Skip to main content
SUPERVISOR
Rasoul AmirFattahi,Mohammad Reza Ahmadzadeh
رسول امیر فتاحی ورنوسفادرانی (استاد راهنما) محمدرضا احمدزاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammadreza Salehi najaf abadi
محمدرضا صالحی نجف آبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
The simple tasks that a person performs throughout the day is controlled by the relationship between a large number of neurons in different regions of the brain; therefore, a complete interpretation of the functioning mechanisms in the brain need simultaneously records many activities of the brain with the cellular resolution. However current electrophysiological methods for recording electrical signals of neurons, such as electrode arrays, do not have this capability and can only include a small subset of neurons. One challenge in neuroscience studies is the comprehensive measurement of neuronal activity in humans or animals. One ways to overcome this problem is two-photon calcium imaging technique that can capture a large number of neurons with cellular resolution. However, the main drawbacks of this technique are the imaging frame rate, which is slower than of firing rate of the neuronal cells and low signal-to-noise ratio. Because of its invasiveness two-photon calcium imaging, it does not use for humans. so, for studying with this method we used animals with the brain-like structure of a human brain, for example mouse. As recent advances in calcium sensing technologies facilitate simultaneously imaging action potentials in neuronal populations, complementary analytical tools must also be developed to maximize the utility of this experimental paradigm; therefore, because of nonlinear relation between calcium imaging data and spiking data, providing a model for neural encoding seems necessary. In this research, we present a generative model including nonlinear functions, linear filter, spiking model and calcium kinetics model as evolution function, and a model for transformthe calcium kinetics to the fluorescence trace as observation function to encode calcium imaging data. Also, due to the spike-frequency adaptation that can cause neural coding failure, we use Morris-Lecar model with adaptation currents for spiking model. In order to estimate the parameters of the generative model, we use VB-Laplace method. Finally, the encoding model used for encoding the angle and curvature of mouse whisker in the barrel cortex during a pole localization task that result 42\\% of barrel cortex neurons encoding mouse whisker data. Because a large part of the brain’s activity is thought to be internally generated and, hence, quantifying stimulus response relationships alone does not fully describe brain dynamics; therefore, in this research, we use extended transfer entropy for extraction of neuronal connections. We will try to improve the presented neural encoding model by use the three neurons with more connection. The results indicate a better estimate of the spike rate of barrel cortex neurons in the calcium imaging data. Calcium Imaging , Generative Model , Spike Frequency Adaptation , Transfer Entropy
کارهای ساده‌ای که انسان طول در روز انجام می‌دهد به‌وسیله‌ی ارتباط میان تعداد زیادی نورون در مناطق مختلفی از مغز، کنترل می‌شوند؛ بنابراین لازمه‌ی فهم کامل مکانیسم‌های عملکردی موجود در مغز، ثبت هم‌زمان فعالیت تعداد زیادی از نورون‌های مغز با وضوح مکانی سلولی است ولی روش‌های الکتروفزیولوژی کنونی برای ثبت سیگنال الکتریکی نورون‌ها مانند الکترودهای آرایه‌ای دارای چنین قابلیتی نیستند و فقط می‌توانند زیرمجموعه‌ی کوچکی از نورون‌ها را در برگیرند. از چالش‌های کنونی در مطالعات علوم اعصاب اندازه‌گیری جامع فعالیت‌های عصبی در انسان یا حیوانات است. یکی از روش‌هایی که تا حدودی این مشکل را مرتفع نموده، روش تصویربرداری کلسیم دو-فوتون است که قادر به تصویربرداری از تعداد بسیار زیادی نورون با وضوح سلولی است. بااین‌حال اشکال‌های عمده این تکنیک نرخ فریم تصویربرداری است که آهسته‌تر از نرخ شلیک سلول‌ها عصبی است و همچنین نسبت سیگنال به نویز بسیار پایین است. به دلیل تهاجمی بودن تصویربرداری کلسیم دو-فوتون،این روش برای انسان انجام نمی‌شود؛ بنابراین برای مطالعه با این روش از حیواناتی با ساختار مغز شبیه به انسان مانند موش استفاده می‌شود. همان‌طور که پیشرفت‌های اخیر در تکنولوژی‌های سنجش کلسیم موجب افزایش پتانسیل‌های تصویربرداری هم‌زمان در جمعیت‌های عصبی شده است، ابزارهای تحلیلی مکمل برای به حداکثر رساندن استفاده از این ابزار تجربی نیز باید توسعه یابند؛ بنابراین با توجه رابطه غیرخطی میان داده‌های تصویربرداری کلسیم و داده‌های اسپایکینگ، ارائه مدلی برای کدگذاری عصبی در این داده‌ها ضروری به نظر می‌رسد. در این تحقیق یک مدل مولد شامل توابع غیرخطی، فیلتر خطی، مدل اسپایکینگ و مدل جنبش کلسیم به‌عنوان تابع تکامل و یک مدل برای تبدیل جنبش کلسیم به دنباله فلورسانس به‌عنوان تابع مشاهده برای کدگذاری داده‌های تصویربرداری کلسیم ارائه‌شده است. همچنین با توجه به خاصیت وفق پذیری نورون‌های عصبی که می‌تواند باعث شکست کدگذاری عصبی شود، مدل اسپایکینگ استفاده‌شده مدل Morris-Lecar با جریان‌های وفق پذیری است. برای تخمین پارامترهای مدل مولد ارائه‌شده از روش VB ـ لاپلاس استفاده می‌شود. نهایتا از مدل کدگذاری ارائه‌شده برای بررسی روش‌های کدگذاری زاویه و انحنای سبیل موش در قشر بشکه‌ای مغز در حین انجام یک وظیفه محلی سازی قطب استفاده می‌شود که نشان دهنده این است که ?? درصد از نورون‌های قشر بشکه‌ای مغز موش در کدگذاری داده‌های سبیل موش نقش دارند. ولی ازآنجایی‌که بخش بزرگی از فعالیت‌های مغز به‌صورت داخلی تولید می‌شوند، تنها کمی سازی ارتباطات محرک و پاسخ نورون‌ها به‌طور کامل دینامیک مغز را توصیف نمی‌کند؛ بنابراین در این تحقیق از روش آنتروپی انتقالی توسعه‌یافته برای استخراج ارتباطات نورونی استفاده می‌شود و سپس با واردکردن سه نورون با بیشترین ارتباط در مدل کدگذاری ارائه‌شده سعی در بهبود آن خواهیم داشت. نتایج به‌دست‌آمده نشان‌دهنده بهبود تخمین نرخ اسپایکینگ نورون‌های قشر بشکه‌ای مغز موش در داده‌های تصویربرداری کلسیم، هستند. 1 - تصویربرداری کلسیم، 2 - مدل مولد، 3 - وفق پذیری فرکانسی، 4- آنتروپی انتقالی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی