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神经元的结构及其功能 神经元是具有长突触 轴突 的细胞 它由细胞体和细胞突起构成 在长的轴突上套有一层鞘 组成神经纤维 它的末端的细小分支叫做神经末梢 细胞体位于脑 脊髓和神经节中 细胞突起可延伸至全身各器官和组织中 核大而圆 位于细胞中央 染色质少 核仁明显 细胞质内有斑块状的核外染色质 旧称尼尔小体 还有许多神经元纤维 细胞突起是由细胞体延伸出来的细长部分 又可分为树突和轴突 每个神经元可以有一或多个树突 可以接受刺激并将兴奋传入细胞体 每个神经元只有一个轴突 可以把兴奋从胞体传送到另一个神经元或其他组织 如肌肉或腺体 细胞膜 胞体的胞膜和突起表面的膜 是连续完整的细胞膜 除突触部位的胞膜有特异的结构外 大部分胞膜为单位膜结构 神经细胞膜的特点是一个敏感而易兴奋的膜 在膜上有各种受体和离子通道 二者各由不同的膜蛋白所构成 形成突触部分的细胞膜增厚 膜上受体可与相应的化学物质神经递质结合 膜的离子通透性及膜内外电位差发生改变 胞膜产生相应的生理活动 兴奋或抑制 细胞核 多位于神经细胞体中央 大而圆 异染色质少 多位于核膜内侧 常染色质多 散在于核的中部 故着色浅 核仁l 2个 大而明显 细胞变性时 核多移向周边而偏位 细胞质 位于核的周围 又称核周体 其中含有发达的高尔基复合体 滑面内质网 丰富的线粒体 尼氏体及神经原纤维 还含有溶酶体 脂褐素等结构 具有分泌功能的神经元 胞质内还含有分泌颗粒 如位于下丘脑的一些神经元 尼氏体 尼氏体 又称嗜染质 是胞质内的一种嗜碱性物质 在一般染色中岛被碱性染料所染色 多呈斑块状或颗粒状 它分布在核周体和树突内 而轴突起始段的轴丘和轴突内均无 尼氏体的形态结构可作为判定神经元功能状态的一种标志 神经原纤维 在神经细胞质内 存在着直径约为2 3 m的丝状纤维结构 在银染的切片体本可清晰地显示出呈棕黑色的丝状结构 此即为神经原纤维 在核周体内交织成网 并向树突和轴突延伸 可达到突起的未消部位 其生理功能主要参与胞质内的物质转运活动 接近微管表面的各种物质流速最大 微管的表面有动力蛋白 它本身具有ATP酶的作用 在ATP存在状态下 可使微管滑动 从而使微管具有运输功能 脂褐素 常位于大型神经无核周体的一侧 呈棕黄色颗粒状 随年龄增长而增多 经电镜和组织化学证实为次级溶酶体形成的残余体 其内容物为溶酶体消化时残留的物质 多为异物 脂滴或退变的细胞器 突起 树突树突是从胞体发出的一至多个突起 呈放射状 胞体起始部分较粗 经反复分支而变细 形如树枝状 树突的结构与脑体相似 胞质内含有尼氏体 线粒体和平行排列的神经原纤维等 但无高尔基复合体 一般电镜下 树突棘内含有数个扁平的囊泡称棘器 树突的分支和树突棘可扩大神经元接受刺激的表面积 树突具有接受刺激并将冲动传入细胞体的功能 轴突每个神经元只有一根胞体发出轴突的轴突表面的细胞膜 称轴膜 轴突内的胞质称轴质或轴浆 轴质内有许多与轴突长袖平行的神经原纤维和细长的线粒体 但无尼氏体和高尔基复合体 因此 轴突内不能合成蛋白质 轴突成分代谢更新以及突触小泡内神经递质 均在胞体内合成 通过轴突内微管 神经丝流向轴突末端 轴突的主要功能是将神经冲动由胞体传至其他神经元或效应细胞 轴突传导神经冲动的起始部位 是在轴突的起始段 沿轴膜进行传导 主要功能 组成神经系统的基本元件 接受刺激 信息整合功能 信息储存功能 传递信息 脑电信号的产生机制 获取和分析方法 脑电信号是生物电信号的一种 生物电的科学解释是指生物细胞的静电压 以及在活组织中的电流 如神经和肌肉中的电流 生物细胞用生物电储存代谢能量 用来工作或引发内部的变化 并且相互传导信号 生物学家认为 组成生物体的每个细胞都像一台微型发电机 一些带有正电荷或者负电荷的离于如钾离子 钙离子 钠离子 氯离子等 分布在细胞膜内外 使得细胞膜外带正电荷 膜内带负电荷 当这些离子流动时就会产生电流 并造成细胞内外电位差 脑电信号 EEG 是脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映 其包含了大量的生理与病理信息 并可以用许多特征量来描述其特征信号 脑电信号的时 频特征分析可以有效地提取其特征量 EEG本质上是非线性时间序列 脑电信号的采集方式 