基于等度规映射的大鼠初级视觉皮层视像整体特征识别(1)
摘要：整体特征是视觉信息的基本特征之一。为了认知大鼠初级视觉皮层神经元对视像整体特征的处理机制，首先给出确定有效响应时间区间的方法，确定了有效响应时间区间；然后，确定有效响应时间区间内、不同整体特征视像刺激下的神经元发放特征，并利用等度规映射进行了特征整合，进而对整合后的特征使用支持向量机进行分类；最后.将该方法应用于大鼠的初级视觉皮层视像整体特征识别，并将其分类结果分别与使用主成分分析法进行特征整合以及直接统计神经元发放特征的分类结果进行了对比。对比表明：该方法较其他两种方法，对于整体特征的识别准确率均有不同程度的明显提高。
关键词：初级视觉皮层；整体特征；有效响应时间区间；等度规映射
中图分类号：Q424
文献标识码：A
文章编号：1007-7847(2014)04-0286-06
动物获取外部世界的信息中，有80%以上是通过视觉途径获取的。初级视觉皮层(primary vi一sual cortex，V1区)作为视觉信息传递的两条通路中的必经区域，几乎所有的视觉信息都需经过Vl区的加工处理。
整体特征是视觉信息的基本特征之一.Vl区在处理视像整体特征的过程中发挥着不可小觑的作用。1999年，Yasuko用几何形状、人脸以及猴脸的不同表情对猴子进行刺激试验，发现视皮层V1区上最先出现一些边缘、轮廓特征，随后出现细节信息，并认为先出现的轮廓特征是用于检测外界客体的基本特征，识别和区分它所属的类别；后出现的细节信息，则用于进一步地做出类内不同个体的识别。2002年，李朝义等研究发现，在猫的Vl区中存在着一种与处理大范围复杂图形特征有关的“球状功能结构”。这种脑功能结构有效解释了Vl区形成视像整体的视觉机理，即动物首先在Vl区整合自然图像的整体特征，然后再向高级视皮层传递信息。2008年，赵松年等在功能磁共振成像(functional magnetic resonanceimaging，FMRI)试验中发现Vl区对具有相同的轮廓与形状，而细节不同的视觉刺激表现出近似不变。2013年，Petro等同样在FMRI试验中发现，利用Vl区的信息，可以区分出不同的脸型。而从VI区神经元响应中，提取与视觉信息相关的特征，是识别视觉信息的关键，对于揭示视觉信息处理的机制有着至关重要的意义。
在动物的视觉系统中，视觉信息是以神经电信号的形式进行传递的。从细胞外采集到的神经电信号中，高频的锋电位信号(Spike)是其中重要一种，主要特征包括：平均发放率和发放间隔(inter spike interval，ISI)。2002年，Freiwald等研究发现大鼠VI区的Spike的发放率可以在一定程度上反映光栅的朝向信息。2010年，Rathbu等发现将Spike发放率与ISI结合反应视觉刺激信息的稳定性比单独使用一种编码方式要高，携带信息量也更多。2008年，Bathellier等通过统计大鼠的嗅觉神经元集群的发放特征，通过PCA降维并分类，最后得到刺激气体的种类信息等。但用线性的主成分分析法(primary component analy-sis，PCA)来降维，这样易造成数据信息的丢失，Tenenbaum等在Science杂志上提出的Isomap算法，是一种非线性的流形降维方法，在计算数据点间的距离时，用测地线距离代替了欧氏距离，可以弥补线性降维方法的不足。2009年，Busse等研究了猫的Vl区神经元集群对对比度的编码情况，但在统计Spike发放率的过程中忽略了视觉刺激的有效响应时间区间。
