多模態(tài)神經(jīng)信號(hào)協(xié)同編碼工作記憶的機(jī)制研究.pdf

1、研究目的:
　　工作記憶(WM)是一類重要的記憶，在許多復(fù)雜認(rèn)知功能中起了重要作用。工作記憶機(jī)制的研究是神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的前沿科學(xué)問(wèn)題。本研究的科學(xué)問(wèn)題為不同模態(tài)神經(jīng)信號(hào)如何協(xié)同編碼工作記憶的機(jī)制，包括:(1)局部場(chǎng)電位(local field potentials，LFPs)中與工作記憶相關(guān)的主要頻率分量，θ分量(4-12Hz)和γ分量(30-100 Hz)協(xié)同編碼工作記憶的機(jī)制;(2)鋒電位(spikes)和局部場(chǎng)電位(LF

2、Ps)協(xié)同編碼工作記憶的機(jī)制。
　　研究方法:
　　(1)工作記憶不同模態(tài)神經(jīng)信號(hào)的獲取:
　　本論文中，以SD大鼠在Y迷宮的工作記憶為研究對(duì)象，應(yīng)用在體植入式多通道微電極記錄技術(shù)，在大鼠內(nèi)側(cè)前額葉皮層記錄神經(jīng)電活動(dòng)的時(shí)空序列，從中獲取LFPs和spikes的時(shí)空序列。應(yīng)用時(shí)頻從能量分布分析LFPs在WM的主要頻段:θ、γ，應(yīng)用帶通濾波獲取LFPs的θ分量和γ分量。
　　(2) LFPs的θ和γ頻率分量協(xié)同編碼工

3、作記憶:
　　采用相位-幅值交叉頻率匹配的方法，分別計(jì)算定量表征各個(gè)通道LFPs中工作記憶相關(guān)頻段θ、γ分量協(xié)同性強(qiáng)度的頻率調(diào)制指數(shù)MI。對(duì)4-100 Hz的LFPs信號(hào)進(jìn)行帶寬為4 Hz，移動(dòng)步長(zhǎng)為2 Hz的帶通濾波，計(jì)算定量表征各頻帶信號(hào)之間調(diào)制強(qiáng)度的調(diào)制指數(shù)，繪制相位-幅值頻率調(diào)制強(qiáng)度分布圖。計(jì)算θ分量、γ分量之間調(diào)制強(qiáng)度在工作記憶中的動(dòng)態(tài)變化。
　　(3) LFPs和spikes協(xié)同編碼工作記憶:
　　基于聯(lián)合

4、熵計(jì)算spikes與LFPs工作記憶相關(guān)分量（θ、γ分量）的聯(lián)合熵指數(shù)(joint entropy index，JEI)，定量表征大鼠工作記憶過(guò)程中spikes-LFPs相關(guān)分量協(xié)同性強(qiáng)度。分別計(jì)算工作記憶過(guò)程中，動(dòng)態(tài)變化spikes-θ、spikes-低頻γ和spikes-高頻γ分量JEI值，分析spikes-LFPs協(xié)同編碼的特征模式。
　　研究結(jié)果:
　　(1)工作記憶過(guò)程中LFPs時(shí)頻分布
　　在6只大鼠工作記

5、憶過(guò)程中，LFPs中低頻部分(＜20 Hz)能量高于高頻部分能量。在1號(hào)到5號(hào)大鼠中，θ、γ頻帶信號(hào)的峰值出現(xiàn)在工作記憶參考點(diǎn)前1s內(nèi)，在6號(hào)大鼠中，θ、γ頻帶信號(hào)的峰值出現(xiàn)在工作記憶參考點(diǎn)前1s附近。
　　(2)LFPs的θ-γ對(duì)工作記憶的協(xié)同編碼
　　1)基于窄帶濾波的LFPs不同頻率分量調(diào)制強(qiáng)度分布
　　LFPs信號(hào)不同頻率分量之間調(diào)制強(qiáng)度雙峰值分別出現(xiàn)在低頻信號(hào)(4-10Hz)的相位與高頻信號(hào)幅值（45 Hz和

