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计算机应用

!"#$%&’() * (+ 环境下神经信号的采集和分析系统
南 京 大 学 生 物 科 学 与 技 术 系 $ !#""19 % 南 京 大 学 电 子 科 学 与 工 程 系 $ !#""19 %


温云卿 王建军 黄晓林 宁新宝

要: 介绍了神经放电信号的一些特征, 并 介 绍 了 针 对 +,-./0* 1’ 2 13 操 作 系 统 的 特 点 所 设 神经信号的甄别 中断 虚拟设备驱动程序
将 此 信 号 采 集 进 计 算 机 内 。计 算 机 的 任 务 是 对 神 经 细 胞的放电信号进行分析处理、 存储实验数据、 显示和 输出处理结果。 软 件 系 统 是 基 于 +,-./0* 1’ 2 13 环 境 自 编 的 信 号 采集和分析系统, 可以做出神经细胞放电信号的刺激 后 时 间 直 方 图 和 锋 电 位 时 间 间 隔 直 方 图 。为 了 让 系 统 在 +,-./0* 1’ 2 13 下 能 可 靠 工 作 , 我 们 针 对 数 据 采 集 卡 编 写 了 虚 拟 设 备 驱 动 程 序 。 通 过 )87 对 硬 件 操 作 , 既可以使程序稳定可靠地对硬件设备进行读写, 又可 以满足实时处理信号的要求。

计的一种神经信号实时采集和分析硬、 软件系统, 该系统为分析神经信号提供了一种基本的方法。 关键词: 神经信号

在神经生物学研究中, 常常需要把微电极插到脑 中神经细胞附近, 记录单个神经细胞的放电 $即动作 电位% 活动,以了解神经细胞的正常功能和异常变 化。神经细胞的放电是一种尖锋状脉冲式数字信号, 波 幅 约 #"" & #’" () , 持 续 时 间 约 # & ! (* , 重复频率最 高 可 达 数 百 赫 兹 。神 经 细 胞 在 静 息 时 存 在 不 规 则 的 基 础放电活动, 在受到刺激后会发生反应, 表现为其放 电频率在基础放电背景上的增高或者降低, 而这些增 高 或 降 低 的 部 分 则 代 表 了 有 效 的 神 经 信 息 。由 于 神 经 细胞对刺激的反应会在刺激后某个固定的时间段出 现, 而基础放电则是随机出现的, 因而目前常用的处 理神经信息的办法是对神经细胞进行多次重复的刺 激, 同时把其对每次刺激的反应结果叠加起来, 做成 所谓“ 刺激后时间直方图” 和“ 锋电位间隔直方图” , 从 而 将 这 种 有 效 信 息 的 统 计 学 规 律 显 现 出 来 。根 据 研 究 工 作 的 需 要 , 我 们 开 发 了 一 套 基 于 +,-./0* 1’ 2 13 系 统 的 神 经 信 号 采 集 和 分 析 系 统 。该 系 统 能 够 满 足 神 经生物学研究的需要, 并具有一定的推广前景。

!"! 系 统 中 各 硬 件 的 设 计 !"!"! 窗 口 甄 别 器
由于神经细胞在脑内是处于容积导体之中, 因而 被微电极拾取到的往往是不止一个神经细胞的放电 信 号 。窗 口 甄 别 器 的 作 用 在 于 可 以 使 实 验 者 根 据 神 经 放电信号的幅度设置电平窗口, 从几个幅度不一的神 经细胞放电中有选择地获取某一个细胞的放电信号, 使计算机能够准 并 将 所 选 取 的 信 号 转 换 成 445 脉 冲 , 确 地 加 以 识 别 。窗 口 甄 别 器 实 质 上 是 一 个 施 密 特 触 发 器, 但为适应于神经生物学实验的需要而增设了一些 附加电路, 如窗口线增辉发生和调节电路、 刺激伪迹 抑 制 电 路 和 445 信 号 输 出 的 音 响 电 路 等 。图 ! 为 窗 口 甄 别 器 作 用 示 意 图 。凡 进 入 甄 别 窗 口 内 的 神 经 细 胞 放 电信号均可触发施密特电路, 从而在仪器的输出端获

! 系统构成
整个系统由硬件系统和软件系统两大部分构成。 硬件系统主要包括微电极放大器、 窗口甄别器、 数据 将玻璃微电极插 采集卡和微型计算机。如图 # 所示, 入动物脑中拾取神经细胞的放电信号, 并由微电极放 大 器 将 信 号 放 大 。经 放 大 后 的 神 经 细 胞 放 电 信 号 送 入 窗口甄别器进行信号的选取和波形的转换, 然后将转 换 后 所 获 得 的 与 神 经 细 胞 放 电 信 号 一 一 对 应 的 445 脉冲信号送入数据采集卡,通过卡上的 6 2 7 转换器

