基于WVD分析的多通道LFPs的θ和γ相位同步振蕩對工作記憶事件的編碼.pdf

1、研究目的：本論文的研究基于Wigner-Ville Distribution(WVD)方法，對大鼠在工作記憶過程中前額葉皮層多通道局部場電位(Local Field Potentials，LFPs)進(jìn)行相位同步分析，研究LFPs在與工作記憶有關(guān)的θ及γ頻段的相位同步模式及其對工作記憶事件的編碼。并細(xì)化研究了在γ頻段中帶寬為2Hz的各個分量的相位同步模式及其對工作記憶事件的編碼，為研究工作記憶的神經(jīng)編碼機制提供神經(jīng)計算支持。
　　

2、 研究方法：
　　 1.實驗數(shù)據(jù)：本論文所用的實驗數(shù)據(jù)由天津醫(yī)科大學(xué)神經(jīng)工程實驗室提供。在SD大鼠前額葉皮層植入16通道微電極陣列。應(yīng)用在體多通道數(shù)據(jù)記錄技術(shù)，獲取4只大鼠在Y迷宮工作記憶過程中前額葉皮層50次訓(xùn)練中的16通道數(shù)據(jù)。選取足以表征工作記憶全過程的7s數(shù)據(jù)作為研究對象。
　　 2.數(shù)據(jù)預(yù)處理：對記錄到的16通道原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波(0.3～500Hz)，得到的低通信號為16通道LFPs。分別擬合各個通道的LF

3、P獲得其擬合曲線，從原始的LFP中減去擬合趨勢項，得到零均值的16通道LFPs。
　　 3.進(jìn)行LFPs的FFT分析，獲得大鼠在工作記憶過程中LFPs的能量集中的頻段(40-60Hz)。
　　 4.獲取16通道LFPs的不同生理頻段：應(yīng)用帶通濾波方法將16通道LFPs分解為各個生理頻段分量和高頻γ分量；其中0.3-3 Hz為d波，4-12 Hz為θ波，12-15Hz為a波，15-30 Hz為β波，30-80 Hz為γ波，

4、80-500Hz為高頻γ波。
　　 5.提取16通道LFPs的瞬時相位：應(yīng)用Hilbert變換提取16通道LFPs及其各個頻段分量的瞬時相位。
　　 6.參考通道的選?。哼x取平均放電頻率最高的通道作為參考通道。
　　 7.移動窗口大小及移動步長的選?。哼x取窗口為50ms，移動步長為12.5ms。
　　 8.多通道信號的動態(tài)WVD分析：
　　 (1)WVD分析方法
　　 初始窗口開始，逐個計

5、算每個窗口中各個通道LFP的不同頻段分量相位對參考通道相位序列的非線性WVD項；然后計算每個窗口中各通道LFP的不同頻段的相位序列的線性WVD項，分別獲得該頻段非線性與線性WVD項的動態(tài)分布模式，研究LFPs同步振蕩雖工作記憶事件的編碼。
　　 (2)窄頻帶WVD分析
　　 因為Hilbert變換適用于窄帶信號，為了對頻帶較寬的生理頻段研究結(jié)果的有效性進(jìn)行驗證，本論文進(jìn)一步在編碼工作記憶事件的關(guān)鍵γ頻段進(jìn)行WVD分析。應(yīng)

6、用小波包分析進(jìn)行尺度為9的γ頻段(30-80 Hz)小波包分解，分解信號帶寬為2Hz。γ頻段分別對應(yīng)第9層小波包的第16～40個小波包，對應(yīng)的頻段為30-32Hz～78-80Hz。對于獲得的帶寬為2Hz的不同頻段的小波包分量進(jìn)行WVD分析。從初始窗口開始，計算每個窗口中各通道LFP的不同頻段的相位序列對參考通道相位序列的非線性WVD項，然后計算每個窗口中各通道LFP的不同頻段的相位序列的線性WVD項，獲得在γ頻段中每個2Hz范圍中LFP

7、的非線性與線性WVD項的同步振蕩的時空分布模式。
　　 結(jié)果：
　　 本論文應(yīng)用WVD分析了4只SD大鼠各10次實驗在Y迷宮的工作記憶實驗過程中前額葉皮層的16通道LFPs及其θ、γ分量相位的同步模式，并細(xì)化研究了在γ頻段中帶寬為2Hz的各個分量的相位同步模式。主要研究結(jié)果如下：
　　 1.工作記憶事件發(fā)生期間，多通道LFPs能量主要集中在40-60Hz范圍中。
　　 2.工作記憶事件發(fā)生期間，4只大鼠各

