一种老鼠海马结构在环境认知过程中作用的分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种老鼠海马结构在环境认知过程中作用的分析方法，属于仿生学【技术领域】；通过数学方法建立老鼠海马结构的数学模型来模拟老鼠对未知环境的认知过程；建立的模型实现了海马结构中四种认知细胞的生物学功能；本发明系统的考虑了海马结构中起环境认知作用的四种细胞，当老鼠再次进入该环境时，根据位置细胞和边界细胞的激活即可判断出老鼠的当前位置和环境的边界；本发明的方法可应用到机器人导航、医学治疗、心理学等诸多领域。
【专利说明】一种老鼠海马结构在环境认知过程中作用的分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种老鼠海马结构在环境认知过程中作用的分析方法，属于仿生学【技术领域】。
【背景技术】
[0002]空间记忆是动物在环境中生存的基本功能，大脑皮层中海马结构(HippocampalFormation)承担着环境认知的任务。海马结构与老鼠的学习、记忆和认知功能有关,尤其是短期记忆和空间记忆。
[0003]海马结构由四部分组成，分别为齿状回(Dentate Gyrus)、海马角(CornuAmmonis)、下托(Subiculum)、内嗅皮质(Entorhinal Cortex)。其中海马角又分为 CA1-CA4四个区域，内嗅皮质分为1-VI6层。当老鼠处于一个环境中时，外界信息首先到达海马结构的内嗅皮质中，内嗅皮质为海马角提供主要的输入，内嗅皮质第II层将信息投射到齿状回和CA3，内嗅皮质第III层将信息投射到CAl和下托，反过来，CAl和下托又将信息反射回内嗅皮质第III层和第V层，形成一个海马回路。
[0004]在老鼠环境认知过程中，海马结构中有四种细胞起作用，按细胞被发现的时间顺序分别为位置细胞(Place Cell PC)、头朝向细胞(Head-direction Cell HD)、网格细胞(Grid Cell GC)、边界细胞(Border Cell BC)。当老鼠处于环境中特定位置时，位置细胞被激活，它与老鼠行为活动所处位置密切相关，每个位置细胞有且只有一个激活域。位置细胞主要存在于CA3区。头朝向细胞是一种头朝向依赖性神经元，放电活动只与头在水平面的朝向有关，与老鼠的位置、姿势、行为无关，每个头朝向细胞有且只有一个最佳朝向(preference angle),其激活率与老鼠头朝向的关系如图2所示,呈现高斯曲线规律。网格细胞对特定的空间位置发生重复性放电，多个放电野相互交叠成一个个节点，连接节点形成相连的三角形遍及整个老鼠遍历的空间环境，与位置细胞不同的是，每个网格细胞有多个激活域。每个网格细胞形成的网格域都具备4个基本特征:①间距(spacing):邻近节点之间的距离；②激活域大小(firing field size):网格细胞发生放电的空间范围；③位相(phase):相对于外部参考点的x轴和y轴位移；④定向(orientation):相对于外在参考坐标的倾斜度。网格域的间距沿着内嗅皮质的背腹侧轴逐渐增大，由39-73cm变化。内嗅皮质第II层中只含有网格细胞，第III到V层网格细胞与头朝向细胞共存。当老鼠在环境中遇到环境边界或者障碍物边界时，边界细胞被激活，当移除边界时，边界细胞的激活域就消失。边界细胞主要存在于内嗅皮质中，但含量不足10%。头朝向细胞为网格细胞和边界细胞提供输入，网格细胞为位置细胞提供输入。
[0005]基于四种细胞的功能，建立老鼠海马结构在环境认知中作用的数学模型，当老鼠在环境中运动时，头朝向细胞感知老鼠的运动速度和头朝向，进而传递至网格细胞和边界细胞，有关网格细胞激活域的形成目前有两大类理论模型:第一类为吸引子模型(attractor model):认为神经网络可以有多个“吸引子”，每个“吸引子”对应于空间环境中的一个位点，通过“吸引子”之间的相互作用来实现对整个空间环境的编码；第二类是振荡干扰模型(oscillatory interference mechanism):老鼠大脑内的Θ波相互干扰形成网格域。网格细胞进行信息整合后，多个网格细胞线性组合进而形成位置细胞激活域，位置域和边界细胞激活域共同形成对环境的认知。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是通过数学方法建立老鼠海马结构的数学模型来模拟老鼠对未知环境的认知过程；建立的模型实现了海马结构中四种认知细胞的生物学功能，可以将其运用于机器人导航，医学治疗，心理诊断等领域。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种老鼠海马结构在环境认知中作用的分析方法，其具体实现步骤如下，如图1所示，
[0008]SI构建一个虚拟老鼠探索室内二维空间环境，形成空间轨迹，其中，
[0009]老鼠在时刻t的运动速度为Vt
[0010]老鼠在时刻t的头朝向为Θ t
[0011]则可知老鼠在t+1时刻的位置为
[0012]X (t+1) =x (t) +Vt.dt.cos Θ t
[0013]y (t+1) =y (t) +Vt.dt.sin Θ t
[0014]其中，(x(t+1), y(t+1))为老鼠在t+1时刻的位置；(x(t), y(t))为老鼠当前时刻t的位置；vt为老鼠在当前时刻t的运动速度；dt为时间间隔；Θ t为老鼠在当前时刻t的头朝向；
[0015]S2从SI中获取老鼠的位置信息，并构建网格细胞激活域；网格细胞激活域是由三个二维空间中的余弦光栅交叠而成；
[0016]老鼠在(x，y)位置的网格细胞的激活率为
[0017]
【权利要求】
1.一种老鼠海马结构在环境认知中作用的分析方法，其特征在于:该分析方法包括如下步骤， Si构建一个虚拟老鼠探索室内二维空间环境，形成空间轨迹，其中， 老鼠在时刻t的运动速度为Vt ； 老鼠在时刻t的头朝向为Θ t ； 则老鼠在t+i时刻的位置为
X (t+1) = X (t) +vt.dt.cos Θ t
y (t+1) = y (t) +vt.dt.sin Θ t 其中，(x(t+1), y(t+1))为老鼠在t+1时刻的位置；0^)，7(0)为老鼠当前时刻t的位置；vt为老鼠在当前时刻t的运动速度；dt为时间间隔；Θ t为老鼠在当前时刻t的头朝向； S2从SI中获取老鼠的位置信息，并构建网格细胞激活域；网格细胞激活域是由三个二维空间中的余弦光栅交叠而成； 老鼠在(x，y)位置的网格细胞的激活率为
2.根据权利要求1所述的一种老鼠海马结构在环境认知中作用的分析方法，其特征在于:位置细胞与第η个网格细胞相连接时的权重为
3.根据权利要求1所述的一种老鼠海马结构在环境认知中作用的分析方法，其特征在于:所述的选择N个空间相位相同的网格细胞，其中，N > 2。
4.根据权利要求1所述的一种老鼠海马结构在环境认知中作用的分析方法，其特征在于:所述的N个吸引子，其范围为，N≥2。
【文档编号】G06F19/00GK103778332SQ201410019993
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】于乃功, 王琳, 陈焕朝, 阮晓钢, 徐丽, 李倜 申请人:北京工业大学