基于视通路多感受野朝向性关联的轮廓检测方法

基于视通路中各层次的感受野特性以及层次间感受野的关联特性,提出一种图像轮廓检测新方法。根据神经元的放射状树突接收特性,构建检测空间差异性信息的视网膜神经元网络,对轮廓信息进行前级编码;建立LGN细胞的非经典感受野调节机制,结合感受野的层次变换特性,对前级编码结果进行全局调节;提出简单细胞的多感受野朝向性关联模型,模拟初级视皮层简单细胞的方向选择特性;融合多个方向上的轮廓响应,经过非极大值抑制和阈值处理,得到轮廓检测结果。以RuG图库40幅图片为实验对象,检测结果与基准轮廓图的平均P指标为0.43,结果显示该方法能够有效凸显主体轮廓,强化轮廓与纹理边缘的区分度。利用多感受野的层次关联特性,实现图像轮廓信息的编码与检测应用,为研究高级视皮层的图像理解和视觉认知提供新的思路。     

基于神经元颜色拮抗与动态编码的轮廓检测方法

基于神经元的颜色拮抗特性及神经元群体的动态编码机制,实现对图像的轮廓检测。模拟视皮层下神经元的颜色单拮抗特性,引入单拮抗感受野的动态调节机制,以充分响应颜色边界和亮度边界;利用单细胞的树突极性分布,构建初级视皮层的双拮抗神经元网络,实现对特定方位的视觉刺激响应,有效提取目标轮廓;在神经元的群体感受野内,考虑神经元的动态突触连接,融合单细胞的脉冲频率响应,实现对纹理信息的抑制作用。以BSDS500图库的图像为实验对象,结果显示该方法在提取主体轮廓的过程中能有效抑制纹理信息,其对100幅图像最佳检测结果的P值指标均值和标准差为0.58±0.04,相对CORF和CO等其他对比方法,可提高轮廓提取的准确率。所提出方法可有效实现图像的轮廓检测,为利用颜色信息以及神经元之间的动态编码、实现更高级皮层的图像理解或者视觉认知提供新的思路。     

基于抑制性突触多层神经元群放电编码的图像边缘检测

图像边缘检测所获得的目标轮廓细节质量,对于后续图像分析或理解过程具有重要作用。提出一种基于视觉机制的图像边缘检测新方法:构建抑制性突触连接的多层神经元群,在待检测图像的激励下,分析7像素×7像素视觉感受野窗口内互连接神经元的脉冲放电过程,记录发放时刻进行次序编码;同时考虑神经元之间的侧向抑制作用,在选择注意机制作用下获得增强图像;之后利用Log Gabor滤波器模拟视觉系统中的方向选择特性,获取8个方向的滤波结果,经过输出层神经元群的融合处理并经灰度映射到0～255的范围后获得边缘图像。对含有丰富边缘细节特性的24幅菌落图像进行处理,其处理结果的ROC评价指标均值为0.698 4,优于PCNN法的0.659 3;从评价指标的均方差来看,该结果具有更好的一致性。另外,从信息熵评价指标来看,该方法同样具有一定的优势,能够有效提取图像的边缘信息,而且也能反映更多层次的图像细节。所提出的方法为利用视觉生理特性进行图像处理提供了崭新而有效的思路。     

基于视觉感光层功能的菌落图像多强度边缘检测研究

借鉴视觉神经系统在轮廓感知中的独特优势,提出一种基于视觉感光层功能的图像边缘检测新方法。构建以带漏感的积累发放（LIF）神经元电生理模型为基本单元的神经元网络;根据特定时间窗口内各个神经元的脉冲发放情况,对神经元的增强(ON)或抑制(OFF)类别进行判断;通过拮抗式感受野特性以及神经元激励的反馈增强模式,实现弱边缘的凸显;为克服视觉感光层所具有的适应性并凸显弱细节的对比度,对图像进行多方向、多距离尺度的移动,并融合感光层神经元网络脉冲发放率的差异信息,最后实现图像边缘的有效检测。以具有丰富边缘特性的20幅菌落图像为样本,以边缘置信度和重构相似度作为评价指标,对多强度边缘进行检测。结果表明,所提出方法可以有效完整地检测出图像多强度边缘,且其对弱边缘检测的重构相似度均值高于08,检测准确性有显著的提高(P<005)。所提出的利用生理视觉系统特性进行边缘检测,为包含多强度边缘信息的图像处理提供崭新的思路。     