鉴于以上问题，本文首先给出了计算有效响应时间区间的方法，确定了LE大鼠的有效响应时间区间；然后，提取了有效响应时间区间内的Spike发放特征，利用等度规映射(Isomap)进行了特征整合，进而对整合后的特征使用支持向量机(support vector machines， SVM)进行分类；最后，将该方法应用于Long Evans (LE)大鼠的初级视觉皮层视像整体特征识别，并将其分类结果分别与直接统计Spike发放特征以及使用PCA进行特征整合的分类结果进行了对比。结果表明：提取了有效响应区间后，同样用Isomap方法进行特征整合，分类的准确率得到了较大提升。其他条件相同的情况下，使用Isomap方法比使用PCA进行特征整合，最终得到的分类的准确率有明显提高。
1材料
1-1手术及电极植入
实验采用河南省实验动物中心提供的健康雄性LE大鼠(体重260～320g，10～12周龄)，手术前按照0.75mL/l00g的量腹腔注射20%的乌拉坦进行麻醉。参考大鼠脑立体定位图谱，确定Vl区的位置，并进行开颅手术。完成硬脑膜的剥除后，植入2x8的铂铱合金Microprobes微电极阵，连接数据采集系统，记录Vl区神经元放电情况。实验刺激屏幕采用戴尔LED电子显示屏20cm×15cm，分辨率1280x960，刷新频率60Hz，放置在距离大鼠眼睛22cm处。
1.2视觉刺激模式设计
Navon提出了研究视觉的整体和局部的理论，当刺激是由小图形组成的大图形时，可以认为大图形是刺激的整体特征，小图形是刺激的局部特征。本文据此设计的刺激方案如图1所示，刺激图形分别由E、F、L、T小图形组成的E、F、L、T大图形，据此理论，每一列图形具有相同的整体特征，本文中具有相同整体特征的刺激视为一类刺激。为保证实验中大鼠不受光亮强度的影响，本文统一了所有刺激图案的平均亮度。每一次实验包括图形刺激1秒钟，休息1秒钟。每一组实验包括16次实验，在一组实验中，每个图形均显示一次。
1.3动作电位的检测与预处理
数据采集系统应用Blackrock公司的Cerebus，多通道微电极阵列信号采集系统，本实验中有16个有效通道。由于动作电位属于高频信号，采集到的原始信号通过二阶巴特沃斯带通滤波器(250～5000Hz)得到连续的信号，然后采用阈值检测法提取动作电位。由于植入大鼠Vl区的多通道电极极有可能会检测到多个神经元的放电信号，因此，为了实验结果更加精确，需要对各通道的Spike信号进行分类，得到单个神经元的发放结果。, http://www.100md.com(师黎 李恒 王治忠 牛晓可)
关键词：初级视觉皮层；整体特征；有效响应时间区间；等度规映射
中图分类号：Q424
文献标识码：A
文章编号：1007-7847(2014)04-0286-06
动物获取外部世界的信息中，有80%以上是通过视觉途径获取的。初级视觉皮层(primary vi一sual cortex，V1区)作为视觉信息传递的两条通路中的必经区域，几乎所有的视觉信息都需经过Vl区的加工处理。
整体特征是视觉信息的基本特征之一.Vl区在处理视像整体特征的过程中发挥着不可小觑的作用。1999年，Yasuko用几何形状、人脸以及猴脸的不同表情对猴子进行刺激试验，发现视皮层V1区上最先出现一些边缘、轮廓特征，随后出现细节信息，并认为先出现的轮廓特征是用于检测外界客体的基本特征，识别和区分它所属的类别；后出现的细节信息，则用于进一步地做出类内不同个体的识别。2002年，李朝义等研究发现，在猫的Vl区中存在着一种与处理大范围复杂图形特征有关的“球状功能结构”。这种脑功能结构有效解释了Vl区形成视像整体的视觉机理，即动物首先在Vl区整合自然图像的整体特征，然后再向高级视皮层传递信息。2008年，赵松年等在功能磁共振成像(functional magnetic resonanceimaging，FMRI)试验中发现Vl区对具有相同的轮廓与形状，而细节不同的视觉刺激表现出近似不变。2013年，Petro等同样在FMRI试验中发现，利用Vl区的信息，可以区分出不同的脸型。而从VI区神经元响应中，提取与视觉信息相关的特征，是识别视觉信息的关键，对于揭示视觉信息处理的机制有着至关重要的意义。
