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

1、研究目的:
　　工作記憶(WM)是一類重要的記憶，在許多復(fù)雜認知功能中起了重要作用。工作記憶機制的研究是神經(jīng)科學(xué)和認知科學(xué)的前沿科學(xué)問題。本研究的科學(xué)問題為不同模態(tài)神經(jīng)信號如何協(xié)同編碼工作記憶的機制，包括:(1)局部場電位(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制;(2)鋒電位(spikes)和局部場電位(LF

2、Ps)協(xié)同編碼工作記憶的機制。
　　研究方法:
　　(1)工作記憶不同模態(tài)神經(jīng)信號的獲取:
　　本論文中，以SD大鼠在Y迷宮的工作記憶為研究對象，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)電活動的時空序列，從中獲取LFPs和spikes的時空序列。應(yīng)用時頻從能量分布分析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，分別計算定量表征各個通道LFPs中工作記憶相關(guān)頻段θ、γ分量協(xié)同性強度的頻率調(diào)制指數(shù)MI。對4-100 Hz的LFPs信號進行帶寬為4 Hz，移動步長為2 Hz的帶通濾波，計算定量表征各頻帶信號之間調(diào)制強度的調(diào)制指數(shù)，繪制相位-幅值頻率調(diào)制強度分布圖。計算θ分量、γ分量之間調(diào)制強度在工作記憶中的動態(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程中spikes-LFPs相關(guān)分量協(xié)同性強度。分別計算工作記憶過程中，動態(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)工作記憶過程中LFPs時頻分布
　　在6只大鼠工作記

5、憶過程中，LFPs中低頻部分(＜20 Hz)能量高于高頻部分能量。在1號到5號大鼠中，θ、γ頻帶信號的峰值出現(xiàn)在工作記憶參考點前1s內(nèi)，在6號大鼠中，θ、γ頻帶信號的峰值出現(xiàn)在工作記憶參考點前1s附近。
　　(2)LFPs的θ-γ對工作記憶的協(xié)同編碼
　　1)基于窄帶濾波的LFPs不同頻率分量調(diào)制強度分布
　　LFPs信號不同頻率分量之間調(diào)制強度雙峰值分別出現(xiàn)在低頻信號(4-10Hz)的相位與高頻信號幅值（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(20-100 Hz)的相位與4-100 Hz頻率范圍內(nèi)的窄帶LFPs信號（帶寬:4Hz，移動步長:2Hz）的幅值之間不存在調(diào)制作用。
　　2) LFPs的θ-γL對工作記憶的協(xié)同編碼
　　大鼠前額葉皮層LFPs信號的θ-γL調(diào)制指數(shù)值在工作記憶過程中動態(tài)變化（4只大鼠，共63

7、次實驗）。在大鼠行為學(xué)正確時，θ-γL之間調(diào)制強度在工作記憶過程中顯著增加。同時，行為學(xué)正確的工作記憶任務(wù)中，θ-γL調(diào)制強度峰值顯著高于行為學(xué)錯誤時兩者調(diào)制強度。
　　3) LFPs的θ-γH對工作記憶的協(xié)同編碼
　　在行為學(xué)正確的實驗中，大鼠前額葉皮層LFPs信號θ-γH之間調(diào)制指數(shù)值在工作記憶過程中無顯著變化（4只大鼠，共63次實驗）。同時，行為學(xué)正確的實驗中不同任務(wù)時期LFPsθ-γH之間的調(diào)制強度與錯誤實驗中相應(yīng)任

8、務(wù)時期調(diào)制指數(shù)值之間不存在統(tǒng)計學(xué)差異。
　　4)工作記憶過程中，16通道LFPs的θ-γL調(diào)制強度動態(tài)變化
　　工作記憶過程中，16通道LFPs的θ信號與低頻γ信號之間的調(diào)制強度變化存在差異性。在大鼠行為學(xué)正確的實驗中，多數(shù)通道中θ信號與低頻γ信號之間的調(diào)制作用強度顯著增強，但不是所有通道。
　　(3) Spikes-LFPs對工作記憶的協(xié)同編碼
　　1) Spikes-LFPs的θ分量對工作記憶的協(xié)同編碼

9、>　　對工作記憶過程中，6只大鼠各10次實驗歸一化spikes-LFPs的θ分量JEIs值進行平均。結(jié)果顯示，兩者的歸一化JEIs值由工作記憶參考點前3s內(nèi)的0.345±0.038（均值±標準誤），增加至工作記憶參考點前1s的最大值0.721±0.033（均值±標準誤），兩者之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。對6只大鼠分別進行分析，結(jié)果顯示，6只大鼠中，工作記憶參考點前1s內(nèi)spikes-θ分量JEIs值均顯著升高。
　　2) Spike

10、s-LFPs的γL分量對工作記憶的協(xié)同編碼
　　對工作記憶過程中，6只大鼠各10次實驗歸一化spikes-γL分量JEIs值進行平均，結(jié)果顯示，兩者的歸一化JEIs值由工作記憶參考點前3s內(nèi)的0.408±0.040（均值±標準誤），增加至工作記憶參考點前1s的最大值0.696±0.040（均值±標準誤），兩者之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　3) Spikes-LFPs的γH分量對工作記憶的協(xié)同編碼
　　對工作記憶過程中

11、，6只大鼠各10次實驗歸一化spikes-γH分量JEIs值進行平均，結(jié)果顯示，兩者的歸一化JEIs值由工作記憶參考點前3s內(nèi)的0.393±0.041（均值±標準誤），增加至工作記憶參考點前1s的最大值0.690±0.038（均值±標準誤），兩者之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　研究結(jié)論
　　(1)工作記憶過程中，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