特定行為下大鼠M1和PPC的局部場(chǎng)電位研究.pdf

1、腦機(jī)接口(Brain Computer Interface，BCI)是在人腦和計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備之間建立的一種直接的、全新的信息交流系統(tǒng)，現(xiàn)已經(jīng)成為神經(jīng)科學(xué)與信息工程技術(shù)交叉學(xué)科的熱點(diǎn)課題。腦機(jī)接口中的關(guān)鍵技術(shù)之一是研究動(dòng)物一定行為狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的腦電活動(dòng)特征，并將其解碼轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)指令。分析特定行為下動(dòng)物運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大腦皮層的局部場(chǎng)電位(Local Field Potential，LFPs)特征是BCI研究的重要內(nèi)容之一。除此之外，還可

2、以檢測(cè)和分析其他行為和認(rèn)知功能，促進(jìn)對(duì)大腦功能的深入研究。
　　本課題以大鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用自制微電極和行為同步裝置、多通道生理信號(hào)采集處理系統(tǒng)以及高阻抗微電放大器，同步記錄了大鼠抓食行為下初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(Primary Motor Cortex，M1)和后頂葉皮層(Posterior Parietal Cortex，PPC)的LFPs，并用MATLAB軟件對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理分析，目的是研究動(dòng)物特定行為所對(duì)應(yīng)的LFPs變化，以及特

3、定行為下大鼠M1和PPC的LFPs之間的關(guān)系，為以后基于LFPs的BCI研究奠定基礎(chǔ)。
　　本實(shí)驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容主要分為以下兩部分:
　　一、大鼠特定行為下M1的LFPs變化研究
　　本部分利用自制單通道微電極，對(duì)大鼠抓食行為過(guò)程中同步記錄的M1的LFPs進(jìn)行分析。根據(jù)所記錄的LFPs的變化和同步記錄的大鼠抓食行為變化，將大鼠的抓食行為分為四個(gè)時(shí)期，分別為:抓食前期、計(jì)劃期、抓食期和完成期。對(duì)不同時(shí)期的LFPs的研究分別采

4、用了時(shí)域分析、頻域分析和時(shí)-頻分析的方法。從時(shí)域分析上看，大鼠在抓食前期其LFPs表現(xiàn)為一定規(guī)律的簇狀、較大振幅的電活動(dòng)；而計(jì)劃期則呈現(xiàn)出明顯的一過(guò)性低振幅特點(diǎn)；在抓食期，其幅值又有明顯的增大，與計(jì)劃期相比有顯著的差異；隨后在完成期，其幅值又表現(xiàn)為一定程度的減小。從頻域和時(shí)頻分析上看，大鼠抓食前期其M1的LFPs主要以100Hz以上頻率的波為主，在計(jì)劃期以30-100Hz頻率的波為主；而在抓食期其LFPs主要集中于較低頻的14-30Hz

5、的頻率范圍內(nèi)，而且該時(shí)期其能量譜和功率的分布也明顯的大于抓食前期和計(jì)劃期；完成期也表現(xiàn)為一定程度的14-30Hz的波，但是該時(shí)期的能量譜和功率分布也明顯小于抓食期。從Welch功率譜密度分析上看，與上述結(jié)果一致，顯示14-30Hz頻段波的功率譜密度最強(qiáng)。結(jié)果提示:大鼠在抓食行為過(guò)程中，M1區(qū)前肢運(yùn)動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)引發(fā)的LFPs變化對(duì)應(yīng)于大鼠不同的行為狀態(tài)，提示LFPs起到了一定程度的“編碼”作用，證明了用與前肢運(yùn)動(dòng)相關(guān)的M1的LFPs

6、來(lái)識(shí)別前肢運(yùn)動(dòng)行為的可行性。
　　二、大鼠特定行為下M1和PPC的場(chǎng)電位的相關(guān)性研究
　　據(jù)以往的研究發(fā)現(xiàn)，PPC與視覺(jué)參與下的運(yùn)動(dòng)的計(jì)劃形成有關(guān)。本部分利用自己設(shè)計(jì)的多通道微電極同步記錄了大鼠抓食行為狀態(tài)下M1和PPC的LFPs，并利用信號(hào)對(duì)比、相位分析和互相關(guān)分析等方法對(duì)二者的變化進(jìn)行相關(guān)性研究。研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠進(jìn)行特定行為過(guò)程中，其M1和PPC的LFPs都呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化。對(duì)比兩腦區(qū)的LFPs信號(hào)，在時(shí)域分析中兩

7、者差異不明顯；從相位上分析，兩通道的信號(hào)具有明顯的相位差，說(shuō)明二者的LFPs在時(shí)間的發(fā)生上具有一定的差異；用兩通道信號(hào)互相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)PPC的LFPs的變化在時(shí)間上要早于M1，該延遲時(shí)間為5.45士2.68ms，與相位分析的結(jié)果一致，進(jìn)一步證實(shí)了PPC的LFPs的出現(xiàn)早于M1。結(jié)果提示:在動(dòng)物進(jìn)行特定行為過(guò)程中，PPC與M1在電位變化上具有一定的相關(guān)性，而且PPC的LFPs的變化在時(shí)間上要早于M1，證明PPC對(duì)M1有一定的“計(jì)劃”和“調(diào)