基于圖論分析的生物活性功能腦網(wǎng)絡(luò)研究.pdf

1、腦是控制運動、產(chǎn)生感覺及實現(xiàn)高級認知功能的中樞系統(tǒng)。在腦中，由神經(jīng)元、神經(jīng)群體、神經(jīng)核團或者是腦區(qū)所形成的功能網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是腦功能的生理基礎(chǔ)。開展功能腦網(wǎng)絡(luò)研究，探索大腦功能網(wǎng)絡(luò)在不同狀態(tài)下的組織模式，對大腦功能的理解、大腦疾病的預(yù)防與治療以及類腦計算機的開發(fā)，都具有重要的價值，成為了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。
　　近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的概念在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中的引入，越來越多的神經(jīng)科學(xué)家開始將圖論（網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的數(shù)學(xué)工具）引入到功能

2、腦網(wǎng)絡(luò)分析中來。通過圖論分析，研究人員能夠使用一些定量指標(biāo)，從系統(tǒng)水平上研究腦活動單元之間的功能連接性，揭示大腦內(nèi)在的功能組織模式，極大促進了功能腦網(wǎng)絡(luò)研究的發(fā)展。目前基于圖論的功能腦網(wǎng)絡(luò)研究主要集中在以EEG、MEG和fMRI技術(shù)為基礎(chǔ)的宏觀尺度上，針對神經(jīng)群體、核團或者腦區(qū)之間功能腦網(wǎng)絡(luò)的組織模式開展相關(guān)研究。這種研究方式已經(jīng)被應(yīng)用到大腦智力、大腦執(zhí)行任務(wù)和大腦衰老等相關(guān)研究中，從網(wǎng)絡(luò)水平上探索其生理機制。此外，圖論分析也將有可能開

3、發(fā)出一些指標(biāo)用于預(yù)測或者檢測某些神經(jīng)疾病（如精神分裂癥、老年癡呆和抑郁癥等），為疾病的早期篩查和治療提供參考。
　　但是，這些宏觀的研究方法是具有一定的技術(shù)限制的。首先，他們測量的是神經(jīng)元群體直接或者間接的總體反應(yīng)，如EEG是腦神經(jīng)細胞的電生理活動在頭皮表面的總體反映、fMRI是使用核磁成像技術(shù)測量的神經(jīng)元活動所引發(fā)之血液動力的改變。基于這些宏觀技術(shù)進行功能腦網(wǎng)絡(luò)研究，首先得假設(shè)皮層之間通路信息轉(zhuǎn)移是可以通過它們測量的活動所表示，

4、缺乏直接的神經(jīng)元功能連接性的測量來驗證其有效性。另外，這些技術(shù)也存在時間分辨率、空間分辨率和研究花費不能兼顧的問題。事實上，在介觀尺度中，即以數(shù)十至數(shù)百個神經(jīng)元組成的腦網(wǎng)絡(luò)為研究對象開展相關(guān)研究，可以更為精細的揭示大腦的功能組織模式，具有重要意義。已有研究表明，在介觀尺度上，體外培養(yǎng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和腦切片中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自發(fā)放電活動中會展現(xiàn)出“小世界”（節(jié)點之間經(jīng)過少數(shù)幾步就可到達）和“rich-club”（連接數(shù)高的節(jié)點之間容易產(chǎn)生連接）的

5、功能連接性組織拓撲學(xué)結(jié)構(gòu)，在獼猴的視覺皮層中同樣也發(fā)現(xiàn)了類似“小世界”的功能網(wǎng)絡(luò)組織特性。然而，介觀尺度上基于圖論的功能腦網(wǎng)絡(luò)研究還較為初步，我們還不清楚外界刺激或者是不同的實驗范式對這種功能網(wǎng)絡(luò)組織模式是如何影響的。
　　本論文從體外培養(yǎng)細胞、腦切片組織和在體大腦皮層三個水平上開展了介觀尺度上的功能腦網(wǎng)絡(luò)研究。簡要概括如下：
　　第一部分：藥物和電刺激對體外培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接性影響規(guī)律研究實驗一：谷氨酸和GABA急性處

6、理對體外培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接性影響規(guī)律研究。
　　通過分別對體外培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實施神經(jīng)興奮性藥物谷氨酸和神經(jīng)抑制性藥物GABA，明確谷氨酸和GABA對體外培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接性組織模式的影響規(guī)律。在本部分研究中，利用平面微電極陣列進行皮質(zhì)神經(jīng)細胞的體外培養(yǎng)，同步記錄多個位點神經(jīng)元在谷氨酸/GABA以藥物濃度積累方式作用下的電活動；之后從多通道電活動記錄中提取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)簇發(fā)放電數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)，利用交叉協(xié)方差進行不同通道之間

7、電活動相關(guān)性分析，評估其連接性權(quán)重；最后基于閾值法，構(gòu)建功能連接網(wǎng)絡(luò)，分析藥物影響下體外培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能連接性圖論指標(biāo)的變化。
　　結(jié)果表明，與未施加藥物的自身對照相比，谷氨酸處理后增加了神經(jīng)培養(yǎng)物的功能網(wǎng)絡(luò)的連接性權(quán)重、網(wǎng)絡(luò)密度和小世界屬性；GABA急性處理導(dǎo)致體外培養(yǎng)神經(jīng)元的功能網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)密度和最大連通子圖的大小出現(xiàn)下降。但是，連接性權(quán)重和小世界屬性不受GABA的顯著影響。
　　在本部分研究中，建立了基于多電極陣列電生理