基于人工视网膜神经节细胞感受野的图像边缘检测

用光电池组装一个工感受野，在一维上模拟视网膜神经节细胞的零交叉滤波特性，进一步用该工工感受野构建一个图像边缘检测系统，并成功地用系统检测到图像边缘。一与般的基于视觉原理的图像系统相比，这种以人工感受野灵基础的系统，在图像输入的同时即可并行地提取图像边缘信息，而更接近于动物视觉系统原型，此结果将为人工视觉和图像技术的发展提供新的探索。     

基于长短时程突触互补网络的边缘检测方法

边缘检测的准确性对于提升人工视觉感知系统的性能具有重要意义。构建一种具有长短时程突触互补特性的神经元网络:首先引入视锥细胞群的主导颜色拮抗特性,对待测图像的颜色拮抗通道进行加权编码,获得待测图像的初级边缘感知;然后模拟神经元群同步放电特性,定义突触动态连接的神经元作用窗口,实现对初级边缘感知的群放电时间编码;接着构建长短时程突触互补模块,基于短时程内神经元群同步放电特性和长时程内神经元放电活动时序空间依赖性,实现长短时程突触可塑性编码及互补融合;最后通过对时间信息流的编码,得到边缘响应。以根据常规微生物实验需求而采集的20幅菌落图像为实验材料,并以重构相似度MSSIM、边缘置信度BIdx及综合性指标EIdx作为评价指标。结果表明,相对于VSC、NIS和MSP等3种主流方法,该研究算法的检测结果边缘准确且漏检率较低,与人工主观观测结果较为一致;同时MSSIM、BIdx、EIdx等3个指标的均值和标准差分别为0.909 6±0.037 7、0.671 5±0.105 7、0.804 8±0.052 1,整体性能优于上述3种主流方法。通过模拟神经元群体的长短时程突触互补特性,为实现视觉感知计算模型的构建以及在图像处理中的应用提供一种新的思路。     

大鼠视皮层中脑源性神经营养因子及γ-氨基丁酸表达的年龄相关性变化

目的 比较不同年龄组大鼠初级视皮层中脑源性神经营养因子（BDNF）及抑制性神经递质γ-氨基丁酸（GABA）表达的年龄相关性变化，为探讨老年性视觉功能衰退的细胞分子机制提供线索。方法 Nissl染色显示视皮层分层并用于神经元计数；免疫组织化学法标记大鼠视皮层中BDNF及GABA免疫阳性神经元。光镜下观察并用Image-Pro Express 6.0分析软件进行细胞密度统计和免疫反应吸光度值测量。结果 青年、中年及老年组(每组n=6)大鼠初级视皮层各层的神经元平均密度差异不显著；但与青年组大鼠相比，中年组及老年组大鼠初级视皮层各层中BDNF及GABA免疫阳性神经元密度显著下降，BDNF及GABA免疫反应强度明显减弱；与中年组大鼠相比，老年组大鼠视皮层各层中BDNF及GABA免疫阳性神经元密度及其反应强度亦明显降低。在衰老过程中，大鼠初级视皮层各层内GABA表达的减少与BDNF表达的降低具有高度的相关性。结论 大鼠初级视皮层中BDNF和GABA的表达随着衰老出现进行性下降，衰老过程中BDNF分泌的减少可能引起脑内抑制性神经递质GABA表达下调，这可能是介导老年性视觉功能衰退的重要途径之一。     

基于样本熵的神经元放电脉冲间隔序列分析

目的神经元动作电位的放电脉冲间隔(interspikeinterval,ISI)序列包含丰富的时空编码信息,但这种丰富的时空编码信息所蕴含的生理信息没有得到很好的揭示,本文采用样本熵工具量化并分析 ISI序列中可能包含的生理信息.方法采用胞外多通道微电极记录猫的初级视皮层神经元对正弦光栅的反应动作电位,在不同时间尺度下采用抖动方法生成与原始动作电位序列在编码层次上等价的ISI序列,然后利用样本熵工具分析这些 ISI序列包含的生理信息,将样本熵与神经元发放率进行关联分析.本文还研究了猫初级视觉皮层细胞的方位选择性与样本熵的关系,并分析不同时间尺度对样本熵的影响.结果神经元的样本熵与发放率之间呈反相关关系,并在所有时间尺度上都显著.在猫初级视觉皮层8个细胞的方位选择性与样本熵之间的关系中,6个细胞具有显著反相关关系.而时间尺度的选择对样本熵的影响较小,呈弱反相关关系.结论基于样本熵的神经元 ISI序列分析结果表明,样本熵一定程度上反映细胞的生理信息,为研究其他神经体系动作电位包含的生理信息提供参考.     

