设为首页
加入收藏
求医中医药网
www.qe.cn
站内搜索
［中图分类号］R338.8［文献标识码］A
［文章编号］1000-1530-（2000）06-0533-03
A study on high-speed detection of favored pattern in spike trains
WANG Ming
(Department of Medical Physics)
GU Yun-Hui,SUN Ze-Jin,GUO Tao
(Department of Physiology,Peking University,Beijing100083,China)
ABSTRACTObjective:To develop a high-speed detection method for picking up favored pattern(FP) in spike trains and to examine its efficiency.Methods:On the basis of the “modified detection method”,various procedures was used to speed up the detection and several indexes to examine its efficiency.Results:(1) Detection thresholds of simulated patterns with three different degrees of variation were 2,indicating that the method is sensitive.(2) The largest CV(coefficient of variation) of FP-lengths and interval lengths in the FP repetitions were 5% and 17% respectively,less than 20% (the “tolerance of variation” used),indicating that this is reliable.(3) The number of different FPs in the long spontaneous spike train was relatively stable,whereas in evoked spike trains the number of different FPs either increased or decreased with the firing rate.(4) FPs could be identified from all spike trains detected (detection rate:100%),and the computing time used for analyzing a spike train containing 1200～1500 spikes was 2～3 seconds.Conclusion:The newly developed “high-speed detection method” may be a very useful tool for the study of neural coding.
KEY WORDSSpike trains； Favored pattern;Neurons/physiol;Electrophysiology
神经系统内信息传递靠神经元接替完成：化学突触处的传递依靠神经递质，而神经纤维进行长距离信息传递则靠动作电位的传导。因此，如何提取和分析神经放电串中隐含的信息是神经科学、信息科学等多门学科的重要课题。长期以来，对于检测单个神经元放电串内部结构隐含的信息一直缺乏理想的方法。80年代Dayhoff等［1，2］提出了用量化Monte Carlo和模板法提取神经元放电串中的优势模式（favored pattern,FP，可能代表神经系统信息传递的电编码）。我校生理系电生理研究室与中国科学院电子所合作在此基础上作了改进和补充，在国内首次建立了“改进的FP检测法”，既提高了检测速度（检测时间缩短了三分之一）和检出率（接近100％），又进一步证实了FP的存在［3,4］。本工作拟在上述基础上，采取各种措施建立“快速FP检测法”，并用多个指标检验其检测效果。
1材料与方法
1.1新建立的“快速FP检测法”
神经元放电串中“快速FP检测法”包括以下步骤：(1)用计算机对数据采样：将记录在磁带上的放电脉冲信号先输入到 DAB-1100 (Nihon kohlen )的窗口鉴别器选取单个神经元的放电脉冲，经整形成等幅方脉冲后再输入微机采样，以数字序列的形式存于计算机，采样点间隔为4 μs；(2)制作非序列时间间隔直方图，根据时间间隔分布的峰值定量化的带宽值，对神经元放电串的各个放电间隔进行量化；(3)用滑移法在3～6个间隔的范围内寻找各种可能的神经元放电间隔排序模式，保留那些重复率在3此以上的间隔组合作为原始序列子集；(4)采用C语言程序库自带的随机数据发生器产生的伪随机数打乱原始脉冲序列的排列次序；(5)再次用滑移法寻找各种可能的组合值形成随机组合集,将随机组合集与原始序列子集进行比较，如果在打乱后的序列中某个子集的出现率大于该子集在原始序列中的出现率则淘汰此子集；(6)反复进行过程3～5共99次，确认优势模式；(7)分别计算反复出现多次的同一模式（不包括多一个和少一个脉冲的模式）中的各个间隔时间的平均值，从而得到平均模板，以此模板用容差法在原始序列中滑移匹配，以确定其在原始序列中的出现率；(8)数据存档。
1.2模拟脉冲串中内FP检出阈的测定（灵敏度检验）
模拟3种神经元放电脉冲脉冲串中不同的FP，分别插入随机序列串中（白噪声），并加以检测；然后对这3种模拟FP的放电间隔值分别按各间隔长的5％，10％进行改变，再进行检测；能被检出的FP的最低插入次数即为该FP的检出阈。
1.3单个神经元放电串的记录
实验用乌拉坦麻醉，箭毒制动，人工呼吸的雄性Wistar 大鼠。细胞外记录A1区（A1 area,A1）和延髓头端腹外侧区（rostral ventrolateral medulla,RVLM）神经元自发放电；并向臂旁核（nucleus parabrachialis,NPB）内注入神经元胞体兴奋剂L-谷氨酸（L-glutamate,Glu）0.2 μl含3.8μg,10s内匀速注射毕；NPB兴奋神经元兴奋时，可通过其投射纤维作用于RVLM神经元，使之放电增加，记录该诱发放电。详细的外科手术、细胞外记录神经元放电技术，记录和注射部位的定位等，见以往我们相应的工作［5］。自发和诱发神经元放电串被记录在磁带上，供FP检测之用。
2结果
2.1模拟“真实神经元放电串中不同FP”的检出阈
表1显示3种模拟FP：其间隔长不变，或按5％或10％变动时，都只需在随机序列串（白噪声）中插入该FP2次（检测阈）就能被“快速FP检测法”检出。表明该法很敏感。
表1间隔长具有3种不同程度变动的模式的检出阈
Table 1Detection thresholds of simulated patterns with three different degrees of variation
No Simulated pattern t(quantizationbinwidth)/ms Detection threshold t(quantization of
Interval length)/ms Sequence of quantized
interval length *σ=0 *σ=5% *σ=10% < (of interval lenth) 1 1,1,1,1 1,1,1 ,1 1 2 2 2 2 38,36,1341,65,52 1,1,38,21,1 35 2 2 2 3 493,192,148 14,5,4 35 2 2 2
*σ,standard deviation of pattern interval lengths.Simulated pattern No.1，corresponding to the fast component of the real favored pattern of a nucleus reunien neuron (Re26-1).Simulated pattern No 2， corresponding to one of the real favored patterns of a sympathetic preganglionic neurons (SPN 66-1).Simulated pattern No 3， corresponding to the slow component of the real favored pattern of a HP(nucleus hypothalamicus posterior) neuron(HP 03-2).2.2自发放电串中不同FP的全长和所含不同间隔的长度在重复出现时之变异系数
用“快速FP检测法”测得A1（n=6）和RVL（n=6）神经元自发放电串中重复出现的FP的全长及FP所含各间隔的长度之变异系数，其最大值分别为5％和17％，两者均小于检测系统规定的20％容差；表明所使用的容差值是合适的，所得结果是可靠的。
2.3RVL神经元诱发放电串不同FP总数的变化
图1A显示向NPB内注射Glu导致RVLM神经元放电率增加（n=4），同时不同FPs总数也明显增多（图1B），与NPB内注射生理盐水（nomal saline,NS）组比较分别具有显著性（P＜0.05）和极显著性（P＜0.01）差异（双侧t检验），注射Glu后5min，上述变化逐渐恢复到注射前水平。
2.4“快速FP检测法”与“改进的FP检测法”的比较(表2)
表2显示二者相比较，检出率相同（均为100％），但前者检测速度明显加快。
