小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法、系统、设备及应用

1.本发明属于计算神经科学技术领域，尤其涉及一种小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法、系统、设备及应用。


背景技术：

2.目前，复杂尖峰和简单尖峰作为小脑浦肯野细胞的两种响应模式，从早期观测以来，记录的数据显示复杂尖峰的起始部分十分稳定，但是后面小穗的变化很大。同时由于复杂尖峰的发放频率通常在1至2hz，并夹杂在发放频率为100hz以上的简单尖峰之中，对于复杂尖峰的识别较为困难。复杂尖峰识别方法的研究能够加深对复杂尖峰形态特征的理解，而且有助于促进浦肯野细胞响应机制的研究。
3.虽然现存许多关于复杂尖峰和简单尖峰的研究，但是这些研究存在如下问题。传统实验中，对于复杂尖峰的识别主要依赖于伴随复杂尖峰的短暂放电暂停，此特征便于识别，但是由于暂停的时长变化较大，目前缺乏具体的参数标准，当复杂尖峰形态变化较大时无法准确识别；在处理浦肯野细胞的大量响应波形数据时，对于复杂尖峰的提取尚缺乏一种行之有效的方法。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)传统实验中，对于复杂尖峰的识别主要依赖于伴随复杂尖峰的短暂放电暂停，但是由于暂停的时长变化较大，目前缺乏具体的参数标准，当复杂尖峰形态变化较大时无法准确识别。
6.(2)在处理浦肯野细胞的大量响应波形数据时，对于复杂尖峰的提取尚缺乏一种行之有效的方法，导致在小脑浦肯野细胞的响应机制研究方面无法采用计算机技术快速提取分析大量复杂尖峰数据，研究进展缓慢。
7.解决以上问题及缺陷的难度为：小脑浦肯野细胞的生理特性决定了复杂尖峰发放频率较低，因此难以通过实验对大量数据的分析得出复杂尖峰特征。
8.解决以上问题及缺陷的意义为：复杂尖峰识别方法的研究不仅能够加深对复杂尖峰形态特征的理解，而且有助于促进浦肯野细胞响应机制的研究。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法、系统、设备及应用。
10.本发明是这样实现的，一种小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法，所述小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法包括：
11.利用攀援纤维突触刺激浦肯野细胞；根据浦肯野细胞响应波形的初始尖峰所处的幅值范围进行初步筛选；对响应波形第一、二尖峰响应差值和间隔时间的共有特征进行分析，设定二次筛选条件，从而得到复杂尖峰的识别方法。
12.进一步，所述小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法包括以下步骤：
13.步骤一，刺激浦肯野细胞获得复杂尖峰响应波形；
14.步骤二，基于获得的小脑浦肯野细胞复杂尖峰响应波形，构建复杂尖峰需满足的阈值范围条件；
15.步骤三，以复杂尖峰初始尖峰与第二小穗电位的差值与响应间隔时间作为筛选复杂尖峰的条件；
16.步骤四，根据所述条件筛选出的响应波形即作为小脑浦肯野细胞的复杂尖峰响应，所述条件即是复杂尖峰的识别方法。
17.进一步，步骤一中，所述刺激浦肯野细胞获得复杂尖峰响应波形，包括：
18.(1)采用电流钳方式输入电流控制细胞初始电压稳定，公式如下：
[0019][0020]
其中，i表示输入的电流，amp表示电流强度，del表示触发时间、dur表示持续时间。电流i直接注入到细胞体soma内部。
[0021]
(2)攀缘纤维突触刺激的电流可以由具备指数上升和下降性质的电导g所控制，在细胞初始电压稳定的条件下通过激发攀援纤维突触刺激，获得复杂尖峰响应，公式如下：
[0022]
i＝g*(v
‑
e)；
[0023]
其中，v代表细胞膜电位，即细胞初始电压。e代表细胞的反转电位，这里取值为0。当实验时间t未到达突触刺激时刻onset时g＝0，当实验时间t到达onset后，公式如下：
[0024][0025]
其中，tau0和tau1分别代表突触最大电导的上升时间和衰减时间；amp由下式定义：
[0026]
amp＝adjust*g
max
；
[0027]
其中，g
max
是最大电导，本模型g
max
是1.22ns，adjust由下式定义：
[0028][0029]
其中tpeak由下式得出：
[0030][0031]
进一步，步骤二中，所述基于获得的小脑浦肯野细胞复杂尖峰响应波形，构建复杂尖峰需满足的阈值范围条件，公式如下：
[0032]
v＝[v
min
,v
max
]；
[0033]
其中，v表示复杂尖峰初始尖峰电位，v
min
和v
max
分别表示复杂尖峰需满足的最小电位和最大电位，v
min
＝
‑
25mv，v
max
＝10mv。
[0034]
进一步，步骤三中，所述以复杂尖峰初始尖峰与第二小穗电位的差值与响应间隔时间作为筛选复杂尖峰的条件，包括：
[0035]
(1)复杂尖峰初始小穗响应峰值需大于第二小穗峰值，设定δv为小穗尖峰差值，
