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

1、目的：大腦不同模態(tài)神經(jīng)信號(hào)的相互協(xié)同對(duì)工作記憶事件的編碼是神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、信息科學(xué)的交叉研究領(lǐng)域之一。本文研究大鼠在工作記憶任務(wù)中，工作記憶責(zé)任腦區(qū)(前額葉皮層)檢測(cè)到的兩類不同模態(tài)的多通道神經(jīng)信號(hào)：連續(xù)時(shí)間序列形式的多通道局部場(chǎng)電位(Local Field Potentials，LFPs)和離散點(diǎn)電位序列形式的多通道鋒電位(Spikes)之間的協(xié)同，及其對(duì)工作記憶事件的編碼。本論文應(yīng)用LFPs-Spikes的動(dòng)態(tài)頻譜相干(Dyna

2、mic SpectrumCoherence，DSC)編碼方法研究其對(duì)工作記憶事件的協(xié)同編碼模式，為研究工作記憶的神經(jīng)編碼機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)和神經(jīng)計(jì)算的支持。
　　 方法：⑴實(shí)驗(yàn)動(dòng)物為中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心SD大鼠20只(8-10周，300-350g)，基于清醒動(dòng)物在體微電極陣列多通道采集技術(shù)，應(yīng)用cerebus-128在體多通道信號(hào)采集系統(tǒng)，記錄大鼠在Y迷宮工作記憶任務(wù)中前額葉皮層多通道神經(jīng)信號(hào)。⑵大鼠的工作記憶訓(xùn)練

3、按照國(guó)際規(guī)范進(jìn)行：每天訓(xùn)練2次，1次10個(gè)訓(xùn)練任務(wù)，每個(gè)任務(wù)包括大鼠對(duì)Y迷宮方向的自由選擇和反向選擇各1次，用秒表計(jì)下每次任務(wù)開(kāi)始和完成時(shí)間，兩次選擇間隔5-10s。訓(xùn)練持續(xù)進(jìn)行直到大鼠連續(xù)2天工作記憶任務(wù)的正確率都大于80％作為學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)為參考，向前2.5-4.5mm，旁開(kāi)0.2-1.0mm)開(kāi)一個(gè)矩形窗口，植入16通道微電極陣列，到達(dá)目標(biāo)腦區(qū)顱骨下2

4、.5-3mm.后，用牙科水泥固定。術(shù)后恢復(fù)5-7天，就開(kāi)始測(cè)試。⑷應(yīng)用Cerebus-128多通道神經(jīng)信號(hào)在體記錄系統(tǒng)記錄每只大鼠在Y迷宮工作記憶任務(wù)過(guò)程中前額葉皮層的多通道神經(jīng)信號(hào)。每次測(cè)試記錄一個(gè)完整的工作記憶任務(wù)過(guò)程。⑸對(duì)多通道原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波(0.3-500Hz)，獲得多通道LFPs。利用加權(quán)最小二乘的局部線性回歸與擬合方法消除多通道LFPs信號(hào)中夾雜的基線漂移與工頻干擾，剔除原始數(shù)據(jù)差分記錄中的參考通道和漂移過(guò)大通道，

5、獲取零均值多通道LFPs，是連續(xù)時(shí)間序列。對(duì)多通道原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波(500-7500Hz)，再經(jīng)過(guò)鋒電位檢測(cè)和離線除噪，得到多通道Spikes，是離散點(diǎn)電位形式，離散時(shí)間序列。⑹因?yàn)閯?dòng)態(tài)頻譜相干編碼適用于連續(xù)信號(hào)，而多通道Spikes中每一個(gè)通道的Spikes序列是離散的“點(diǎn)電位”，因此本論文的首先將離散Spikes的“點(diǎn)電位”通過(guò)神經(jīng)元頻率編碼的方式轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號(hào)。選取生理窗口窗寬500ms、窗口移動(dòng)步長(zhǎng)為125ms，從初始點(diǎn)

6、開(kāi)始，計(jì)算行為事件參考點(diǎn)前后每通道每個(gè)窗口內(nèi)平均發(fā)放率{r(t)}i，并且進(jìn)行頻率編碼和計(jì)算其平均發(fā)放個(gè)數(shù)。⑺基于微電極陣列的物理順序，將數(shù)據(jù)預(yù)處理后的每一根電極對(duì)應(yīng)的LFPs和連續(xù)化后的Spikes，進(jìn)行配對(duì)，得到多通道LFPs-Spikes數(shù)據(jù)對(duì)。⑻選取生理窗口500ms，移動(dòng)步長(zhǎng)為125ms，從初始點(diǎn)開(kāi)始逐個(gè)應(yīng)用離散正交扁球序列(Discrete Prolate Spheroidal Sequences，DPSS)對(duì)單通道LFPs

7、-Spikes序列加窗，計(jì)算每個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)單通道LFPs-Spikes數(shù)據(jù)對(duì)的頻譜相干值，進(jìn)而計(jì)算多通道LFPs-Spikes的動(dòng)態(tài)頻譜相干值。
　　 結(jié)果：①20只大鼠中17只在Y迷宮中工作記憶任務(wù)正確率隨著訓(xùn)練次數(shù)的增多而提高，訓(xùn)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(yīng)Y迷宮環(huán)境及花生氣味無(wú)法完成工作記憶任務(wù)而剔除。②對(duì)17只訓(xùn)練成功的大鼠前額葉皮層進(jìn)行在體多通道微電極陣列植入手術(shù)，記錄大鼠在Y迷宮中完成

8、工作記憶任務(wù)時(shí)多通道神經(jīng)信號(hào)。③同時(shí)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(wù)超過(guò)百次：1號(hào)大鼠14通道，2號(hào)大鼠15通道；3號(hào)-6號(hào)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(wú)法完成LFPs和Spieks的配對(duì)而剔除；⑤其余2只大鼠沒(méi)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(hào)大鼠10次重復(fù)工作記憶任務(wù)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(shí)間和頻率頻譜相干值(0.3182±0.0265)，經(jīng)t檢驗(yàn)，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差別(P<0.05)。2號(hào)大鼠10次重復(fù)工作記憶任務(wù)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(shí)間和頻率頻譜相干值(0.3248±0.0061)，經(jīng)t檢驗(yàn)，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差別(P<0.05)。
　　 結(jié)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(shí)間(P<0.05)，表明不同模態(tài)的多通道神經(jīng)信號(hào)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(shí)