大鼠前額葉皮層多通道局部場電位和鋒電位的頻譜相干對工作記憶事件的編碼.pdf

1、目的：大腦不同模態(tài)神經信號的相互協(xié)同對工作記憶事件的編碼是神經科學、認知科學、信息科學的交叉研究領域之一。本文研究大鼠在工作記憶任務中，工作記憶責任腦區(qū)(前額葉皮層)檢測到的兩類不同模態(tài)的多通道神經信號：連續(xù)時間序列形式的多通道局部場電位(Local Field Potentials，LFPs)和離散點電位序列形式的多通道鋒電位(Spikes)之間的協(xié)同，及其對工作記憶事件的編碼。本論文應用LFPs-Spikes的動態(tài)頻譜相干(Dyna

2、mic SpectrumCoherence，DSC)編碼方法研究其對工作記憶事件的協(xié)同編碼模式，為研究工作記憶的神經編碼機制提供實驗和神經計算的支持。
　　 方法：⑴實驗動物為中國醫(yī)學科學院放射醫(yī)學研究所實驗動物中心SD大鼠20只(8-10周，300-350g)，基于清醒動物在體微電極陣列多通道采集技術，應用cerebus-128在體多通道信號采集系統(tǒng)，記錄大鼠在Y迷宮工作記憶任務中前額葉皮層多通道神經信號。⑵大鼠的工作記憶訓練

3、按照國際規(guī)范進行：每天訓練2次，1次10個訓練任務，每個任務包括大鼠對Y迷宮方向的自由選擇和反向選擇各1次，用秒表計下每次任務開始和完成時間，兩次選擇間隔5-10s。訓練持續(xù)進行直到大鼠連續(xù)2天工作記憶任務的正確率都大于80％作為學會的標準，即已形成工作記憶。⑶大鼠麻醉后固定在立體定位儀上，選擇前額葉皮層(以bregma點為參考，向前2.5-4.5mm，旁開0.2-1.0mm)開一個矩形窗口，植入16通道微電極陣列，到達目標腦區(qū)顱骨下2

4、.5-3mm.后，用牙科水泥固定。術后恢復5-7天，就開始測試。⑷應用Cerebus-128多通道神經信號在體記錄系統(tǒng)記錄每只大鼠在Y迷宮工作記憶任務過程中前額葉皮層的多通道神經信號。每次測試記錄一個完整的工作記憶任務過程。⑸對多通道原始記錄數(shù)據進行低通濾波(0.3-500Hz)，獲得多通道LFPs。利用加權最小二乘的局部線性回歸與擬合方法消除多通道LFPs信號中夾雜的基線漂移與工頻干擾，剔除原始數(shù)據差分記錄中的參考通道和漂移過大通道，

5、獲取零均值多通道LFPs，是連續(xù)時間序列。對多通道原始記錄數(shù)據進行高通濾波(500-7500Hz)，再經過鋒電位檢測和離線除噪，得到多通道Spikes，是離散點電位形式，離散時間序列。⑹因為動態(tài)頻譜相干編碼適用于連續(xù)信號，而多通道Spikes中每一個通道的Spikes序列是離散的“點電位”，因此本論文的首先將離散Spikes的“點電位”通過神經元頻率編碼的方式轉換為連續(xù)信號。選取生理窗口窗寬500ms、窗口移動步長為125ms，從初始點

6、開始，計算行為事件參考點前后每通道每個窗口內平均發(fā)放率{r(t)}i，并且進行頻率編碼和計算其平均發(fā)放個數(shù)。⑺基于微電極陣列的物理順序，將數(shù)據預處理后的每一根電極對應的LFPs和連續(xù)化后的Spikes，進行配對，得到多通道LFPs-Spikes數(shù)據對。⑻選取生理窗口500ms，移動步長為125ms，從初始點開始逐個應用離散正交扁球序列(Discrete Prolate Spheroidal Sequences，DPSS)對單通道LFPs

7、-Spikes序列加窗，計算每個滑動窗口內單通道LFPs-Spikes數(shù)據對的頻譜相干值，進而計算多通道LFPs-Spikes的動態(tài)頻譜相干值。
　　 結果：①20只大鼠中17只在Y迷宮中工作記憶任務正確率隨著訓練次數(shù)的增多而提高，訓練10天之后正確率都保持在80％以上。其余3只大鼠因不能適應Y迷宮環(huán)境及花生氣味無法完成工作記憶任務而剔除。②對17只訓練成功的大鼠前額葉皮層進行在體多通道微電極陣列植入手術，記錄大鼠在Y迷宮中完成

8、工作記憶任務時多通道神經信號。③同時記錄到LFPs和Spikes并且通道數(shù)大于12的大鼠共2只，完成工作記憶任務超過百次：1號大鼠14通道，2號大鼠15通道；3號-6號分別有5，5，6，7通道；④僅記錄到LFPs的大鼠5只，僅記錄到Spikes的大鼠4只，這9只大鼠因無法完成LFPs和Spieks的配對而剔除；⑤其余2只大鼠沒有記錄到LFPs和Spikes而剔除。⑥多通道LFPs的頻譜編碼：多通道LFPs頻譜地形圖顯示，多通道LFPs的

9、能量主要分布在0.3-15Hz。⑦多通道Spikes頻率編碼：多通道Spikes頻率編碼地形圖顯示，多通道Spikes的平均放電率峰值出現(xiàn)在第2-4s。⑧1號大鼠10次重復工作記憶任務中，多通道LFPs-Spikes在第2-4s，0.3-15Hz的頻譜相干值(0.6507±0.012)與其他時間和頻率頻譜相干值(0.3182±0.0265)，經t檢驗，有統(tǒng)計學差別(P<0.05)。2號大鼠10次重復工作記憶任務中，多通道LFPs-Spi

10、kes在第2-4s，0.3-15Hz的頻譜相干值(0.6541±0.0071)與其他時間和頻率頻譜相干值(0.3248±0.0061)，經t檢驗，有統(tǒng)計學差別(P<0.05)。
　　 結論：⑴大鼠前額葉皮層的多通道LFPs-Spikes在第2-4s，0.3-15Hz的頻譜相干值明顯高于其他時間(P<0.05)，表明不同模態(tài)的多通道神經信號在第2-4s，0.3-15Hz發(fā)生了固定相位的振蕩，有效地編碼工作記憶事件；并且在工作記憶時