模拟神经反馈机制的显著性计算模型

根据视觉皮层神经元的非经典感受野的调制特性,构造了模拟视觉神经网络反馈机制的显著性计算模型。该模型充分利用神经网络中的反馈机制,模拟视觉皮层神经元之间侧连接所引起的易化和抑制作用,对视频图像序列中全局运动造成的背景噪声进行抑制,从而获得视频运动对象的显著图,提取完整的运动目标。实验结果表明,该计算模型能较好地抑制视频图像序列的全局运动,获得运动对象的显著性图,有效地实现移动镜头下的运动目标检测,且显著性的计算性能高于其它计算方法。     

核呼吸因子-1在正常发育和视觉剥夺大鼠视皮层内的表达

目的:观察核呼吸因子-1(NRF-1)在正常发育及视觉剥夺大鼠视皮层内的表达.方法:构建视觉剥夺大鼠模型,利用半定量:PCR、Western blot及免疫组织化学的方法检测NRF-1在正常发育及视觉剥夺大鼠视皮层内的差异表达.结果:通过以上方法均可检测到视觉剥夺大鼠视皮层内NRF-1表达明显降低.结论:NRF-1的基因转录及蛋白表达水平依赖于正常视觉信号的刺激,异常的视觉经验使视皮层神经元兴奋性降低,造成NRF-1表达的明显下调.     

猫初级视区急性毁损对高级视区刺激诱导的c-fos蛋白表达的影响

目的:研究初级视区急性毁损对猫的高级视区刺激诱导的c-fos蛋白表达的影响,探索初级视区毁损后的残留视觉(称盲视)可能机制。方法:本研究采用免疫组织化学检测了初级视区(包括17和18区)急性毁损对猫的高级视区(包括19、20和21区)中立早基因c-fos蛋白基础表达量和刺激诱导的c-fos蛋白表达量的影响,以正常猫为对照。结果:急性毁损初级视区后,高级视区内c-fos免疫阳性神经元密度及c-fos免疫阳性反应的光吸收值(OA)在初级视区毁损猫和正常对照猫之间无显著差异;然而,双侧初级视区毁损猫的高级视区中刺激诱导的c-fos免疫阳性神经元密度比正常猫下降了92%以上,c-fos蛋白免疫阳性反应的OA值下降了78.9%以上。结论:初级视区急性毁损后高级视区的绝大多数神经元失去了对视觉刺激的反应性,因此,初级视区毁损后出现的盲视现象可能主要与皮层下中枢至高级视区的神经通路重组有关。     

单眼缝合、双眼缝合对猫视觉中枢中一氧化氮合酶阳性神经元数量与形态的影响

用ＮＡＤＰＨ－ｄ 组织化学方法观察了在生后一周内即施行单眼缝合和双眼缝合成活至１ 年的猫视觉中枢（上丘表层,外膝体和视皮层１７ 区）中的一氧化氮合酶阳性神经元数量及形态。结果显示：（１）单眼缝合或双眼缝合并不改变上丘表层中一氧化氮合酶阳性细胞的分布模式,也不影响该神经元的数量,但单眼缝合使对侧上丘表层一氧化氮合酶阳性神经元的树突野最大半径减小,树突总长度减少;而双眼缝合可使双侧上丘中一氧化氮合酶阳性细胞胞体减少,树突野最大半径以及树突总长度均明显减少。（２）单眼缝合导致外膝体非剥夺层中出现较多一氧化氮合酶阳性细胞,剥夺层少量出现,而双眼缝合却没有以上效应。（３）单眼缝合不影响视皮层１７ 区中一氧化氮合酶阳性细胞的空间分布模式以及该神经元在皮层各层中的分布密度;双眼缝合也不影响该神经元的分布模式,但可使ＮＡＤＰＨ－ｄ 黄递酶活性明显降低。提示视觉神经中枢中的一氧化氮合酶阳性神经元的活动受视网膜活动依赖性的调节,且受视觉经验的影响。     

