神经群振荡的频谱分析课程设计报告

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1、课 程 设 计 报 告题 目 ： 神 经 群 振 荡 的 频 谱 分 析专 业 ： 生 物 医 学 工 程 专 业班 级 ： 生 医 2 班学 号 ： 2011061208姓 名 ： 仇 萍 萍指 导 教 师 ： 王 俊 松天 津 医 科 大 学 生 物 医 学 工 程 学 院2014 年 6 月 3 日一 、 开 题 背 景脑 电 信 号 是 大 脑 组 织 中 大 量 的 神 经 元 群 突 触 后 电 流 的 综 合 表 现 ， 可 以 分 解 为特 定 的 频 率 范 围 （ 【 delta（ 1-4Hz） 】 、 【 theta（ 4-8） Hz】 、 【 alpha（ 8-12）H

2、z】 、 【 beta（ 12-30） Hz】 、 【 （ 30-70） Hz】 ） 。 随 着 计 算 神 经 科 学 的 发 展 ，通 过 对 多 通 道 神 经 振 荡 的 建 模 及 其 同 真 实 脑 电 信 号 之 间 的 对 比 分 析 ， 可 以 从神 经 信 息 学 角 度 理 解 大 脑 节 律 产 生 的 机 制 【 1】 。NMM 首 先 由 Lopes da Slive【 2】 提 出 ， 模 型 由 相 互 连 接 的 兴 奋 性 和 抑 制 性神 经 元 组 成 ， 每 一 个 兴 奋 性 或 抑 制 性 子 群 由 一 个 含 有 静 态 非 线 性 函 数 的

3、 一 阶微 分 方 程 构 成 ， 模 型 的 生 理 意 义 明 确 。 单 通 道 的 基 本 NMM中 【 3】 ， 兴 奋 性 和抑 制 性 细 胞 相 互 作 用 ， 产 生 神 经 振 荡 ， 一 簇 细 胞 由 两 个 子 细 胞 群 构 成 ， 子 群1 和 子 群 2， 子 群 1 由 锥 体 细 胞 构 成 ， 只 接 受 兴 奋 输 入 ， 分 析 兴 奋 性 与 抑 制性 参 数 对 信 号 频 率 的 影 响 。 目 前 对 NMM的 研 究 主 要 局 限 于 单 通 道 脑 电 信 号 的动 力 学 特 性 或 双 通 道 脑 电 信 号 耦 合 ， 然 而 大

4、脑 是 一 个 相 互 连 接 的 复 杂 动 力 学系 统 ， 研 究 大 脑 各 区 域 之 间 潜 在 的 连 接 模 式 ， 对 理 解 大 脑 的 整 体 动 态 特 性 是十 分 重 要 的 。二 、 课 题 目 的学 习 应 用 信 号 与 系 统 、 生 物 建 模 的 理 论 和 方 法 构 建 神 经 群 模 型 并 进 行 仿 真 模拟 ， 并 应 用 数 字 信 号 处 理 的 理 论 和 方 法 对 神 经 群 模 型 仿 真 信 号 特 性 进 行 分析 。三 、 课 题 研 究 的 主 要 内 容1、 理 解 神 经 群 模 型 （ 神 经 群 模 型 为 例 ）

5、 的 结 构 、 物 理 意 义 、 数 学 描 述 。2、 基 于 MATLAB（ 编 程 或 Simulink） 构 建 神 经 群 模 型 ， 并 仿 真 生 成 振 荡 信 号 （ 即EEG） 。3、 对 仿 真 神 经 振 荡 信 号 进 行 频 谱 分 析 。4、 分 析 兴 奋 性 与 抑 制 性 突 触 参 数 对 神 经 振 荡 信 号 的 影 响 规 律 ： 兴 奋 性 与 抑 制 性突 触 参 数 依 次 取 不 同 值 、 仿 真 、 频 谱 分 析 ， 分 别 绘 制 振 幅 模 型 参 数 、 频 带 模 型 参 数 曲 线 。四 、 原 理 和 方 法基 于 MA

6、TLAB 编 程 和 Simulink 构 建 神 经 群 模 型 ， 仿 真 生 成 振 荡 信 号 ， 对 信 号进 行 频 谱 分 析 。五 、 步 骤 （ 包 括 计 算 程 序 流 程 框 图 ）（ 1） 建 立 神 经 群 模 型 ：单 通 道 的 基 本 NMM中 ， 兴 奋 性 和 抑 制 性 细 胞 相 互 作 用 ， 产 生 神 经 振 荡 ， 一 簇 细胞 由 两 个 细 胞 子 群 构 成 ， ， 根 据 下 表 所 给 数 据 ， 应 用 Matlab-simulink 构 建 神 经群 模 型 ：下 图 为 多 通 道 耦 合 的 神 经 群 构 成 原 理 图 ：

7、模 型 参 数 的 生 理 学 意 义 及 其 典 型 值 ：多 通 道 耦 合 的 多 动 力 学 NMM 用 微 分 方 程 表 示 为 ：根 据 以 上 构 建 出 神 经 群 的 模 型 ：Delta 模 型 ： H e=2mV， H i=15mV， te=0.15s， ti=0.15s， 仿 真 时 间为 5sAlpha模 型 ： He=3.25mV， Hi=22mV， te=0.0108s， ti=0.02s， 仿 真时 间 为 5sGama 模 型 ： He=7.5mV， Hi=150mV， te=0.0046s， ti=0.0029s， 仿真 时 间 为 5s六 、 结 果 （

