基于稀疏非負(fù)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(fù)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(chǎng)電位(LocalFieldPotentials，LFPs)的θ和γ頻段的能量對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):本論文所用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為4只SD大鼠在Y迷宮工作記憶任務(wù)狀態(tài)的PFC多通道LFPs，以及靜息狀態(tài)的PFC多通道LFPs。
　　 2.數(shù)據(jù)預(yù)處理:對(duì)原始記錄的LFPs進(jìn)行去工頻干擾和去基線漂移等預(yù)處理。
　　 3.LFPs的短時(shí)傅里葉變換(Short-timeFourierTransform，STFT):應(yīng)用STFT對(duì)預(yù)處理后的LFPs進(jìn)行時(shí)頻分析，獲得LF

3、Ps的時(shí)頻能量分布。
　　 4.應(yīng)用SNMF對(duì)LFPs的時(shí)頻能量分布進(jìn)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(gè)行向量Si為時(shí)間序列。
　　 5.LFPs的θ和γ頻段的能量對(duì)工作記憶的編碼:
　　 根據(jù)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(shí)間段，選取稀疏源分量能量在該時(shí)間段內(nèi)明顯增加的頻段作為與工作記憶相關(guān)的稀疏源分量，應(yīng)用SNMF逆變換，對(duì)工作記憶相關(guān)的稀疏源分量進(jìn)行稀疏

4、重構(gòu)，獲得與工作記憶相關(guān)的稀疏源分量的時(shí)頻能量分布，根據(jù)時(shí)頻能量分布計(jì)算于工作記憶相關(guān)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(yīng)用Granger因果分析，分別計(jì)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(guān)系的定量參數(shù)，包括:
　　 (1)因果密度(CausalDensity,CD)
　　 計(jì)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(jì)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(jì)算LFPs的因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的因果流值，由于LFPs的因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)與通道一一對(duì)應(yīng)，為每只鼠工作記憶狀態(tài)和靜息狀態(tài)各10次LFPs數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)通道的平均因果流值，應(yīng)用t

6、檢驗(yàn)，測(cè)定工作記憶狀態(tài)和靜息狀態(tài)因果源(CausalSource)和因果匯(CausalSink)對(duì)應(yīng)的通道。
　　 計(jì)算每只大鼠每次試驗(yàn)稀疏源分量因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的因果流值，對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行因果源和因果匯的歸類，應(yīng)用稀疏重構(gòu)，獲得每一次數(shù)據(jù)因果源和因果匯的總時(shí)頻能量分布，再計(jì)算10次數(shù)據(jù)因果源和因果匯的平均時(shí)頻能量分布，從平均時(shí)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(jié)果:
　

7、　 1.LFPs的θ和γ頻段的能量對(duì)工作記憶的編碼:
　　 (1)大鼠在工作記憶任務(wù)過程中，LFPs能量在某特定時(shí)期會(huì)達(dá)到峰值，在能量最集中的1s時(shí)間段內(nèi)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(yàn)，p＜0.01）。
　　 (2)在與工作記憶相關(guān)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(yàn)，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(hào)、第2號(hào)、第3號(hào)、第4號(hào)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(jié)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(yàn)，p＜0.01）。
　　 (2)因果流
　　 第1號(hào)大鼠工作記憶狀態(tài)的因果源對(duì)應(yīng)的通道有2個(gè);因果匯對(duì)應(yīng)的通道有6個(gè)。靜息狀態(tài)沒有因果源;因果匯對(duì)應(yīng)的通道有3個(gè)。
　　 第2號(hào)大鼠工作記憶狀態(tài)的因果源對(duì)應(yīng)的通道有2個(gè);因果匯對(duì)應(yīng)的通道有4個(gè)。靜息狀態(tài)因果源對(duì)應(yīng)的通道有1個(gè);因果匯對(duì)應(yīng)的通道有2個(gè)。
　　 第3號(hào)大鼠工作記憶狀態(tài)的因果源對(duì)應(yīng)的通道有2個(gè);因果匯對(duì)應(yīng)的通道有4個(gè)。靜息狀態(tài)因果源對(duì)應(yīng)的通

10、道有4個(gè);因果匯對(duì)應(yīng)的通道有6個(gè)。
　　 第4號(hào)大鼠工作記憶狀態(tài)的因果源對(duì)應(yīng)的通道有3個(gè);因果匯對(duì)應(yīng)的通道有3個(gè)。靜息狀態(tài)因果源對(duì)應(yīng)的通道有2個(gè);因果匯對(duì)應(yīng)的通道有3個(gè)。
　　 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(hào)、第2號(hào)、第3號(hào)、第4號(hào)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(jié)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(yàn)，p＜0.01）。
　　 (2)因果流
　　 計(jì)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(shí)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(guān)系網(wǎng)絡(luò)的因果源的頻率——幅

12、值曲線波峰出現(xiàn)在θ頻段（4-12Hz），而且能量也主要集中在θ頻段上。
　　 結(jié)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。