[发明专利]用于产生认知节律的系统和方法

说明书

与相关申请的交叉引用

本申请要求2009年2月17日提交的题为“用于产生认知节律的系统 和方法”(System and Method for Cognitive Rhythm Generation)的美国 临时专利申请No.61/153,187和2009年4月6日提交的题为“用于产生认 知节律的系统和方法”(System and Method for Cognitive Rhythm  Generation)的美国临时专利申请No.61/166,912的优先权益，所述美国 临时专利申请的内容在此引为参考

发明领域

总的来说，本发明涉及神经编码，具体来说，涉及模拟生物系统 的时间依赖性电活动的方法、认知节律发生器以及控制或治疗类癫痫 事件的方法。

发明背景

神经编码是指在脑中感觉和其他信息如何被神经元表现。已经观 察到神经元根据次级过程的相位协调其放电活动，所述次级过程包括 神经元场振荡、外部感觉刺激和身体取向和/或位移。这种特殊形式的 神经编码被称为“相位编码”。

相位编码似乎是通用的编码特性，表现在不同生物体和过程中。 例如，啮齿动物丘脑和后脑下脚(postsubiculum)中的细胞对头部方向 敏感，并且不同神经元的活动映射到整个360度范围内的不同旋转相 位。类似地，恒河猴顶后皮层中的细胞对前庭刺激做出响应，对角度 位置、速度和加速度的混合体进行编码。在肉蝇中，视叶神经元对视 觉刺激物的移动显示出敏感性，以及优选方向随着位于肉蝇视野上方 的刺激物的位置而变化。在大鼠海马中，来自不同中间神经元组的γ- 频率活动显示出优选位于群体θ振荡的不同相位，其中轴突-轴突细胞放 电刚好在峰顶之后，始层-网状分子层(oriens-lacunosum-moleculare) 细胞在波谷激活，表达小白蛋白的篮状细胞在θ波的下降边沿放电。

相位编码的本质是动态的，因为相位关系可能随时间变化。一个 实例是相位进动现象，其是细胞相对于“位置野(place field)”放电 的现象。位置野是对应于动物环境中的特定位置的感受野。在海马中， 神经元按照位置野进行组织。相位进动被描述为神经元相对于局部θ节 律放电的时间安排的变动，使得当动物通过细胞的位置野时放电在θ周 期的较早时相发生。位置野整体经历相位进动，并被理解为构成了用 于导航的认知图(cognitive map)。许多研究暗示了相位进动对于认知 图形成和回忆的重要性。

相位选择性和相位进动是相关的，享有总的来说支撑神经相位编 码的共同构架。该构架是细胞和网络机制两者例如小分子信号传导、 突触传递、电场耦合和间隙连接耦合的产物。然而，从系统角度来看， 不需要对这些机制进行明确定性。它们的转变效应可以用功能块表示， 允许对神经编码进行高水平描述而不必考虑微观性质或连通性。非线 性系统-水平性质以及因此神经编码属性的常规测量，通过鉴定Wiener 或Volterra核心模型以对系统的输入-输出动力学进行映射来实现。神经 元通路的核心模型提供了对于运动和感觉通路如何编码四肢运动、方 向、听觉和视觉信息的领悟。丘脑皮层和海马回路中输入-输出的关系 也使用类似模型进行映射。

然而，脑既是复杂的信号处理器，也是系统内部节律信号的发生 器。因此，使用纯粹的生成模型(例如没有输入的耦合振荡器模型) 或纯输入-输出映射(例如Volterra核心模型)不能充分描述脑。尽管核 心模型获得成功，但它们不能解释所有形式的神经活动。例如，核心 模型不能解释缺少外部触发物的自发活动，以及具有不确定记忆的活 动例如固有振荡。脑中的节律携带信息，它们在神经编码和交流中的 作用不能被忽略。某些神经编码现象例如相位进动，严格依赖于群体 振荡的存在。例如，在空间导航期间发生与θ节律(3-10Hz)相位协调 的γ活动(30-80Hz)，并且其与海马位置野的形成有牵连。在慢波睡 眠过程(＜1Hz)中发生叠加在尖波上的超γ波纹(100-300Hz)，其被 表明参与皮层中记忆的巩固。皮层和海马回路的节律性可归因于由独 立节律性的神经元亚群构成的耦联网络振荡器之间的相互作用。