6、80 Hz附近）之間。根據(jù)調(diào)制指數(shù)峰值分布情況，將在γ頻帶進(jìn)一步劃分為低頻γ（γL，30-60 Hz）和高頻γ(γH:60-100Hz)。較高頻率信號(hào)(20-100 Hz)的相位與4-100 Hz頻率范圍內(nèi)的窄帶LFPs信號(hào)（帶寬:4Hz，移動(dòng)步長(zhǎng):2Hz）的幅值之間不存在調(diào)制作用。
　　2) LFPs的θ-γL對(duì)工作記憶的協(xié)同編碼
　　大鼠前額葉皮層LFPs信號(hào)的θ-γL調(diào)制指數(shù)值在工作記憶過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化（4只大鼠，共63

7、次實(shí)驗(yàn)）。在大鼠行為學(xué)正確時(shí)，θ-γL之間調(diào)制強(qiáng)度在工作記憶過(guò)程中顯著增加。同時(shí)，行為學(xué)正確的工作記憶任務(wù)中，θ-γL調(diào)制強(qiáng)度峰值顯著高于行為學(xué)錯(cuò)誤時(shí)兩者調(diào)制強(qiáng)度。
　　3) LFPs的θ-γH對(duì)工作記憶的協(xié)同編碼
　　在行為學(xué)正確的實(shí)驗(yàn)中，大鼠前額葉皮層LFPs信號(hào)θ-γH之間調(diào)制指數(shù)值在工作記憶過(guò)程中無(wú)顯著變化（4只大鼠，共63次實(shí)驗(yàn)）。同時(shí)，行為學(xué)正確的實(shí)驗(yàn)中不同任務(wù)時(shí)期LFPsθ-γH之間的調(diào)制強(qiáng)度與錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)中相應(yīng)任

8、務(wù)時(shí)期調(diào)制指數(shù)值之間不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
　　4)工作記憶過(guò)程中，16通道LFPs的θ-γL調(diào)制強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化
　　工作記憶過(guò)程中，16通道LFPs的θ信號(hào)與低頻γ信號(hào)之間的調(diào)制強(qiáng)度變化存在差異性。在大鼠行為學(xué)正確的實(shí)驗(yàn)中，多數(shù)通道中θ信號(hào)與低頻γ信號(hào)之間的調(diào)制作用強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，但不是所有通道。
　　(3) Spikes-LFPs對(duì)工作記憶的協(xié)同編碼
　　1) Spikes-LFPs的θ分量對(duì)工作記憶的協(xié)同編碼

9、>　　對(duì)工作記憶過(guò)程中，6只大鼠各10次實(shí)驗(yàn)歸一化spikes-LFPs的θ分量JEIs值進(jìn)行平均。結(jié)果顯示，兩者的歸一化JEIs值由工作記憶參考點(diǎn)前3s內(nèi)的0.345±0.038（均值±標(biāo)準(zhǔn)誤），增加至工作記憶參考點(diǎn)前1s的最大值0.721±0.033（均值±標(biāo)準(zhǔn)誤），兩者之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)6只大鼠分別進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，6只大鼠中，工作記憶參考點(diǎn)前1s內(nèi)spikes-θ分量JEIs值均顯著升高。
　　2) Spike

10、s-LFPs的γL分量對(duì)工作記憶的協(xié)同編碼
　　對(duì)工作記憶過(guò)程中，6只大鼠各10次實(shí)驗(yàn)歸一化spikes-γL分量JEIs值進(jìn)行平均，結(jié)果顯示，兩者的歸一化JEIs值由工作記憶參考點(diǎn)前3s內(nèi)的0.408±0.040（均值±標(biāo)準(zhǔn)誤），增加至工作記憶參考點(diǎn)前1s的最大值0.696±0.040（均值±標(biāo)準(zhǔn)誤），兩者之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
　　3) Spikes-LFPs的γH分量對(duì)工作記憶的協(xié)同編碼
　　對(duì)工作記憶過(guò)程中

11、，6只大鼠各10次實(shí)驗(yàn)歸一化spikes-γH分量JEIs值進(jìn)行平均，結(jié)果顯示，兩者的歸一化JEIs值由工作記憶參考點(diǎn)前3s內(nèi)的0.393±0.041（均值±標(biāo)準(zhǔn)誤），增加至工作記憶參考點(diǎn)前1s的最大值0.690±0.038（均值±標(biāo)準(zhǔn)誤），兩者之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
　　研究結(jié)論
　　(1)工作記憶過(guò)程中，LFPs的θ、γ分量的能量顯著增加，為工作記憶主要頻率分量。
　　(2)大鼠前額葉皮層LFPs的θ分量和低頻