工作記憶動作電位主分量網(wǎng)絡(luò)連接特性的研究.pdf

1、研究目的:
　　工作記憶是重要的認(rèn)知功能之一，前額葉皮層是工作記憶關(guān)鍵腦區(qū)。通過Granger因果和主成分分析方法，在低維空間描述大鼠工作記憶任務(wù)前額葉皮層動作電位PC(Principal components)主分量因果連接。由因果值倒數(shù)構(gòu)建主分量因果網(wǎng)絡(luò)，計算動作電位PC主分量因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率。為研究工作記憶的腦網(wǎng)絡(luò)機(jī)制提供思路和方法。
　　研究方法:
　　1.實驗數(shù)據(jù):6只大鼠在Y迷宮工作記憶任務(wù)過程中，從前

2、額葉皮層多通道記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)過高通濾波，鋒電位檢測，鋒電位分離獲取動作電位序列。
　　2.動作電位序列的連續(xù)化:應(yīng)用瞬時頻率法實現(xiàn)離散點電位動作電位時間序列的連續(xù)化。
　　3.構(gòu)建低維主分量空間:應(yīng)用主分量分析方法(Principal components analysis，PCA)，計算神經(jīng)元群體動作電位時空序列的各個主分量，從中選取占能量80％以上的若干主分量，構(gòu)建低維的主分量空間。
　　4.計算主分量因果值:應(yīng)用G

3、ranger時域分析方法，分別計算6只大鼠各10次以上工作記憶動作電位主分量的因果值矩陣，并計算因果值的平均值(Grangercausality，GCPC)。
　　5.構(gòu)建主分量因果網(wǎng)絡(luò)，基于因果值倒數(shù)為最短路徑構(gòu)建因果網(wǎng)絡(luò)，計算網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞效率(Global efficiency，EPC)。
　　6.由工作記憶任務(wù)過程GCPC與EPC的動態(tài)變化，分析工作記憶的功能連接與腦網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性。
　　研究結(jié)果:
　　

4、1.工作記憶動作電位序列的連續(xù)化
　　在Y迷宮工作記憶任務(wù)過程中，前額葉皮層在體植入多通道電極，記錄到多通道數(shù)據(jù)，經(jīng)過高通濾波，鋒電位檢測，鋒電位分離獲取動作電位序列，進(jìn)而通過瞬態(tài)頻率法得到動作電位的連續(xù)序列。以1號大鼠1次工作記憶任務(wù)為例，顯示原始數(shù)據(jù)，高通濾波后數(shù)據(jù)，鋒電位檢測得到多通道時間序列和鋒電位分離后的動作電位時間序列。
　　2.構(gòu)建低維主分量空間
　　應(yīng)用PCA，計算神經(jīng)元群體動作電位的各個主分量，從中選

5、取占能量80％以上的前7主分量，構(gòu)建低維的PC主分量空間。前7主成分分量占1號大鼠連續(xù)序列全部能量的83.0％，2號大鼠連續(xù)序列全部能量的82.1％，3號大鼠連續(xù)序列全部能量的91.4％，4號大鼠連續(xù)序列全部能量的81.4％，5號大鼠連續(xù)序列全部能量的82.6％，6號大鼠連續(xù)序列全部能量的96.3％。應(yīng)用Granger時域分析，本論文計算6只大鼠各10次工作記憶動作電位前7動作電位PC主分量的因果連接。
　　3.工作記憶任務(wù)動作電

6、位和動作電位PC主分量因果連接
　　3.1動作電位PC主分量因果值的動態(tài)變化
　　分別計算6只大鼠各10次以上工作記憶過程A0到A5（工作記憶行為學(xué)參考點前4s到后2s）動作電位PC主分量因果值得平均值GCPC。因果值是動態(tài)變化，最大值依次為:0.031±0.005、0.041±0.007、0.033±0.006、0.031±0.005、0.027±0.003、0.051±0.016，出現(xiàn)在工作記憶行為學(xué)參考點前2s（1號，

7、2號和3號大鼠），或在工作記憶行為學(xué)參考點前1s（4號，5號和6號大鼠）。其A0動作電位PC因果值分另為:0.023±0.006、0.011±0.005、0.020±0.005、0.011±0.005、0.020±0.005、0.013±0.004。6只大鼠峰值和A0狀態(tài)的動作電位PC因果值都有顯著差異(t檢驗，p＜0.05)。
　　3.2動作電位PC主分量因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率的動態(tài)變化
　　動作電位PC主分量因果值的倒數(shù)為

8、路徑長度建立因果網(wǎng)絡(luò)。分別計算6只大鼠各10次以上工作記憶過程A0到A5（工作記憶行為學(xué)參考點前4s到后2s）動作電位PC主分量因果網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞效率的平均值EPC。信息傳遞效率是動態(tài)變化，最大值依次為:0.63±0.04、0.55±0.04、0.54±0.07、0.50±0.05、0.51±0.04、0.66±0.09，出現(xiàn)在工作記憶行為學(xué)參考點前2s（1號，2號和3號大鼠），或在工作記憶行為學(xué)參考點前1s（4號，5號和6號大鼠）。其

9、A0動作電位PC因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率分別:0.36±0.07、0.26±0.06、0.24±0.07、0.22±0.06、0.25±0.04、0.35±0.08。6只大鼠峰值和A0狀態(tài)的動作電位PC因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率都有顯著差異（t檢驗，p＜0.05）。
　　3.3工作記憶任務(wù)動作電位的因果連接和信息傳遞效率
　　動作電位PC主分量作比較，分別計算動作電位在6只大鼠各10次以上工作記憶過程A0到A5因果值GC。動作電位因果

10、值的倒數(shù)作為路徑長度建立因果網(wǎng)絡(luò)。計算工作記憶任務(wù)每1s動作電位因果網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞效率E。GC和E在工作記憶任務(wù)過程是動態(tài)變化的，從小上升到最大后下降，GC、E、GCPC和EPC最大值出現(xiàn)時間一致。分別計算6只大鼠因果值和因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率在峰值與A0狀態(tài)的統(tǒng)計差異:1，2，3和4號大鼠峰值與A0狀態(tài)的動作電位因果值有顯著差異(t檢驗，p＜0.05)。6只大鼠峰值與A0狀態(tài)的動作電位PC主分量因果值有顯著差異（t檢驗，p＜0.05）。

11、除了1號鼠，其他5只大鼠峰值與A0狀態(tài)的動作電位因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率有顯著差異（t檢驗，p＜0.05）。6只大鼠峰值與A0狀態(tài)的動作電位PC主分量因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率都有顯著差異（t檢驗，p＜0.05）。峰值狀態(tài)動作電位PC主分量的因果值與因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率6只大鼠都顯著高于動作電位（t檢驗，p＜0.05）。
　　結(jié)論:
　　1.在動作電位PC主分量的因果值與因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率工作記憶任務(wù)過程變化趨勢都與動作電位相同，最

12、大值出現(xiàn)在同一時刻。并非全部大鼠動作電位工作峰值與A0狀態(tài)因果值與因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率有顯著差異。6只大鼠峰值與A0狀態(tài)動作電位PC主分量因果值與因果網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率有顯著差異。在低維的主分量空間，能夠有效描述工作記憶功能連接。
　　2.工作記憶任務(wù)過程功能連接是動態(tài)變化，是逐漸上升到最大值再下降的趨勢。緊密的功能連接與高的網(wǎng)絡(luò)信息傳遞效率出現(xiàn)在工作記憶狀態(tài)（在工作記憶行為學(xué)參考點前2s（1號，2號和3號大鼠），或在工作記憶行為學(xué)