在动物的视觉系统中，视觉信息是以神经电信号的形式进行传递的。从细胞外采集到的神经电信号中，高频的锋电位信号(Spike)是其中重要一种，主要特征包括：平均发放率和发放间隔(inter spike interval，ISI)。2002年，Freiwald等研究发现大鼠VI区的Spike的发放率可以在一定程度上反映光栅的朝向信息。2010年，Rathbu等发现将Spike发放率与ISI结合反应视觉刺激信息的稳定性比单独使用一种编码方式要高，携带信息量也更多。2008年，Bathellier等通过统计大鼠的嗅觉神经元集群的发放特征，通过PCA降维并分类，最后得到刺激气体的种类信息等。但用线性的主成分分析法(primary component analy-sis，PCA)来降维，这样易造成数据信息的丢失，Tenenbaum等在Science杂志上提出的Isomap算法，是一种非线性的流形降维方法，在计算数据点间的距离时，用测地线距离代替了欧氏距离，可以弥补线性降维方法的不足。2009年，Busse等研究了猫的Vl区神经元集群对对比度的编码情况，但在统计Spike发放率的过程中忽略了视觉刺激的有效响应时间区间。
鉴于以上问题，本文首先给出了计算有效响应时间区间的方法，确定了LE大鼠的有效响应时间区间；然后，提取了有效响应时间区间内的Spike发放特征，利用等度规映射(Isomap)进行了特征整合，进而对整合后的特征使用支持向量机(support vector machines， SVM)进行分类；最后，将该方法应用于Long Evans (LE)大鼠的初级视觉皮层视像整体特征识别，并将其分类结果分别与直接统计Spike发放特征以及使用PCA进行特征整合的分类结果进行了对比。结果表明：提取了有效响应区间后，同样用Isomap方法进行特征整合，分类的准确率得到了较大提升。其他条件相同的情况下，使用Isomap方法比使用PCA进行特征整合，最终得到的分类的准确率有明显提高。
1材料
1-1手术及电极植入
实验采用河南省实验动物中心提供的健康雄性LE大鼠(体重260～320g，10～12周龄)，手术前按照0.75mL/l00g的量腹腔注射20%的乌拉坦进行麻醉。参考大鼠脑立体定位图谱，确定Vl区的位置，并进行开颅手术。完成硬脑膜的剥除后，植入2x8的铂铱合金Microprobes微电极阵，连接数据采集系统，记录Vl区神经元放电情况。实验刺激屏幕采用戴尔LED电子显示屏20cm×15cm，分辨率1280x960，刷新频率60Hz，放置在距离大鼠眼睛22cm处。
1.2视觉刺激模式设计
Navon提出了研究视觉的整体和局部的理论，当刺激是由小图形组成的大图形时，可以认为大图形是刺激的整体特征，小图形是刺激的局部特征。本文据此设计的刺激方案如图1所示，刺激图形分别由E、F、L、T小图形组成的E、F、L、T大图形，据此理论，每一列图形具有相同的整体特征，本文中具有相同整体特征的刺激视为一类刺激。为保证实验中大鼠不受光亮强度的影响，本文统一了所有刺激图案的平均亮度。每一次实验包括图形刺激1秒钟，休息1秒钟。每一组实验包括16次实验，在一组实验中，每个图形均显示一次。
1.3动作电位的检测与预处理
数据采集系统应用Blackrock公司的Cerebus，多通道微电极阵列信号采集系统，本实验中有16个有效通道。由于动作电位属于高频信号，采集到的原始信号通过二阶巴特沃斯带通滤波器(250～5000Hz)得到连续的信号，然后采用阈值检测法提取动作电位。由于植入大鼠Vl区的多通道电极极有可能会检测到多个神经元的放电信号，因此，为了实验结果更加精确，需要对各通道的Spike信号进行分类，得到单个神经元的发放结果。, http://www.100md.com(师黎 李恒 王治忠 牛晓可)