當(dāng)工作記憶負(fù)載達到容量極限時多通道腦電的因果連接.pdf

1、目的:
　　工作記憶（Working Memory，WM）是重要的認(rèn)知功能之一，當(dāng)工作記憶負(fù)載增加到容量極限時，行為學(xué)錯誤增加。為什么達到容量極限以后工作記憶功能下降是神經(jīng)科學(xué)關(guān)注的重要問題。本論文從神經(jīng)信號因果連接的角度，以健康受試者在不同工作記憶負(fù)載下的因果連接為研究對象，研究當(dāng)工作記憶負(fù)載增加，直至容量極限時，多通道腦電（multi-channel electroencephalographs，EEGs）因果連接的變化規(guī)律，

2、為研究工作記憶容量極限的腦網(wǎng)絡(luò)機制提供支持。
　　方法:
　　1.實驗數(shù)據(jù)：16名健康受試者，年齡在19-30歲，分別記錄每名受試者在視覺工作記憶模式下負(fù)載從1到6的32通道EEGs和工作記憶行為學(xué)數(shù)據(jù)，每個工作記憶負(fù)載下16名受試者共208次實驗數(shù)據(jù)。
　　2.工作記憶行為學(xué)的分析：16名受試者在工作記憶負(fù)載1-6的反應(yīng)時間、正確率，計算工作記憶容量極限。
　　3.數(shù)據(jù)預(yù)處理：去除原始EEGs中的基線漂移、工頻

3、干擾、垂直和水平眼電造成的偽跡等。
　　4.時頻與空間分布分析：應(yīng)用短時傅里葉變換對每個通道EEG進行時頻分析，研究工作記憶的關(guān)鍵通道和特征頻段。提取特征頻段分量。計算特征頻段能量的空間分布。
　　5.計算工作記憶EEGsθ頻段的定向傳遞函數(shù)（directedtransform function，DTF）：基于多變量頻域Granger因果分析方法，分別計算16名受試者在工作記憶負(fù)載為1-6時工作記憶任務(wù)中，EEGsθ頻段分量

4、的定向傳遞函數(shù)DTF。
　　6.構(gòu)建因果網(wǎng)絡(luò)，計算因果連接強度：基于DTF矩陣構(gòu)建的因果網(wǎng)絡(luò)，計算全腦的因果連接強度（DTFglobal）；計算3個腦區(qū)（額區(qū)、中央?yún)^(qū)、頂區(qū)）內(nèi)部、3個腦區(qū)之間的因果連接強度；計算因果連接強度的空間分布。
　　7.統(tǒng)計學(xué)分析：采用單因素方差分析方法，分析工作記憶負(fù)載1-6下16名受試者的208次實驗結(jié)果之間的差異，組間兩兩比較采用Student Newwan Keuls檢驗。
　　結(jié)果:

5、
　　1.工作記憶負(fù)載1-6的行為學(xué)結(jié)果
　　工作記憶負(fù)載1到6的反應(yīng)時間分別為：388.04±13.26ms、476.99±6.89 ms、566.99±16.42 ms、643.08±9.69 ms、725.59±39.03 ms、803.48±29.78 ms（p<0.001）。
　　工作記憶負(fù)載1到6的行為正確率分別為：97.78±0.94％、96.95±1.11%、95.77±0.51%、95.83±1.48

6、%、85.56±2.17%、83.75±2.13%（p<0.001）。
　　16名受試者的平均工作記憶容量極限為4.13±0.15。
　　2.工作記憶負(fù)載1-6的EEGs時頻與能量的空間分布
　　在工作記憶延遲階段，EEGs的能量主要集中于θ頻段（4-8 Hz），主要集中于額葉，θ頻段的能量會隨著工作記憶負(fù)載從1到4而增加，負(fù)載從4到6而趨于平穩(wěn)。
　　3.工作記憶負(fù)載1-6的EEGsθ頻段的因果連接
　　

7、3.1因果矩陣
　　當(dāng)工作記憶負(fù)載從1增加到4時，額-頂區(qū)和額區(qū)內(nèi)部的因果連接增強，當(dāng)工作記憶負(fù)載超過容量極限，從4到6時，因果連接減弱。
　　3.2因果連接強度
　　全腦的因果連接強度 DTFglobal：工作記憶負(fù)載從1到6分別為0.0136±0.0007、0.0143±0.0005、0.0148±0.0004、0.0154±0.0004、0.0144±0.0006、0.0135±0.0005（p<0.001），工

8、作記憶負(fù)載從1到4時，DTFglobal增加，在工作記憶負(fù)載為4時達到最大，工作記憶負(fù)載從4到6時，DTFglobal減小。
　　額區(qū)內(nèi)部的因果連接強度 DTFFF：工作記憶負(fù)載從1到6分別為0.0182±0.0021、0.0197±0.0018、0.0213±0.0018、0.0276±0.0029、0.0236±0.0022、0.0236±0.0023（p<0.001），工作記憶負(fù)載從1到4時，DTFFF增加，在工作記憶負(fù)載為

9、4時達到最大，工作記憶負(fù)載從4到6時，DTFFF減小。當(dāng)工作記憶負(fù)載從1增加到6時，中央?yún)^(qū)、頂區(qū)內(nèi)部的因果連接強度 DTFCC、DTFPP均無顯著變化（p>0.05）。
　　工作記憶負(fù)載從1到6時額區(qū)到中央?yún)^(qū)、額區(qū)到頂區(qū)的因果連接強度（DTFCF、DTFPF）。DTFCF：工作記憶負(fù)載從1到6分別為0.0147±0.0017、0.0148±0.0019、0.0155±0.0017、0.0195±0.0025、0.0174±0.00

10、19、0.0169±0.0018（p<0.001）。DTFPF：工作記憶負(fù)載從1到6分別為0.0112±0.0018、0.0128±0.0019、0.0136±0.0020、0.0186±0.0024、0.0156±0.0020、0.0153±0.0018（p<0.001）。DTFCF、DTFPF呈現(xiàn)出相同的趨勢：在工作記憶負(fù)載從1到4時增加，在工作記憶負(fù)載為4時達到最大，在工作記憶負(fù)載從4到6時減小。
　　3.3因果連接的空間分

11、布：最強的因果連接主要集中于額葉中線區(qū)（Fz通道），且會隨著工作記憶負(fù)載改變。
　　結(jié)論:
　　1.從行為學(xué)結(jié)果計算，工作記憶容量極限為4，負(fù)載從4開始，行為學(xué)正確率顯著下降。
　　2.工作記憶的特征頻段為θ頻段，θ頻段能量分布的關(guān)鍵腦區(qū)為額區(qū)。
　　3.工作記憶EEGsθ頻段在額區(qū)、額區(qū)到頂區(qū)之間存在明顯的因果連接；工作記憶負(fù)載從1到4時因果連接增強，在容量極限達到最大值，當(dāng)工作記憶負(fù)載超過容量極限時因果連接下