(2)、(3)計(jì)算有效響應(yīng)區(qū)間(t。。，t。。)內(nèi)，神經(jīng)元多次重復(fù)的平均發(fā)放率，獲取神經(jīng)元集群發(fā)放頻率的地形圖，表達(dá)大鼠條件性恐懼建立過(guò)程中神經(jīng)元集群的特征。

2．3神經(jīng)元集群熵編碼

由于神經(jīng)元集群發(fā)放信息是非線性的，本文還采用非線性的神經(jīng)集群熵編碼的方法。熵編碼過(guò)程中按熵原理不丟失任何信息，熵是隨機(jī)事件的不定性的度量，可以定量地表達(dá)非線性的神經(jīng)元發(fā)放的特性。

2．4構(gòu)建支持向量機(jī)模型對(duì)不同編碼方法的效果進(jìn)行驗(yàn)證

主要用SVM構(gòu)建視覺(jué)信息分類模型實(shí)現(xiàn)視覺(jué)恐懼不同訓(xùn)練階段的恐懼視覺(jué)信息編碼驗(yàn)證，采用訓(xùn)練過(guò)程中三個(gè)階段數(shù)據(jù)的50％作為訓(xùn)練樣本，另外50％作為測(cè)試樣本，分別統(tǒng)計(jì)兩種編碼方法的識(shí)別率。

3結(jié)果分析

在4只LE大鼠杏仁核共記錄了40個(gè)神經(jīng)元的響應(yīng)信號(hào)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪預(yù)處理，采用小波變換與K—mean的方法對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行分類，進(jìn)而確定神經(jīng)元響應(yīng)的有效響應(yīng)區(qū)間，分析了動(dòng)物建立恐懼視覺(jué)過(guò)程中神經(jīng)元集群發(fā)放率以及熵的編碼特性。本文所有數(shù)據(jù)處理均在MATLAB2012a軟件進(jìn)行。

3．1有效響應(yīng)時(shí)間區(qū)間自適應(yīng)確定

不同的神經(jīng)元有效響應(yīng)時(shí)間區(qū)間不盡相同，圖4中為4只LE大鼠在訓(xùn)練前單個(gè)神經(jīng)元的有效響應(yīng)區(qū)間示意圖，從圖中可以看出神經(jīng)元在刺激0．7 s時(shí)達(dá)到峰值，因此本文選擇有效響應(yīng)時(shí)間區(qū)間為0．4—1．0 s。

3．2恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中神經(jīng)元集群發(fā)放頻率編碼共在4只大鼠上進(jìn)行了相同的恐懼視覺(jué)刺激實(shí)驗(yàn)，得到了相似的結(jié)果。本文主要以其中一只(共

采集了】3個(gè)神經(jīng)元)為例，示例神經(jīng)元集群在恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中(訓(xùn)練前、訓(xùn)練中、訓(xùn)練后三個(gè)階段)的神經(jīng)元集群頻率編碼情況，如圖5所示

計(jì)算該集群在條件性恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中的發(fā)放頻率，在4只大鼠上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示，恐懼建立后恐懼圖形的集群發(fā)放率為12．86±1．64，大鼠條件性恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中的三個(gè)階段，神經(jīng)元集群發(fā)放頻率均有顯著性差異(木：．c水P<0．01)。

3．3恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中神經(jīng)元集群熵編碼本文對(duì)4只大鼠進(jìn)行了相同的恐懼視覺(jué)刺激實(shí)驗(yàn)，神經(jīng)元集群熵變化得到了相似的結(jié)果。圖7為其中1只(共采集了13個(gè)神經(jīng)元)大鼠杏仁核神經(jīng)元集群在恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中(訓(xùn)練前、訓(xùn)練中、訓(xùn)練后三個(gè)階段)的集群熵編碼。

計(jì)算該集群在條件性恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中的熵值，在4只大鼠上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示，恐懼建立后恐懼圖形的集群熵為0．44±0．04，大鼠條件性恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中的三個(gè)階段，神經(jīng)元集群熵均有顯著性差異(木術(shù)術(shù)P<0．01)。

3.4構(gòu)建支持向量機(jī)模型驗(yàn)證編碼方法的有效性為了驗(yàn)證集群編碼的有效性，提取恐懼訓(xùn)練過(guò)程中三個(gè)階段的神經(jīng)元集群發(fā)放頻率響應(yīng)特征以及集群熵特征，采用支持向量機(jī)構(gòu)建條件性恐懼建立過(guò)程中不同恐懼水平的分類模型，對(duì)兩種編碼的效果做出驗(yàn)證，三個(gè)階段分類正確率如表1所示，集群熵編碼的分類效果明顯優(yōu)于集群發(fā)放頻率。

4結(jié)論與討論

本文采用基于圖形認(rèn)知的大鼠條件性視覺(jué)恐懼訓(xùn)練，以大鼠主動(dòng)逃避率為標(biāo)準(zhǔn)劃分視覺(jué)恐懼形成的三個(gè)階段，研究杏仁核在恐懼視覺(jué)形成過(guò)程中神經(jīng)元集群發(fā)放頻率和集群熵編碼，然后構(gòu)建SVM條件性恐懼建立過(guò)程中不同恐懼水平的分類模型進(jìn)行視覺(jué)刺激“恐懼”水平分類驗(yàn)證。結(jié)果表明：大鼠在建立條件性恐懼視覺(jué)的過(guò)程中，杏仁核中部分神經(jīng)元發(fā)放率會(huì)顯著增強(qiáng)，表明恐懼視覺(jué)能夠有效激活杏仁核，從神經(jīng)電生理方面驗(yàn)證了Strawn等一。面對(duì)恐懼面孔杏仁核區(qū)的興奮性顯著增強(qiáng)的結(jié)論。進(jìn)一步提出了從Spike發(fā)放時(shí)間間隔的角度分析杏仁核神經(jīng)元集群熵編碼，該方法能有效地編碼大鼠條件性恐懼視覺(jué)建立過(guò)程中的不同“恐懼”水平。針對(duì)本文采用的兩種神經(jīng)元集群編碼模式，發(fā)現(xiàn)視覺(jué)恐懼訓(xùn)練前后神經(jīng)元集群響應(yīng)特性均具有顯著差異，由此推測(cè)恐懼視覺(jué)信息在杏仁核是以集群的形式編碼，多個(gè)神經(jīng)元共同完成了對(duì)恐懼視覺(jué)信息的編碼。*后，采用SVM構(gòu)建視覺(jué)信息分類模型實(shí)現(xiàn)視覺(jué)恐懼不同訓(xùn)練階段的恐懼視覺(jué)信息編碼驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元集群熵能更有效地編碼恐懼視覺(jué)信息。兩種編碼模型的分類精度均高達(dá)90％以上，也驗(yàn)證本文提出的杏仁核集群編碼的有效性。