多模態(tài)神經信號協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，在許多復雜認知功能中起了重要作用。工作記憶機制的研究是神經科學和認知科學的前沿科學問題。本研究的科學問題為不同模態(tài)神經信號如何協同編碼工作記憶的機制，包括:(1)局部場電位(local field potentials，LFPs)中與工作記憶相關的主要頻率分量，θ分量(4-12Hz)和γ分量(30-100 Hz)協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，應用在體植入式多通道微電極記錄技術，在大鼠內側前額葉皮層記錄神經電活動的時空序列，從中獲取LFPs和spikes的時空序列。應用時頻從能量分布分析LFPs在WM的主要頻段:θ、γ，應用帶通濾波獲取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中工作記憶相關頻段θ、γ分量協同性強度的頻率調制指數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制強度的調制指數，繪制相位-幅值頻率調制強度分布圖。計算θ分量、γ分量之間調制強度在工作記憶中的動態(tài)變化。
　　(3) LFPs和spikes協同編碼工作記憶:
　　基于聯合

4、熵計算spikes與LFPs工作記憶相關分量（θ、γ分量）的聯合熵指數(joint entropy index，JEI)，定量表征大鼠工作記憶過程中spikes-LFPs相關分量協同性強度。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協同編碼的特征模式。
　　研究結果:
　　(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在工作記憶參考點前1s內，在6號大鼠中，θ、γ頻帶信號的峰值出現在工作記憶參考點前1s附近。
　　(2)LFPs的θ-γ對工作記憶的協同編碼
　　1)基于窄帶濾波的LFPs不同頻率分量調制強度分布
　　LFPs信號不同頻率分量之間調制強度雙峰值分別出現在低頻信號(4-10Hz)的相位與高頻信號幅值（45 Hz和

6、80 Hz附近）之間。根據調制指數峰值分布情況，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頻率范圍內的窄帶LFPs信號（帶寬:4Hz，移動步長:2Hz）的幅值之間不存在調制作用。
　　2) LFPs的θ-γL對工作記憶的協同編碼
　　大鼠前額葉皮層LFPs信號的θ-γL調制指數值在工作記憶過程中動態(tài)變化（4只大鼠，共63

7、次實驗）。在大鼠行為學正確時，θ-γL之間調制強度在工作記憶過程中顯著增加。同時，行為學正確的工作記憶任務中，θ-γL調制強度峰值顯著高于行為學錯誤時兩者調制強度。
　　3) LFPs的θ-γH對工作記憶的協同編碼
　　在行為學正確的實驗中，大鼠前額葉皮層LFPs信號θ-γH之間調制指數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，行為學正確的實驗中不同任務時期LFPsθ-γH之間的調制強度與錯誤實驗中相應任

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

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。結果顯示，兩者的歸一化JEIs值由工作記憶參考點前3s內的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計學意義。對6只大鼠分別進行分析，結果顯示，6只大鼠中，工作記憶參考點前1s內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，結果顯示，兩者的歸一化JEIs值由工作記憶參考點前3s內的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計學意義。
　　3) Spikes-LFPs的γH分量對工作記憶的協同編碼
　　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，結果顯示，兩者的歸一化JEIs值由工作記憶參考點前3s內的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計學意義。
　　研究結論
　　(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