8、10次實驗在各個生理頻段參考點前2s內(nèi)的非線性WVD值如下：
　　 d頻段非線性值：0.1451±0.0231、0.1685±0.0289、0.1972±0.0217、0.1989±0.0328；
　　 θ頻段非線性值：0.1771±0.0134、0.1834±0.0122、0.1619±0.0105、0.1480±0.01391；
　　 a頻段非線性值：0.1560±0.0654、0.1774±0.0736、0

9、.20135±0.0105、0.1881±0.06051；
　　 β頻段非線性值：0.1555±0.0644、0.1814±0.0559、0.2020±20.0228、0.1585±0.0393；
　　 γ頻段非線性值：0.1742±0.0114、0.1364±0.0126、0.1671±0.0423、0.1618±0.0372。
　　 經(jīng)t檢驗，大鼠前額葉皮層多通道LFPs在θ和γ頻段的非線性WVD項有明顯的同

10、步振蕩(P<0.05)。而d、a、β頻段的非線性WVD項無同步振蕩(P>0.05)。
　　 3.工作記憶事件發(fā)生期間，4只大鼠各10次實驗在各個生理頻段參考點前2s內(nèi)的線性WVD值如下：
　　 d頻段的線性值：0.3769±0.0314、0.3654±0.0270、0.3723±0.0361、0.3438±0.0284；
　　 θ頻段的線性值：0.3449±0.0121、0.3505±0.0104、0.4076±

11、0.0232、0.3947±0.0106；
　　 a頻段的線性值：0.36605±0.0322、0.3565±0.0313、0.3682±0.0418、0.3546±0.0230；
　　 β頻段的線性值：0.3665±0.0296、0.3525±0.0204、0.3675±0.0415、0.3842±0.0331；
　　 γ頻段的線性值：0.3478±0.0619、0.3975±0.0368、0.4024±0.0

12、376、0.3809±0.0421。
　　 經(jīng)t檢驗，大鼠前額葉皮層多通道LFPs在θ頻段的線性WVD項有明顯的同步振蕩(P<0.05)，而d、a、β、γ頻段的線性WVD項無同步振蕩(P>0.05)。
　　 4.工作記憶事件發(fā)生期間，4只大鼠各10次實驗在40-42Hz～58-60Hz參考點前2s內(nèi)的非線性WVD值如下：
　　 40-42Hz非線性值：0.1778±0.0121、0.1987±0.0017、0.2

13、301±0.0193、0.2282±0.0164；
　　 42-44Hz非線性值：0.1782±0.0392、0.1941±0.0433、0.2235±0.0587、0.2154±0.0381；
　　 44-46Hz非線性值：0.2428±0.0282、0.2266±0.0031、0.2901±0.0174、0.3227±0.0137；
　　 46-48Hz非線性值：0.1792±0.0091、0.1960±0.

14、0150、0.2220±0.0162、0.2071±0.0013；
　　 48-50Hz非線性值：0.1795±0.0310、0.1741±0.0372、0.2162±0.0407、0.2045±0.0341；
　　 50-52Hz非線性值：0.1528±0.0293、0.1706±0.0396、0.1953±0.0462、0.1870±0.0334；
　　 52-54Hz非線性值：0.1489±0.0292、0

15、.1684±0.0181、0.1990±0.0227、0.1959±0.0235；
　　 54-56Hz非線性值：0.1763±0.0081、0.2011±0.0133、0.2207±0.0125、0.2162±0.0120；
　　 56-58Hz非線性值：0.1608±0.0113、0.2070±0.0142、0.2316±0.0108、0.2231±0.0054；
　　 58.60Hz非線性值：0.1725±

16、0.0169、0.2040±0.0128、0.2276±0.0115、0.2242±0.0137。
　　 經(jīng)t檢驗，大鼠前額葉皮層多通道LFPs在40-42Hz、44-46Hz、46-48Hz、54-56Hz、56-58Hz、58-60Hz的非線性WVD項發(fā)生明顯的同步振蕩(P<0.05)。而42-44Hz、48-50Hz、50-52Hz、52-54Hz的非線性WVD項沒有發(fā)生同步振蕩(P>0.05)。
　　 5.在工作

17、記憶事件發(fā)生期間，4只大鼠各10次實驗在40-42Hz～58-60Hz參考點前2s內(nèi)的線性WVD值如下：
　　 40-42Hz線性值：0.3442±0.0685、0.3352±0.0623、0.3394±0.0664、0.3145±0.0661；
　　 42-44Hz線性值：0.3438±0.0698、0.3398±0.0512、0.3460±0.0494、0.3273±0.0661；
　　 44-46Hz線性值

18、：0.2792±0.0235、0.3073±0.0201、0.2794±0.0170、0.2200±0.0194；
　　 46-48Hz線性值：0.3438±0.0789、0.3379±0.0553、0.3475±0.0526、0.3256±0.0461；
　　 48-50Hz線性值：0.3425±0.0498、0.3598±0.0523、0.3533±0.0416、0.3382±0.0615；
　　 50-52