融合感受野模块的卷积神经网络视杯视盘联合分割

青光眼是世界第一大不可逆致盲性眼病,早期诊断和及时治疗是预防青光眼致盲的有效措施。眼底图像中的杯盘比是青光眼早期筛查与临床诊断的重要指标。因此,精确的视杯视盘分割是准确计算杯盘比并提高青光眼计算机辅助诊断技术的关键。针对这一问题,在对眼底图像进行极坐标变换的基础上,提出一种融合感受野模块的卷积神经网络Seg-RFNet,以实现视杯视盘联合分割。Seg-RFNet以SegNet框架为基础,使用ResNet50作为编码层,增强图像的特征提取能力,并对编码层进行分支处理,进一步获得更多的深层语义信息;同时在编码层和解码层之间加入感受野模块,模拟人类视觉系统,在增大感受野的同时增强了有用特征的响应。使用MICCAI 2018公开数据集REFUGE中的800张眼底图像对所提出方法与其他方法进行性能验证和比较。结果表明,Seg-RFNet分割视杯和视盘的Jaccard相似度分别0.951 5和0.872 0,F分数达到了0.974 9和0.930 1,与常用的U-Net、SegNet 网络相比,Seg-RFNet具有更好的视杯视盘联合分割精度,为计算杯盘比提供了精确分割基础。     

视觉信息处理的表象结构

本世纪60年代以来,视觉研究进展很快,取得了一系列重要结果。Hubel和Wiesel关于视皮层细胞感受野的论述,Campbell和Robsen关于视觉系统空间频率通道的论述,则是其中两项最重要的研究成果。如果把视觉看成是一种信息处理过程,上述结果就形成两种不同的观点:一些人认为视皮层是特征检测器,另一些人则认为视皮层是某种空     

大鼠睁眼前初级视皮层2/3层锥体神经元突触自身稳态可塑性的变化特征

目的：通过对Wistar大鼠睁眼前初级视皮层2/3层锥体神经元突触AMPA（α-氨基-3-羧基-5-甲基异恶唑-4-丙酸）介导的微小兴奋性突触后电流 (mEPSCs)的测定分析,研究突触自身稳态可塑性在生后早期初级视皮层的作用特点。方法: 采用红外可视膜片钳技术全细胞模式记录生后4-11(d)（P4-11）Wistar大鼠初级视皮层脑片2/3层锥体神经元AMPA介导的mEPSCs,钳制电位-70 mV。人工脑脊液中加入河豚毒素（TTX）、荷包牡丹碱（BMI）及2-氨基-5-磷酸基戊酸（AP-5）分离出AMPA介导的mEPSCs,加入阻断剂6-氰基-7-硝基喹喔啉-2,3二酮 (CNQX）可消除mEPSCs。使用Clampfit 9.0进行数据分析。结果: P4至P11,大鼠初级视皮层2/3层锥体神经元AMPA介导的mEPSCs的波幅呈现上升趋势,频率自P7至P11逐渐增加,上升时间常数及下降时间常数均呈缩短趋势,以下降时间常数变化为著。P4至P7可见“单通道样”电流形态。结论: 在大鼠睁眼前初级视皮层2/3层锥体神经元亦存在突触自身稳态可塑性调节机制,其作用特点不同于睁眼后。     

基于空间独立成分分析的内源性光学成像信号提取

目的：内源信号光学成像分析方法通常使用空白本底或交混本底作为基准图像,然后将刺激条件下获得的皮层图像与基准图像相除或者相减,得到刺激条件下的皮层功能图。但是空白本底和交混本底本身是含有皮层活动信息的,二者也存在结构上的差异,说明本底方法本身可能会带来计算误差。本文的目的是探索一种不使用本底基准图像的内源信号分析方法。方法：将主成分分析与空间独立成分分析相结合,不使用本底相减方法,以自行记录的麻醉猫初级视皮层对正弦光栅刺激反应所得到的成像图像为数据源,直接提取方位功能图。结果：我们提出的基于空间独立成分分析的内源信号分析方法同样可以提取出效果较好的方位功能图。将我们得到的方位功能图与传统本底方法得到的方位功能图的轮廓进行比较,两种分析方法得到的功能构筑信息基本相同。结论：我们提出的基于空间独立成分分析的内源信号提取方法可以有效直接从原始图像提取出方位功能图。     