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《 电子技术应用》!""# 年第 # 期

计算机应用
得 一 个 与 神 经 放 电 信 号 时 间 上 相 对 应 的 $$% 脉 冲 。实 验者可以根据需要调节上、 下两根窗口甄别线的高低 来选定欲采集和分析的神经放电信号, 摒弃其它不需 要的放电信号。 向系统申请一块缓冲区,用于存放中断采集的数据。 在工作过程中, 当操作系统响应数据采集卡发出的中 断请求后, 即 调 用 A8- 内 的 中 断 服 务 程 序 。 中 断 服 务 程 序 则 将 数 据 采 集 卡 2324 内 的 数 据 读 入 A8- 的 缓 存 区, 并向应用程序发送一个消息, 然后退出中断服务 程 序 。 应 用 程 序 在 接 收 到 A8- 发 来 的 消 息 后 , 通过消 息 响 应 函 数 把 A8- 缓 存 区 内 的 数 据 读 取 到 应 用 程 序 的临时数据区,然后将 & , - 转换器采集的数据按照 通道来源分配到与各个通道相对应的文档类实例的 数据区中。

!"!"# 数 据 的 采 集 和 量 化
数据的采集通过数据采集卡( 北京双 &’ #(#" 型 , 诺技术有限公司) 完成。该数据采集卡有一个最高采 样 率 为 #"" )*+ 的 & , - 转 换 器 , 量 化 精 度 为 #! ./01 。 该卡提供 ( 通道双端输入,每通道带一个采样保持 器 , 可 并 行 采 集 ( 路 信 号 。 同 时 , 卡 上 带 有 #) 字 的 当 2324 缓 存 半 满 时 , 会发出中断信号。 2324 缓 存 , 由于本系统除了采集神经细胞放电这种数字电 信号外, 还要同时采集其它的模拟电信号( 如脑电、 心 电、 肌电和血压变化等) 。为方便起见, 在信号采集模 块中把这两种性质不同的输入信号都通过 & , - 采样 方式输入计算机。另外, 由于锋电位间隔直方图分析 神 经 细 胞 放 电 信 号 需 要 有 " 5 # 61 的 时 间 间 隔 分 辨 率 , 我 们 选 择 #" )*+ , 通 道 的 采 样 率 。

!"!"$ 微 型 计 算 机 支持软件众多, 我 由 于 普 通 7’ 兼 容 机 价 格 低 廉 、 们 选 用 了 (" 8 (9 系 列 的 微 型 计 算 机 来 处 理 数 据 和 显
示处理结果。

!"# 软 件 编 程 由 于 :/;<=>1 ?@ , ?( 系 统 日 益 普 及 , 我 们 选 择 了 :/;<=>1 ?@ , ?( 系 统 为 软 件 的 系 统 平 台 。 软 件 系 统 由 A8- 、 动 态 链 接 库 和 应 用 程 序 三 个 部 分 共 同 构 成 。 在 应用程序运行在第 B 特权 :/;<=>1 ?@ , ?( 操 作 系 统 中 ,
级。如果应用程序执行了受限制指令, 特别是执行了 任务转换和中断处理等指令时, 会引发处理器产生中 断 , 结 果 :/;<=>1 系 统 将 会 给 出 错 误 信 息 , 并 可 能 终 止这一程序。因此, 对硬件的操作必须通过运行在第 与硬件无关的数据分析和处 " 特 权 级 上 的 A8- 进 行 , 理 部 分 则 可 以 交 给 应 用 程 序 完 成 。:/;<=>1 ?@ , ?( 是 分 时多任务系统,为了能及时地将数据从 & , - 转换器 的 2324 缓 存 中 取 出 , 避免因线程处于等待状态而丢 失数据,信号采集模块采用了中断采样方式采集数 据。按结构分, 可以把软件系统分为信号采集模块和 数 据 处 理 模 块 两 大 部 分 。 信 号 采 集 模 块 由 A8- 和 数 据 处 理 模 块 则 放 在 应 用 程 序 中 。信 号 采 -%% 构 成 , 集模块通过消息机制向数据处理模块传递信息, 数 据 处 理 模 块 通 过 : / ; < = > 1 的 & 7 3 函 数 - C D / E C 3 =F

