神经元放电序列熵编码的研究
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2020-01-06
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神经元放电序列熵编码的研究
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郭强，田心
天津医科大学生物医学工程系，天津（300070）
E-mail：tianx@tijmu.edu.cn
摘 要：本文提出了对神经元放电进行非线性的 Shannon 熵编码表达的算法，对神经元的爆
发放电和节律放电两类仿真序列进行了熵编码，并研究了带宽的选择问题。结果显示，以上
两类放电序列具有不同的熵编码模式。另外，本文对重复经颅磁刺激（repetitive transcranial
magnetic stimulation ，rTMS）前后的颞叶癫痫大鼠的熵编码进行了探讨，为研究 rTMS 对
癫痫病灶脑区神经元放电的影响打下基础。
关键词：神经元放电；Shannon 熵；神经编码；颞叶癫痫大鼠；重复经颅磁刺激
1．引言
神经编码是指神经信息在传递和表达时所采用的一系列规则与机制，在对神经编码规律
的认识过程中, 形成了各种不同的编码方法。
Adrian 于 1926 年首先提出了神经元放电的频率编码理论。其基本观点是：神经元放电
序列的编码是以放电频率为依据的，即通过放电频率携带信息。但频率编码理论存在局限性：
首先，其信息传输率很低；其次，频率编码难以迅速解码；第三，由于在频率编码理论中神
经元只能以放电频率的高低来反映刺激的强弱，从而使其对包含多个参数的刺激进行编码十
分困难。因此，Abeles 于 1982 年提出了时间编码理论。与频率编码不同，时间编码理论认
为神经元放电序列的时间模式中蕴涵着丰富的动态信息。近年来，时间编码理论得到了越来
越多实验证据和理论研究的支持
[1] [2]
。结合时间编码和频率编码能更好的表达神经元放电的
动态规律
[3]
。
由于神经放电信息是非线性的，因此，应用传统的统计方法，诸如应用方差等二阶统计
量来表达非线性的响应有局限性。信息学的发展为神经编码提供了新的技术途径，例如应用
Shannon熵来进行神经编码的表达，因为Shannon熵是随机事件不确定性及信息量的量度
[4]
，
又可以反映由偏度、峰度代表的不规律性，因此适合表达非线性的神经元放电编码。本文对
神经元的爆发放电和节律放电两类仿真序列进行了熵编码，并研究了带宽的选择问题。结果
显示，以上两类放电序列具有不同的熵编码模式。
磁刺激是一种能够在神经深层处产生感应电流,从而影响相应脑部神经细胞的无创方法,
它具有穿透力强、非侵入性和无痛感等优点。经颅磁刺激对脑神经的影响,是神经科学关注
的前沿研究之一。本实验室宋毅军曾研究过rTMS对颞叶癫痫大鼠颞叶和海马细胞凋亡的影
响
[5]
，研究表明,适量的rTMS能抑制颞叶癫痫大鼠的细胞凋亡,减轻细胞凋亡所致神经元坏死,
减少神经元细胞“丢失”,从而对癫痫所致的脑部损伤有保护作用。为进一步研究rTMS对颞叶
癫痫大鼠的作用，本文对rTMS前后的颞叶癫痫大鼠的熵编码进行了探讨，为研究rTMS对癫
痫病灶脑区神经元放电的影响打下基础。
2. Shannon熵编码原理
对于有n个信元{
1
x ,
2
x ,…,
n
x }的信息源，如果各信元出现的概率分别表示为
1
p ,
2
p ,…,
n
p ,则Shannon熵定义为
[6]
：
1
国家自然科学基金（60474074）、教育部博士点基金资助项目
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