多模态神经信号协同编码工作记忆的机制研究

【摘要】研究目的：工作记忆(WM)是一类重要的记忆,在许多复杂认知功能中起了重要作用。工作记忆机制的研究是神经科学和认知科学的前沿科学问题。本研究的科学问题为不同模态神经信号如何协同编码工作记忆的机制,包括：(1)局部场电位(localfieldpotentials,LFPs)中与工作记忆相关的主要频率分量,0分量(4-12Hz)和γ分量(30-100Hz)协同编码工作记忆的机制；(2)锋电位(spikes)和局部场电位(LFPs)协同编码工作记忆的机制。研究方法：(1)工作记忆不同模态神经信号的获取：本论文中,以SD大鼠在Y迷宫的工作记忆为研究对象,应用在体植入式多通道微电极记录技术,在大鼠内侧前额叶皮层记录神经电活动的时空序列,从中获取LFPs和spikes的时空序列。应用时频从能量分布分析LFPs在WM的主要频段：0、γ,应用带通滤波获取LFPs的θ分量和γ分量。(2)LFPs的θ和γ频率分量协同编码工作记忆：采用相位-幅值交叉频率匹配的方法,分别计算定量表征各个通道LFPs中工作记忆相关频段θ、γ分量协同性强度的频率调制指数MI。对4-100Hz的LFPs信号进行带宽为4Hz,移动步长为2Hz的带通滤波,计算定量表征各频带信号之间调制强度的调制指数,绘制相位-幅值频率调制强度分布图。计算0分量、Y分量之间调制强度在工作记忆中的动态变化。(3)LFPs和spikes协同编码工作记忆：基于联合熵计算spikes与LFPs工作记忆相关分量(θ、γ分量)的联合熵指数(jointentropyindex,JEI),定量表征大鼠工作记忆过程中spikes-LFPs相关分量协同性强度。分别计算工作记忆过程中,动态变化spikes-θ、spikes-低频γ和spikes-高频γ分量JEI值,分析spikes-LFPs协同编码的特征模式。研究结果：(1)工作记忆过程中LFPs时频分布在6只大鼠工作记忆过程中,LFPs中低频部分(<20Hz)能量高于高频部分能量。在1号到5号大鼠中,θ、γ频带信号的峰值出现在工作记忆参考点前1s内,在6号大鼠中,θ、γ频带信号的峰值出现在工作记忆参考点前1s附近。(2)LFPs的0-γ对工作记忆的协同编码1)基于窄带滤波的LFPs不同频率分量调制强度分布LFPs信号不同频率分量之间调制强度双峰值分别出现在低频信号(4-10Hz)的相位与高频信号幅值(45Hz和80Hz附近)之间。根据调制指数峰值分布情况,将在γ频带进一步划分为低频γ(γL,30-60Hz)和高频γ(γH：60-100Hz)。较高频率信号(20-100Hz)的相位与4-100Hz频率范围内的窄带LFPs信号(带宽：4Hz,移动步长：2Hz)的幅值之间不存在调制作用。2)LFPs的θγL对工作记忆的协同编码大鼠前额叶皮层LFPs信号的θ-γL调制指数值在工作记忆过程中动态变化(4只大鼠,共63次实验)。在大鼠行为学正确时,θ-γL之间调制强度在工作记忆过程中显著增加。同时,行为学正确的工作记忆任务中,θ-γL调制强度峰值显著高于行为学错误时两者调制强度。3)LFPs的θ-γH对工作记忆的协同编码在行为学正确的实验中,大鼠前额叶皮层LFPs信号θ-γH之间调制指数值在工作记忆过程中无显著变化(4只大鼠,共63次实验)。同时,行为学正确的实验中不同任务时期LFPsθ-γH之间的调制强度与错误实验中相应任务时期调制指数值之间不存在统计学差异。4)工作记忆过程中,16通道LFPs的θ-γL调制强度动态变化工作记忆过程中,16通道LFPs的0信号与低频γ信号之间的调制强度变化存在差异性。在大鼠行为学正确的实验中,多数通道中0信号与低频γ信号之间的调制作用强度显著增强,但不是所有通道。(3)Spikes-LFPs对工作记忆的协同编码1)Spikes-LFPs的θ分量对工作记忆的协同编码对工作记忆过程中,6只大鼠各10次实验归一化spikes-LFPs的0分量JEIs值进行平均。结果显示,两者的归一化JEIs值由工作记忆参考点前3s内的0.345±0.038(均值±标准误),增加至工作记忆参考点前1s的最大值0.721±0.033(均值±标准误),两者之间的差异具有统计学意义。对6只大鼠分别进行分析,结果显示,6只大鼠中,工作记忆参考点前1s内spikes-0分量JEIs值均显著升高。2)Spikes-LFPs的γL分量对工作记忆的协同编码对工作记忆过程中,6只大鼠各10次实验归一化spikes-γL分量JEIs值进行平均,结果显示,两者的归一化JEIs值由工作记忆参考点前3s内的0.408±0.040(均值±标准误),增加至工作记忆参考点前1s的最大值0.696±0.040(均值±标准误),两者之间的差异具有统计学意义。3)Spikes-LFPs的γH分量对工作记忆的协同编码对工作记忆过程中,6只大鼠各10次实验归一化spikes-YH分量JEIs值进行平均,结果显示,两者的归一化JEIs值由工作记忆参考点前3s内的0.393±0.041(均值±标准误),增加至工作记忆参考点前1s的最大值0.690±0.038(均值±标准误),两者之间的差异具有统计学意义。研究结论(1)工作记忆过程中,LFPs的θ、γ分量的能量显著增加,为工作记忆主要频率分量。(2)大鼠前额叶皮层LFPs的θ分量和低频γ分量调制强度在大鼠行为学正确的任务中显著增强,两者协同编码了工作记忆。(3)大鼠前额叶皮层spikes和LFPs的θ、Y分量协同编码了工作记忆。在大鼠行为学正确的实验中,6只大鼠前额叶皮层spikes和LFPs工作记忆相关分量(0,低频γ和高频γ)的协同性均显著增强并在工作记忆参考点前达到峰值。
【作者】李双燕；
【导师】田心；
【作者基本信息】天津医科大学，生物医学工程，2014，博士
【关键词】大鼠；Y迷宫工作记忆；锋电位；局部场电位；多模态；协同编码；

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