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数据处理模块

如前所述, 为了揭示神经细胞对刺激反应的统计 规律, 所采集的神经细胞放电信号要被处理成刺激后 时间直方图和锋电位间隔直方图, 处理过程的流程见 图 K 。 首 先 根 据 信 号 采 集 模 块 输 入 的 $$% 脉 冲 信 号 , 计 算 出 每 次 神 经 细 胞 放 电 所 对 应 的 时 间 。对 于 刺 激 后 时间直方图, 这些时间数据被转换成放电时刻与同步 起 始 时 间 点 之 间 的 时 间 间 隔 数 据 。根 据 这 些 时 间 间 隔 数据, 将直方图上单位时间内的放电次数加和, 得到 神经细胞放电频率随时间变化的函数图, 即做成基于 单次扫描实验结果的刺激后时间直方图, 从而揭示出 神经细胞对刺激反应的统计学规律。在此基础上, 也 可以进一步做出基于多次扫描实验结果的刺激后时 间直方图, 即将每一次扫描所得到的单次扫描刺激后 时间直方图从同步起始点开始逐点地叠加起来, 绘制 成累加的刺激后时间直方图, 以更好地揭示神经细胞 对刺激反应的统计学规律。对于锋电位间隔直方图, 则根据每次神经细胞放电对应的时间, 计算出相邻两 次放电之间的时间间隔, 然后按锋电位的时间间隔做 成锋电位间隔事件分布直方图, 以揭示神经信息编码 的变化情况。与刺激后时间直方图一样, 也可以将这 种直方图做成多次扫描的累加锋电位间隔直方图。

’=;0G=HIJ完 成 与 信 号 采 集 模 块 的 数 据 通 讯 。 !"#"! 信 号 采 集 模 块 信 号 采 集 模 块 的 流 程 图 如 图 B 所 示 。 A8- 负 责 进 行实际的 3 , 4 操作, 并 完 成 中 断 采 样 。 -%% 封 装 了 应 用 程 序 与 A8- 之 间 进 行 数 据 交 换 的 接 口 。 通 过 -%% 可 以 使 应 用 程 序 和 A8- 相 对 独 立 , 便于日后软、 硬件 的 升 级 和 维 护 。A8- 在 初 始 化 的 过 程 中 , 挂钩中断, 并

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刺激后放电频率显著增高,即其对刺激产 生了兴奋反应,随后其放电频率逐渐恢复 到基础状态。图 ’ 和 ( 分别显示该细胞的 刺激前和刺激后锋电位间隔直方图,两图 的分析窗口分别显示于图 & 上方。比较 ’ 和 ( 两图,发现该细胞放电的时间间隔峰 在受到刺激后左移,提示其在刺激前后编 码的信息发生了变化。 该系统为神经生物学及其相关学科 ( 如生理学、 药理学等) 的教学和科研提 应用程序是按照文档$视结构编写的,每一个通 道对应于一个文档类实例, 每个通道的数据都存放在 对 应 于 该 通 道 的 文 档 类 实 例 中 。上 面 所 述 的 数 据 处 理 方法也放在文档类中, 每个文档用多个与该文档相关 联的视图, 来显示对同一数据进行不同方法的数据处 理所得到的结果。通过调用文档类的方法, 计算出刺 激后时间直方图数据和锋电位间隔直方图数据, 然后 在与该文档相关联的视类中绘制刺激后时间直方图 和锋电位间隔直方图, 并由文档类将每次放电的时刻 作为原始数据保存。 供了一个有力的数据分析手段,具有广泛的应用 前景。 参考文献 # 陈宜张) 神经系统电生理学)北京*人民卫生出版社, #+,! 韩济生主编) 神经科学原理) 北京*北京医科大学出
版 社 , #+++

- ./0 &123 45670 829 :;0<=92>/?@62;2A? B37 ’62>/?@6<@ CBD29B=29? .0</36E50@ ) &123 F3@=95G03=@ H F3< ) H (6=? H JK& H #++L 徐 志 海 等 ) M63 +% 下 利 用 N1O 访 问 物 理 地 址 ) 微 计 算
机应用, #++, P #+ Q - R * #!+ S #-( 收稿日期: !""" $ "T $ #% )

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! 应用实例
图 % 是 本 系 统 实 际 使 用 的 一 个 例 子 。其 中 图 & 为 刺激后时间直方图应用实例。直方图横座标是时间, 纵座标是神经细胞的放电频率, 实验记录的是一个猫 小 脑 浦 肯 野 细 胞 对 刺 激 的 反 应 。从 图 可 见 细 胞 在 受 到

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