从破坏性上可分为两类 有创和无创 有创采集方式由于要进行开颅手术而对大脑有一定的损伤 无创采集方式就不需要这种手术 从而对人脑没有什么损害 有创采集方式具体可分为完全植入型和皮层表面电极 完全植入型就是将电极植入到大脑皮层中 而皮层表面电极型则是将电极放在大脑皮层的表面而不是真正植入大脑 侵入式BCI 又称植入式BCI 是一种有损型脑电采集技术 利用直接脑神经接口技术 通过外科开颅手术将电极阵列植入颅内 直接记录或刺激大脑神经元 从而实现和外界环境的交互 通过植入这些微装置于颅内神经中枢 可以更精准地监测大脑的活动 研究大脑机能 治疗脑部疾病 控制外部设备等 还有一种无损植入型技术是非侵入式BCI 非侵入式BCI使用头皮电极记录大脑活动产生的EEG信号 非侵入式BCI系统可以实现简单 无损的脑机交互 侵入式BCI和非侵入式BCI相比 侵入式BCI有损伤 但精确 频域分析 功率谱估计功率谱分析是EEG信号处理最常用工具 源于傅氏变换 它的前提是平稳随机信号 对非平衡随机信号而言 不同时刻的谱分析结果是不同的 目前常用的方法之一是以短时间断数据的傅氏变换为基础的周期法 具体做法是把实际淮信号在时域上分段 并看作是准平稳的 每段取傅氏变换后的幅频特性平方再乘以适当的窗函数 作为该信号的功率谱估计 但此法频率分辨率差 存在边瓣泄漏 谱估计方差大等问题 AR参数模型谱估计AR模型首先选择最佳阶次问题 常用的定阶准则有信息论准则 AIC 最终预测误差准则 FPE 等 阶次确定后按信号数据列与它的估计量之间均方误差最小准则 求取ak值 AR系数的算法有Yule Walker Burgalgorithm LeastSquares等 各有利弊 双谱分析双谱函数只包含了信号的相位信息 但未给出相位信息 对于高斯随机分布而言 双谱作为随机信号偏离高斯分布的一个测度 经过对实际EEG数据检验表明 不同功能状态下的EEG对高斯分布的偏离度有较大差别 时域分析 直接从时域提取特征是最早发展起来的方法 因为它直观性强 物理意义比较明确 因此仍有不少脑电图医生或技师使用 过去的EEG分析主要靠肉眼观察 这可以看作是人工时域分析 时域分析主要用来直接提取波形特征 如过零截点分析 直方图分析 方差分析 相关分析 峰值检测及波形参数分析 相干平均 波形识别等等 小波变换 小波变换因为具有 1 多分辨率 多尺度 2 品质因数 即相对带宽 中心频率与带宽之比 恒定 3 适当地选择基本小波 可使小波在时 频两域都具有表征信号局部特征的能力 当使用较小尺度时 时轴上观察范围小 而在频域上相当于用较高频率做分辨率较高的分析 即用高频小波做细致观察 当使用较大尺度时 时轴上观察范围大 而在频域上相当于用低频小波作概貌观察 因此小波变换被誉为 数学显微镜 人工神经网络 ANN 分析 神经网络可用作自发脑电 EEG 分析 分析的目的是为了检测EEG尖波和癫痫发作 输入方式可以使用原始信号模型和特征参数模型 目前有利用小波变换和人工神经网络相结合的方法来检测EEG信号中的棘波和尖波成分 利用小波变换 WT 对基于ANN的EEG棘波检测系统的输入进行预处理 从而在不减少信号的信息内容和降低检测性能的前提下减少ANN的输入规模 非线性动力学分析 近年来 随着非线性动力学的发展 越来越多的证据表明大脑是一个非线性动力学系统 脑电信号可以看作是它的输出 因此人们尝试把非线性动力学的一些方法 如分维数 Lorenz散点图 Lyapunov指数 复杂度等用于脑电信号分析 以期获得对大脑的新的认识 脑电信号的Lorenz散点图是指以脑电信号相邻两采样点的前一点值为横坐标 后一点值为纵坐标绘制而成的图 资料表明 癫痫病人脑电信号相邻采样点的值较为接近且整段脑电信号的值的分布范围较大 而正常人脑电信号的Lorenz散点图中的点大多分布在一个范围较小的椭圆形区域 脑对信息的处理 主要研究为脑对视觉信息处理 学习与记忆 意识产生等1 视觉信息处理机制是既平行又分级串行的信息处理机制 视系统组织成不同的通路对视觉信息的不同侧面进行传递和处理 大脑对信息的处理 2 学习与记忆 对学习的神经学机制研究主要是坎德尔对海兔的敏感化和经典条件反射实验得到的 学习与连接感觉神经细胞和产生保护性反射肌群活化的神经细胞之间的突触加强有关 短期记忆与长期记忆均发生在突触部位 LTP和LTD的调节 3 意识