8、 用 文 字 、 图 、 表 综 合 表 达 ）通 过 matlab 的 框 图 构 建 和 编 程 得 到 的 实 验 结 果 如 下 ： 左 侧 分 别 为delta， alpha， gamma 三 种 模 型 ， 右 图 分 别 为 三 种 模 型 的 频 谱 分析 图 :0 500 1000 1500 2000 2500-1000100Delta0 5 10 15 2000.51Amplitude Spectrum of DeltaFrequency (Hz)|Y(f)|0 500 1000 1500 2000 250001020Alpha0 10 20 30 40 5000.20.4

9、Amplitude Spectrum of AlphaFrequency (Hz)|Y(f)|0 500 1000 1500 2000 2500051015Gamma0 20 40 6000.20.4Amplitude Spectrum of GammaFrequency (Hz)|Y(f)|Te=0.01， Ti分 别 为 0.025、 0.03、 0.04， 其 他 参 数 相 同 时 ：0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51 Single-Sided Amplitude Spectrum of te=0.01Frequency (Hz)|Y(f)|0 5

10、10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51 Single-Sided Amplitude Spectrum of te=0.01Frequency (Hz)|Y(f)|0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51 Single-Sided Amplitude Spectrum of te=0.01Frequency (Hz)|Y(f)|Ti=0.03， Te分 别 为 0.01、 0.02、 0.04其 他 参 数 相 同 时 ：0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51Single-Sided Amplitude Sp

11、ectrum of ti=0.03 te=0.01Frequency (Hz)|Y(f)|0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51Single-Sided Amplitude Spectrum of ti=0.03 te=0.02Frequency (Hz)|Y(f)|0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51Single-Sided Amplitude Spectrum of ti=0.03 te=0.04Frequency (Hz)|Y(f)|由 得 到 的 图 像 可 知 ， 当 Ti相 同 时 ， Te越 大 ， 对 应 的 频

12、 率 越 低当 He， Te， Hi， Ti的 参 数 不 变 ， C2=分 别 为 50， 80， 150， C1=135不 变 时 ：0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51Single-Sided Amplitude Spectrum of C2=50Frequency (Hz)|Y(f)|0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51Single-Sided Amplitude Spectrum of C2=80Frequency (Hz)|Y(f)|0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51Single

13、-Sided Amplitude Spectrum of C2=150Frequency (Hz)|Y(f)|由 图 像 可 以 看 出 ， 当 其 他 参 数 保 持 不 变 ， 改 变 C1的 值 时 ， C1的 值 越 大 ， 频 率越 大当 He， Te， Hi， Ti的 参 数 不 变 ， C1=分 别 为 50， 80， 150， C1=108不 变 时 ：0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51 Single-Sided Amplitude Spectrum of C1=50Frequency (Hz)|Y(f)|0 5 10 15 20 25 30

14、 35 40 45 5000.51 Single-Sided Amplitude Spectrum of C1=80Frequency (Hz)|Y(f)|0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5000.51 Single-Sided Amplitude Spectrum of C1=150Frequency (Hz)|Y(f)|由 图 像 可 知 ， 当 其 他 参 数 保 持 不 变 ， 改 变 C2的 值 ， C2的 值 越 大 ， 频 率 越 大 。七 、 结 论 :通 过 实 验 我 们 可 以 知 道 ， 当 He 和 Hi 不 变 时 ， 分 别 改 变 Te

15、和 Ti的 值 ， 当 Ti相 同 时 ， Te越 大 ， 对 应 的 频 率 越 低 ； Te相 同 时 ， Ti越 大 ，对 应 的 频 率 越 高 ； 当 其 他 参 数 都 保 持 不 变 时 ， 只 改 变 C1或 C2的 值时 ， 可 以 发 现 ， C1、 C2的 值 越 大 ， 对 应 的 频 率 越 大 。八 、 讨 论 ：由 实 验 我 们 可 以 知 道 改 变 C1/C2的 值 时 ， 对 应 的 频 率 和 其 值 成 正 相关 ， 那 么 ， 当 改 变 C3/C4的 值 时 ， 其 他 参 数 保 持 不 变 ， C3/C4的 值 越大 ， 对 应 的 频 率 也

16、 应 该 是 越 大 。九 、 参 考 文 献【 1】 HeYan-feng,WuXiao-dong,andHanGuo-qing, etal.Frequencyspectrumanalysismethodforrecognitionofdynamometercard.ActaPetroleiSinica,2008,29(4):619-624.【 2】 曾 喆 昭 , 竺 炜 , 王 耀 南 . 一 种 基 于 神 经 网 络 算 法 的 频 谱 分 析 方法 J. 红 外 与 毫 米 波 学 报 ,2007,26(2):141-145.ZengZhe-zhao,ZhuWei,andWangYao-nan.AnalysisapproachofspectrumbasedonneuralnetworkalgorithmJ.JournalInfraredMillimeterandWaves,2007,26(2):141-145.【 3】 RaghavanS,I