基于稀疏非負矩陣分解的大鼠工作記憶稀疏編碼與功能連接的研究.pdf

1、研究目的:發(fā)展了基于稀疏非負矩陣分解（SparseNon-negativeMatrixFactorization，SNMF）的稀疏編碼和稀疏源分量的因果分析方法，研究SD大鼠工作記憶狀態(tài)前額葉皮層(PrefrontalCortex，PFC)多通道局部場電位(LocalFieldPotentials，LFPs)的θ和γ頻段的能量對工作記憶的編碼，以及工作記憶狀態(tài)LFPs及其稀疏源分量的功能連接特性，為研究工作記憶的編碼和功能連接提供創(chuàng)新的

2、思路和方法。
　　 研究方法:
　　 1.實驗數據:本論文所用的實驗數據為4只SD大鼠在Y迷宮工作記憶任務狀態(tài)的PFC多通道LFPs，以及靜息狀態(tài)的PFC多通道LFPs。
　　 2.數據預處理:對原始記錄的LFPs進行去工頻干擾和去基線漂移等預處理。
　　 3.LFPs的短時傅里葉變換(Short-timeFourierTransform，STFT):應用STFT對預處理后的LFPs進行時頻分析，獲得LF

3、Ps的時頻能量分布。
　　 4.應用SNMF對LFPs的時頻能量分布進行稀疏分解，獲得基矩陣A和稀疏源分量矩陣S。矩陣S的每一個行向量Si為時間序列。
　　 5.LFPs的θ和γ頻段的能量對工作記憶的編碼:
　　 根據稀疏源分量矩陣S的元素值確定工作記憶狀態(tài)下LFPs能量集中的時間段，選取稀疏源分量能量在該時間段內明顯增加的頻段作為與工作記憶相關的稀疏源分量，應用SNMF逆變換，對工作記憶相關的稀疏源分量進行稀疏

4、重構，獲得與工作記憶相關的稀疏源分量的時頻能量分布，根據時頻能量分布計算于工作記憶相關的稀疏源分量的θ和γ頻段的能量。
　　 6.工作記憶狀態(tài)LFPs及其稀疏源分量的功能連接:
　　 應用Granger因果分析，分別計算描述工作記憶狀態(tài)和靜息狀態(tài)的LFPs及其稀疏源分量的因果關系的定量參數，包括:
　　 (1)因果密度(CausalDensity,CD)
　　 計算每次LFPs及其稀疏源分量矩陣的因果密度

5、值，為每只大鼠工作記憶狀態(tài)的10次LFPs和10次稀疏源分量矩陣和靜息狀態(tài)的10次LFPs和10次稀疏源分量矩陣計算平均因果密度值，比較工作記憶狀態(tài)和靜息狀態(tài)LFPs和稀疏源分量的功能連接。
　　 (2)因果流(CausalFlow,CF)
　　 計算LFPs的因果關系網絡各節(jié)點的因果流值，由于LFPs的因果關系網絡的節(jié)點與通道一一對應，為每只鼠工作記憶狀態(tài)和靜息狀態(tài)各10次LFPs數據計算每個通道的平均因果流值，應用t

6、檢驗，測定工作記憶狀態(tài)和靜息狀態(tài)因果源(CausalSource)和因果匯(CausalSink)對應的通道。
　　 計算每只大鼠每次試驗稀疏源分量因果關系網絡各節(jié)點的因果流值，對每一個節(jié)點進行因果源和因果匯的歸類，應用稀疏重構，獲得每一次數據因果源和因果匯的總時頻能量分布，再計算10次數據因果源和因果匯的平均時頻能量分布，從平均時頻能量分布比較工作記憶狀態(tài)和靜息狀態(tài)稀疏源分量功能連接的差異。
　　 研究結果:
　

7、　 1.LFPs的θ和γ頻段的能量對工作記憶的編碼:
　　 (1)大鼠在工作記憶任務過程中，LFPs能量在某特定時期會達到峰值，在能量最集中的1s時間段內工作記憶狀態(tài)的θ和γ頻段的能量明顯高于靜息狀態(tài)（t檢驗，p＜0.01）。
　　 (2)在與工作記憶相關的稀疏源分量中，θ頻段能量顯著大于γ頻段的能量，而且兩者都顯著大于0（t檢驗，p＜0.01）。
　　 2.工作記憶狀態(tài)LFPs的功能連接:
　　 (1

8、)因果密度
　　 第1號、第2號、第3號、第4號大鼠工作記憶狀態(tài)LFPs的功能連接的因果密度值分別為:0.1467±0.0320、0.0971±0.0313、0.1721±0.0296、0.1496±0.0427;靜息狀態(tài)LFPs的功能連接的因果密度值分別為0.0353±0.0127、0.0462±0.0159、0.0784±0.0375、0.0904±0.0354。結果顯示，工作記憶狀態(tài)的因果密度值顯著大于靜息狀態(tài)的因果密度值

9、（t檢驗，p＜0.01）。
　　 (2)因果流
　　 第1號大鼠工作記憶狀態(tài)的因果源對應的通道有2個;因果匯對應的通道有6個。靜息狀態(tài)沒有因果源;因果匯對應的通道有3個。
　　 第2號大鼠工作記憶狀態(tài)的因果源對應的通道有2個;因果匯對應的通道有4個。靜息狀態(tài)因果源對應的通道有1個;因果匯對應的通道有2個。
　　 第3號大鼠工作記憶狀態(tài)的因果源對應的通道有2個;因果匯對應的通道有4個。靜息狀態(tài)因果源對應的通

10、道有4個;因果匯對應的通道有6個。
　　 第4號大鼠工作記憶狀態(tài)的因果源對應的通道有3個;因果匯對應的通道有3個。靜息狀態(tài)因果源對應的通道有2個;因果匯對應的通道有3個。
　　 3.工作記憶狀態(tài)稀疏源分量的功能連接:
　　 (1)因果密度
　　 第1號、第2號、第3號、第4號大鼠工作記憶狀態(tài)稀疏源分量的的因果密度值分別為:0.2315±0.0452、0.1697±0.0331、0.1894±0.0360、

11、0.2004±0.0485;靜息狀態(tài)稀疏源分量的因果密度值分別為:0.1456±0.0094、0.1177±0.0266、0.1098±0.0142、0.1423±0.0168。結果顯示，工作記憶狀態(tài)的因果密度值顯著大于靜息狀態(tài)的因果密度值（t檢驗，p＜0.01）。
　　 (2)因果流
　　 計算得到工作記憶狀態(tài)和靜息狀態(tài)的因果源和因果匯的平均時頻能量分布和頻譜圖，工作記憶狀態(tài)稀疏源分量的因果關系網絡的因果源的頻率——幅

12、值曲線波峰出現在θ頻段（4-12Hz），而且能量也主要集中在θ頻段上。
　　 結論:
　　 1.LFPs的θ和γ頻段能量的編碼了大鼠工作記憶，θ頻段是編碼大鼠工作記憶的主要頻段。
　　 2.工作記憶狀態(tài)大鼠LFPs和稀疏源分量的功能連接水平比靜息狀態(tài)高。
　　 3.工作記憶狀態(tài)大鼠LFPs的稀疏源分量的功能連接水平比LFPs高。
　　 4.稀疏空間上工作記憶的能量編碼和功能連接比原始空間上好。