公式如下：
[0036]
δv＝v1‑
v2＞11mv；
[0037]
其中，v1、v2分别表示复杂尖峰初始小穗和第二小穗响应峰值，取差值作为δv；若δv小于11mv则可判定该波形不属于复杂尖峰，否则进行下一步，判断波形第二小穗响应电位是否大于
‑
45mv，若大于则继续下一步处理。
[0038]
(2)相邻的第一、二响应电位峰值时刻的间隔需小于时间δt，δt的计算公式如下：
[0039]
δt＝t1‑
t2；
[0040]
其中，t1、t2分别表示复杂尖峰初始小穗和第二小穗达到峰值的时间，δt取值为1.5ms。
[0041]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法的小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别系统，所述小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别系统包括：
[0042]
复杂尖峰响应波形获取模块，用于通过刺激浦肯野细胞获得复杂尖峰响应波形；
[0043]
阈值范围条件构建模块，用于基于获得的小脑浦肯野细胞复杂尖峰响应波形，构建复杂尖峰需满足的阈值范围条件；
[0044]
复杂尖峰条件筛选模块，用于以复杂尖峰初始尖峰与第二小穗电位的差值与响应间隔时间作为筛选复杂尖峰的条件；
[0045]
复杂尖峰响应筛选模块，用于根据所述条件筛选出的响应波形即作为小脑浦肯野细胞的复杂尖峰响应，所述条件即是复杂尖峰的识别方法。
[0046]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0047]
刺激浦肯野细胞获得复杂尖峰响应波形；基于获得的小脑浦肯野细胞复杂尖峰响应波形，构建复杂尖峰需满足的阈值范围条件；以复杂尖峰初始尖峰与第二小穗电位的差值与响应间隔时间作为筛选复杂尖峰的条件；根据所述条件筛选出的响应波形即作为小脑浦肯野细胞的复杂尖峰响应，所述条件即是复杂尖峰的识别方法。
[0048]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0049]
刺激浦肯野细胞获得复杂尖峰响应波形；基于获得的小脑浦肯野细胞复杂尖峰响应波形，构建复杂尖峰需满足的阈值范围条件；以复杂尖峰初始尖峰与第二小穗电位的差值与响应间隔时间作为筛选复杂尖峰的条件；根据所述条件筛选出的响应波形即作为小脑浦肯野细胞的复杂尖峰响应，所述条件即是复杂尖峰的识别方法。
[0050]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别系统。
[0051]
本发明的另一目的在于提供一种所述的小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别系统在计算神经科学领域浦肯野细胞响应机制分析中的应用。
[0052]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过攀援纤维突触刺激细胞获得复杂尖峰响应波形；分析多种细胞复杂尖峰波形初始尖峰的幅值，获得复杂尖峰波形初始尖峰应处于的幅值区间；分析不同形态的浦肯野细胞中复杂尖峰波
形第一、二尖峰响应差值和间隔时间的共有特征，将特征参数作为识别条件，进而得到一种小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法。本发明对复杂尖峰识别方法的研究不仅能够加深对复杂尖峰形态特征的理解，而且有助于促进浦肯野细胞响应机制的研究。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0054]
图1是本发明实施例提供的小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法流程图。
[0055]
图2是本发明实施例提供的小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法原理图。
[0056]
图3是本发明实施例提供的小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别系统结构框图；
[0057]
图中：1、复杂尖峰响应波形获取模块；2、阈值范围条件构建模块；3、复杂尖峰条件筛选模块；4、复杂尖峰响应筛选模块。
[0058]
图4是本发明实施例提供的十种浦肯野细胞复杂尖峰响应趋势图。
[0059]
图5是本发明实施例提供的十种细胞复杂尖峰第一、二尖峰差值示意图。
[0060]
图6是本发明实施例提供的十种细胞复杂尖峰第一、二尖峰响应间隔示意图。
具体实施方式
[0061]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0062]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法、系统、设备及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0063]
