鸽子位置细胞功能网络对目标导向路由信息的动态表征机制研究

Network of animals' place cells plays a routing role in goal-directed navigation task. The underlying neural information encoding, integrating and transforming mechanism remains poorly understood. This project, integrates goal-directed navigation behavioral experiments and high-density microelectrode arrays detection technology, will investigate the dynamic representation mechanism of place cells functional network on goal-directed information with the pigeon as the object. Firstly, the place cells which can sparsely characterize the task space are selected as nodes to build the functional network. Secondly, the dynamic function connection of nodes is analyzed based on the temporal phase structure measure of multi-channel neural signals. The network dynamics features that characterize routing information will be extracted and the corresponding mechanism of information processing will be parsed. Thirdly, the route dynamic encoding mechanism of network will be studied to determine the quick response mode of how to switch place cells encoding sequences among different path. Finally, for quantifying the dynamic route encoding mechanism with representation of position cells functional network, an encoding and trajectory prediction model will be established, and the results will be evaluated and optimized combining with experiments. The results of this project will deepen the understanding of spatial navigation neural mechanisms in various of animals. Meanwhile, it is applicable in area of the animal robots and the bio-inspired robots.

动物位置细胞网络被发现在目标导向导航任务中起到路由功能，但其神经信息编码、整合与传递的机制目前并不清楚。本项目以鸽子为模式动物，结合目标导向导航行为学实验与高密度微电极阵列检测技术，研究位置细胞功能网络对目标导向信息的动态表征机制。首先，以能够稀疏化表征任务空间的不同位置细胞为节点，构建功能网络；在此基础上，基于多通道神经信号时相结构测度分析网络节点的动态功能连接关系，提取表征路由信息的网络动力学特征，解析相应信息处理机制；进而研究网络的路由动态编码机制，确定位置细胞功能网络在不同路径编码序列之间切换的快速应答模式；最后建立位置细胞功能网络编码与运动轨迹预测模型，并进行实验评估优化，以期量化描述位置细胞功能网络对路由信息的动态编码机制。本项目研究结果将深化人们对不同物种动物空间导航神经机制的理解，同时在动物机器人、仿生机器人等领域具有重要的应用价值。

为了解析鸽子目标导向行为中路由信息的动态表征机制，本课题组在海马区（hippocampus, Hp）和弓状皮质尾外侧区（nidopallium caudolaterale, NCL）开展了系列实验和深入分析研究，在设定场景和任务下，发现一些有意义和价值的结果和结论，具体如下：.(1) 在Hp区发现了位置细胞，位置野形成与目标具有较大的依赖关系，有目标比无目标环境更易形成位置野，而且位置野也更稳定。与哺乳动物Hp区位置细胞响应特性不同，鸽子位置细胞一般都有多个位置野，而且大部分位置野都有重叠。.(2) 构建了位置细胞功能网络，并通过对位置细胞功能网络拓扑特性分析发现，目标导向空间认知任务中不同位置细胞位置野往往呈现出功能聚集特点。这一结果表明位置细胞在进行特定位置表征时不仅自身放电活动会显著增加，也会使位置细胞之间的连接变得更加紧密。.(3) 首次证实了Hp区和NCL区在鸟类目标导向行为中的重要作用。Hp区主要编码了当前位置和目标位置信息；NCL区则侧重于对路由信息的编码，发现了其响应时间窗及响应的特征频带；这一发现对于确定抉择信息和行为预测具有重要意义。.(4) 发现了Hp区与NCL区的信息传递依赖于目标的存在；信息传递所处的时间窗和两脑区之间信息传递的频带；进一步发现，两脑区信息传递的信息流向是由Hp区到NCL区。.(5) 构建了位置细胞功能网络状态空间编码模型，给出一种基于粒子滤波算法的动物运动轨迹预测方法及轨迹预测的限定条件。该模型考虑了位置细胞之间的功能连接关系，使输出结果与实测结果更加一致。. 研究成果发表期刊论文32篇，国内外会议论文15篇，授权国家发明专利5项，该研究将深化对动物空间导航神经机制的理解，同时在动物机器人、仿生机器人等领域具有重要的应用价值。

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