节制饮食增强猫视皮层γ-氨基丁酸和脑源性神经营养因子的表达

目的探讨节制饮食对猫初级视皮层内抑制性神经递质γ-氨基丁酸(GABA)和脑源性神经营养因子(BDNF)表达的影响。方法 Nissl染色示初级视皮层分层并用于神经元计数;免疫组织化学方法标记6只猫GABA和BDNF免疫阳性神经元。切片于Olympus光学显微镜下观察摄片,用Image-Pro Express 6.0软件进行细胞计数和免疫阳性反应的吸光度值统计。结果与正常饮食对照猫相比,节制饮食组猫的初级视皮层神经元平均密度无显著变化,GABA免疫阳性神经元密度显著增大,阳性反应的平均吸光度值显著升高;BDNF免疫阳性细胞的密度和阳性反应的平均吸光度值亦明显增大。结论节制饮食能显著增强猫视皮层内GABA和BDNF的表达,这可能对视皮层神经元的结构和功能有保护作用,从而延缓衰老进程。     

局部兴奋全局抑制神经元振荡网络在医学图像分割中的应用

视觉皮层神经元之间存在的局部兴奋全局抑制机制能够使神经元根据接受到的视觉信息产生相应的振荡活动。在深入分析和探讨基于此生理振荡活动的具有局部兴奋全局抑制机制的视觉皮层神经元振荡网络模型的基础之上，运用最小交叉熵原理提出了一种自动确定参数的图像分割新算法。该算法应用于医学图像分割试验中，试验结果表明，这种以生物视觉感知机理为基础的神经计算方法可有效的检测出不同目标。由于该振荡网络具有高速并行运算，便于硬件实现等特点，因此这种方法在图像实时处理中具有很大的潜力和应用前景。     

蛋白激酶α和β在视觉剥夺性大鼠视皮层中表达变化的初步研究

目的　检测蛋白激酶α和 β(PKCα、PKCβ)在正常大鼠视皮层及视觉剥夺性视皮层中的蛋白表达情况 ,为探讨视觉发育可塑性提供分子基础。方法　采用剥夺性弱视大鼠模型 ,用特异的PKCα和PKCβ抗体对脑切片进行免疫组化。 结果　正常视皮层中 ,这两种PKC同工酶在除Ⅰ层外的其余各层均有显著表达。视觉剥夺的视皮层缺乏正常视皮层那样的清晰分层。与正常视皮层比较 ,弱视眼对侧视皮层中PKCα在Ⅱ～Ⅳ层的蛋白表达广泛减少 ,PKCβ在Ⅱ～Ⅴ层的表达强度明显减弱。结论　PKCα、PKCβ的蛋白表达水平在剥夺性视皮层发育障碍过程中发生了显著改变 ,它们可能参与视皮层发育可塑性的分子机制。     

cAMP反应元件结合蛋白(CREB)在正常发育大鼠视皮层的表达研究

正常视觉信息输入对初期视皮层的发育和修饰至关重要。视觉发育的特点是存在一个关键期 ,在此期内控制信息输入将导致皮质联系的显著变化。转录因子 -c AMP反应元件结合蛋白 ( CREB)在多种有机体的信号传导通路中的枢纽作用和其参与长时程突触可塑性的生理活动提示 ,它可能参与了在视皮层发育中发挥重要作用的分子机制。本研究应用免疫组织化学方法和 Western blot技术 ,对 P14、P2 2、P3 0、P45和 P90年龄组 Sprague-Dawley大鼠视皮层内 CREB的免疫反应性进行观察和分析。结果证明 ,CREB在视皮层各层内的蛋白表达时程与视觉发育的关键期一致 ,其免疫反应性在 P2 2至 P45期间达到高水平 ,成年后的蛋白表达出现下调。结论 :视觉可塑性降低的同时存在 CREB表达的显著改变 ,但该蛋白表达改变与突触传递和可塑性的关系尚待阐明