【摘 要】
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在目标导向的空间导航中,从当前位置到目标位置的路由执行是最重要的任务之一。但是大脑如何表征路由执行过程中的关键信息,以支持路由的形成与调整,目前仍不清楚。为了研究目标导向路由形成与调整过程中的神经表征及解码问题,本文以具有卓越空间认知和导航能力的鸽子为模式动物,设计了多路由选择的目标导向行为实验范式,同步采集了路由形成与调整过程中的行为学数据和多脑区神经信号,基于多模态神经信号分析手段、复杂网络理
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在目标导向的空间导航中,从当前位置到目标位置的路由执行是最重要的任务之一。但是大脑如何表征路由执行过程中的关键信息,以支持路由的形成与调整,目前仍不清楚。为了研究目标导向路由形成与调整过程中的神经表征及解码问题,本文以具有卓越空间认知和导航能力的鸽子为模式动物,设计了多路由选择的目标导向行为实验范式,同步采集了路由形成与调整过程中的行为学数据和多脑区神经信号,基于多模态神经信号分析手段、复杂网络理论、数据建模方法和多尺度神经解码模型,重点讨论了鸽子关键脑区海马区（hippocampus,Hp）、弓状皮质尾外侧区（nidopallium caudolaterale,NCL）及其构成的局部网络在路由执行过程中的作用,以揭示目标导向路由形成与调整过程中Hp-NCL回路的神经表征规律,取得的创新性研究成果归纳如下:1.揭示了Hp-NCL回路在路由形成过程中的神经表征规律:Hp通过特异性增强的theta频段功能连接,NCL通过显著降低的多频段功能连接,共同参与路由形成过程中的神经编码;Hp与NCL通过theta介导的交互机制实现通信。分析了鸽子稳定路由形成过程中的行为数据及Hp和NCL内的神经表征模式,发现其时频和功能连接特性的规律性变化表征了路由形成进程,主要表现为双脑区时频能量的逐渐降低,Hp的theta连接特异性增强与NCL连接的普遍降低;探索了Hp-NCL网络连接特性在路由形成过程中的动态表征作用,发现鸽子的路由形成与增强的theta频段Hp-NCL网络连接显著相关,信息流的主导方向为从NCL到Hp;进一步构建了线性混合效应模型,实现了对Hp-NCL网络内theta频段功能连接特性与稳定路由形成指数间关系的量化描述,以及对鸽子路由形成程度的有效预测。2.解析了Hp-NCL回路在路由调整过程中的神经表征规律:Hp功能连接的高频活跃和低频抑制与NCL功能连接的高频活跃,共同表征了空间认知失调;Hp与NCL通过协同增强的gamma交互实现路由调整需求下的跨脑区通信。分析了路由调整实验中的行为学指标,发现鸽子在应对首选路由被封锁的空间环境突然变化时陷入了空间认知失调;分析了实验不同阶段双脑区的网络连接模式,发现空间认知失调与Hp和NCL频段特异性网络连接的选择性变化相关,主要表现为Hp连接的高频活跃和低频抑制及NCL连接的高频活跃;进一步完成了不同实验阶段下Hp-NCL网络连接模式的差异性分析,发现鸽子Hp-NCL网络的连接强度和流向模式伴随失调行为而变化,主要表现为协同增强的gamma交互;基于上述网络连接特征进行空间认知状态的多元判别分析,实现了对失调前、中、后三种认知状态的有效判别,变量分析结果证实了Hp网络低频theta频段、NCL网络高频gamma频段及Hp-NCL网络gamma频段连接特性在表征认知状态差异时的特异性贡献。3.提取了Hp-NCL回路内神经元、集群和网络尺度上的神经信息特征,构建了基于特征融合策略的多尺度神经解码模型,显著提升了解码性能,验证了多尺度神经信息对路由选择行为的联合表征作用。分别基于Hp-NCL回路内的锋电位发放率、场电位时频特性和网络连接模式等不同尺度上的神经信息,分析了它们对鸽子目标导向路由选择行为的联合表征作用;分别提取Hp、NCL及其组成的局部网络内的多尺度神经信息特征,提出了面向多模态高维神经数据的快速降维方法,兼顾对无关信息和冗余信息的去除,高效解决了高维数据集的降维难题;提出了基于神经信息特征融合策略的多尺度神经解码模型,有效整合了不同尺度的神经信息;对基于单尺度特征和多尺度融合特征的路由选择行为解码效果进行了全面的对比评估,基于多尺度融合特征的解码精度显著高于其他尺度上的结果。本文的研究工作揭示了鸽子目标导向路由形成与调整的神经表征规律,实现了融合多尺度神经信息特征的路由选择解码,对深化理解鸽子目标导向行为的神经机制和丰富大脑空间导航的理论体系具有重要价值,对促进导航行为相关的神经解码研究和启发式仿生导航建模具有积极意义。
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