8、記錄的功能腦網(wǎng)絡(luò)圖論分析體系。同時，本部分的結(jié)果也表明使用圖論分析的方法，可以從功能組織模式變化的角度，去研究藥物對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的影響。
　　實驗二：慢性電刺激對體外培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接性影響的規(guī)律研究。
　　通過對體外培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實施慢性電刺激，明確其對體外培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接性組織模式的影響規(guī)律。在本部分研究中，利用平面微電極陣列進行皮質(zhì)神經(jīng)元的體外培養(yǎng)。將神經(jīng)細胞培養(yǎng)至第7天后，神經(jīng)培養(yǎng)物被分為三組，其中對照組不接受任

9、何刺激，0.02Hz刺激組每天接受1個小時的頻率為0.02Hz電脈沖刺激，0.2Hz刺激組每天接受1個小時的頻率為0.2Hz電脈沖刺激，同時只選用位于電極陣列一側(cè)的30個電極進行單電極隨機順序的電刺激。在第14、18、22和26天對這些皮質(zhì)神經(jīng)元培養(yǎng)物進行電活動記錄，記錄當(dāng)天不進行刺激；之后從多通道電活動記錄中提取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)簇發(fā)放電數(shù)據(jù)，并以此基礎(chǔ)，利用交叉協(xié)方差的方法進行不同通道之間電活動相關(guān)性分析，評估其連接性權(quán)重；最后基于閾值

10、法，構(gòu)建功能連接網(wǎng)絡(luò)，分析慢性電刺激對發(fā)育中的體外培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接性影響的圖論指標(biāo)的變化。
　　結(jié)果表明，在對照組中網(wǎng)絡(luò)密度顯著地隨著培養(yǎng)的時間增加而增加，經(jīng)過約3周的刺激后，在0.02Hz刺激組中表現(xiàn)出了類似的趨勢，但是0.2Hz刺激組中的網(wǎng)絡(luò)密度卻保持穩(wěn)定。同時，在14、18、22和26天評估的神經(jīng)培養(yǎng)物的功能網(wǎng)絡(luò)都具有小世界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且這種小世界屬性不受0.02Hz和0.2Hz的電刺激影響。
　　第二部分：電磁

11、脈沖刺激對腦切片中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能連接性的影響規(guī)律研究
　　通過對腦切片中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實施電磁脈沖刺激，明確其對腦切片中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能連接性組織模式的影響規(guī)律。在本部分研究中，以1Hz和20Hz的重復(fù)電磁脈沖刺激前后的小腦腦切片多電極記錄到的神經(jīng)活動為基礎(chǔ)；利用交叉協(xié)方差進行不同通道之間電活動相關(guān)性分析，評估其連接性權(quán)重；最后基于閾值法，構(gòu)建功能連接網(wǎng)絡(luò)，分析腦切片中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電磁脈沖刺激下功能連接性的變化。
　　結(jié)果表明，20Hz的

12、電磁脈沖顯著的降低小腦腦切片中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接性權(quán)重、平均度和網(wǎng)絡(luò)密度，但是該功能網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性卻不受影響。1Hz的電磁脈沖對小腦腦切片的連接性權(quán)重、平均度、網(wǎng)絡(luò)密度以及小世界屬性都沒有影響。我們初步得出結(jié)論，高頻的電磁脈沖抑制腦片中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接性形成，表現(xiàn)在連接權(quán)重、平均度和網(wǎng)絡(luò)密度的降低。
　　第三部分：獼猴伸手抓握過程中大腦皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能連接性變化規(guī)律研究
　　通過引導(dǎo)獼猴執(zhí)行伸手抓握任務(wù)，明確任務(wù)相關(guān)的功能

13、腦網(wǎng)絡(luò)組織模式和不同動作狀態(tài)下的特征。在本部分研究中，以獼猴執(zhí)行伸手抓握的S1、M1和PPC腦區(qū)中多電極陣列記錄的神經(jīng)元脈沖發(fā)放數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)；利用交叉協(xié)方差進行不同通道之間電活動相關(guān)性分析，評估其連接性權(quán)重；最后基于閾值法，構(gòu)建功能連接網(wǎng)絡(luò)，分析獼猴在執(zhí)行hold、reach和 grasp動作時功能腦網(wǎng)絡(luò)組織模式的特點。
　　結(jié)果表明，三種動作狀態(tài)下，hold動作對應(yīng)的連接性權(quán)重最低，平均度、網(wǎng)絡(luò)密度和小世界屬性處于中間位置；rea

14、ch動作對應(yīng)的連接性權(quán)重處于中間位置，平均度最低，網(wǎng)絡(luò)密度最高，小世界屬性最低；而對于grasp動作，其連接性權(quán)重、平均度和小世界屬性都最高，但是其網(wǎng)絡(luò)密度卻是最低的。這些規(guī)律表明，使用圖論分析的方法，我們在獼猴大腦皮層的功能腦網(wǎng)絡(luò)中找到了和運動類型特異性較強的運動特征參數(shù)，如連接性權(quán)重、平均度、網(wǎng)絡(luò)密度和小世界屬性。
　　綜上所述，本研究建立了基于多電極陣列記錄的功能腦網(wǎng)絡(luò)圖論分析體系。并針對體外培養(yǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、腦片神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和在體