如图1所示，本发明实施例提供的小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法包括以下步骤：
[0064]
s101，刺激浦肯野细胞获得复杂尖峰响应波形；
[0065]
s102，基于获得的小脑浦肯野细胞复杂尖峰响应波形，构建复杂尖峰需满足的阈值范围条件；
[0066]
s103，以复杂尖峰初始尖峰与第二小穗电位的差值与响应间隔时间作为筛选复杂尖峰的条件；
[0067]
s104，根据所述条件筛选出的响应波形即作为小脑浦肯野细胞的复杂尖峰响应，所述条件即是复杂尖峰的识别方法。
[0068]
本发明实施例提供的小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别方法原理图如图2所示。
[0069]
如图3所示，本发明实施例提供的小脑浦肯野细胞复杂尖峰识别系统包括：
[0070]
复杂尖峰响应波形获取模块1，用于通过刺激浦肯野细胞获得复杂尖峰响应波形；
[0071]
阈值范围条件构建模块2，用于基于获得的小脑浦肯野细胞复杂尖峰响应波形，构建复杂尖峰需满足的阈值范围条件；
[0072]
复杂尖峰条件筛选模块3，用于以复杂尖峰初始尖峰与第二小穗电位的差值与响
应间隔时间作为筛选复杂尖峰的条件；
[0073]
复杂尖峰响应筛选模块4，用于根据所述条件筛选出的响应波形即作为小脑浦肯野细胞的复杂尖峰响应，所述条件即是复杂尖峰的识别方法。
[0074]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0075]
如图2所示，本发明根据小脑浦肯野细胞复杂尖峰响应趋势建立一种识别复杂尖峰的方法，包含以下步骤：
[0076]
步骤1：获得浦肯野细胞复杂尖峰响应波形；
[0077]
步骤2：基于获得的小脑浦肯野细胞复杂尖峰响应波形，构建复杂尖峰需满足的阈值范围条件；
[0078]
步骤3：根据复杂尖峰初始尖峰与第二小穗电位的差值与响应间隔时间作为筛选复杂尖峰的条件。
[0079]
在具体实施时，获得浦肯野细胞复杂尖峰响应波形的步骤如下：
[0080]
采用电流钳方式输入电流控制细胞初始电压稳定，公式如下：
[0081][0082]
其中，i表示输入的电流，amp表示电流强度，del表示触发时间、dur表示持续时间。电流i直接注入到细胞体soma内部。
[0083]
攀缘纤维突触刺激的电流可以由具备指数上升和下降性质的电导g所控制，在细胞初始电压稳定的条件下通过激发攀援纤维突触刺激，获得复杂尖峰响应。公式如下：
[0084]
i＝g*(v
‑
e)
[0085]
其中，v代表细胞膜电位，即细胞初始电压。e代表细胞的反转电位，这里取值为0。当实验时间t未到达突触刺激时刻onset时g＝0，当实验时间t到达onset后，公式如下：
[0086][0087]
其中tau0和tau1分别代表突触最大电导的上升时间和衰减时间。amp由下式定义：
[0088]
amp＝adjust*g
max
[0089]
其中g
max
是最大电导，本模型g
max
是1.22ns，adjust由下式定义：
[0090][0091]
其中tpeak由下式得出：
[0092][0093]
随后，构建复杂尖峰需满足的阈值范围条件。公式如下：
[0094]
v＝[v
min
,v
max
]
[0095]
其中，v表示复杂尖峰初始尖峰电位，v
min
和v
max
分别表示复杂尖峰需满足的最小电位和最大电位。本发明中v
min
＝
‑
25mv，v
max
＝10mv。
[0096]
最后，以复杂尖峰初始尖峰与第二小穗电位的差值与响应间隔时间作为筛选复杂尖峰的条件。包括：
[0097]
(1)复杂尖峰初始小穗响应峰值需大于第二小穗峰值，本发明设定δv为小穗尖峰差值，公式如下：
[0098]
δv＝v1‑
v2＞11mv
[0099]
其中，v1、v2分别表示复杂尖峰初始小穗和第二小穗响应峰值，取差值作为δv。若δv小于11mv则可判定该波形不属于复杂尖峰，否则进行下一步，判断波形第二小穗响应电位是否大于
‑
45mv，若大于则继续下一步处理。
[0100]
(2)相邻的第一、二响应电位峰值时刻的间隔需小于时间δt，δt的计算公式如下：
[0101]
δt＝t1‑
t2[0102]
其中，t1、t2分别表示复杂尖峰初始小穗和第二小穗达到峰值的时间。本发明中δt取值为1.5ms。
[0103]
根据以上条件筛选出的响应波形即作为小脑浦肯野细胞的复杂尖峰响应，以上条件即是复杂尖峰的识别方法。
[0104]
本发明实施例提供的十种浦肯野细胞复杂尖峰响应趋势图如图4所示，本发明实施例提供的十种细胞复杂尖峰第一、二尖峰差值示意图如图5所示，本发明实施例提供的十种细胞复杂尖峰第一、二尖峰响应间隔示意图如图6所示。
[0105]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0106]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。