特定行為下大鼠M1和PPC的局部場電位研究.pdf

1、腦機接口(Brain Computer Interface，BCI)是在人腦和計算機或其它電子設備之間建立的一種直接的、全新的信息交流系統(tǒng)，現(xiàn)已經成為神經科學與信息工程技術交叉學科的熱點課題。腦機接口中的關鍵技術之一是研究動物一定行為狀態(tài)下所對應的腦電活動特征，并將其解碼轉換為計算機指令。分析特定行為下動物運動相關的大腦皮層的局部場電位(Local Field Potential，LFPs)特征是BCI研究的重要內容之一。除此之外，還可

2、以檢測和分析其他行為和認知功能，促進對大腦功能的深入研究。
　　本課題以大鼠為實驗對象，利用自制微電極和行為同步裝置、多通道生理信號采集處理系統(tǒng)以及高阻抗微電放大器，同步記錄了大鼠抓食行為下初級運動皮層(Primary Motor Cortex，M1)和后頂葉皮層(Posterior Parietal Cortex，PPC)的LFPs，并用MATLAB軟件對采集的信號進行處理分析，目的是研究動物特定行為所對應的LFPs變化，以及特

3、定行為下大鼠M1和PPC的LFPs之間的關系，為以后基于LFPs的BCI研究奠定基礎。
　　本實驗的研究內容主要分為以下兩部分:
　　一、大鼠特定行為下M1的LFPs變化研究
　　本部分利用自制單通道微電極，對大鼠抓食行為過程中同步記錄的M1的LFPs進行分析。根據(jù)所記錄的LFPs的變化和同步記錄的大鼠抓食行為變化，將大鼠的抓食行為分為四個時期，分別為:抓食前期、計劃期、抓食期和完成期。對不同時期的LFPs的研究分別采

4、用了時域分析、頻域分析和時-頻分析的方法。從時域分析上看，大鼠在抓食前期其LFPs表現(xiàn)為一定規(guī)律的簇狀、較大振幅的電活動；而計劃期則呈現(xiàn)出明顯的一過性低振幅特點；在抓食期，其幅值又有明顯的增大，與計劃期相比有顯著的差異；隨后在完成期，其幅值又表現(xiàn)為一定程度的減小。從頻域和時頻分析上看，大鼠抓食前期其M1的LFPs主要以100Hz以上頻率的波為主，在計劃期以30-100Hz頻率的波為主；而在抓食期其LFPs主要集中于較低頻的14-30Hz

5、的頻率范圍內，而且該時期其能量譜和功率的分布也明顯的大于抓食前期和計劃期；完成期也表現(xiàn)為一定程度的14-30Hz的波，但是該時期的能量譜和功率分布也明顯小于抓食期。從Welch功率譜密度分析上看，與上述結果一致，顯示14-30Hz頻段波的功率譜密度最強。結果提示:大鼠在抓食行為過程中，M1區(qū)前肢運動相關的神經元活動引發(fā)的LFPs變化對應于大鼠不同的行為狀態(tài)，提示LFPs起到了一定程度的“編碼”作用，證明了用與前肢運動相關的M1的LFPs

6、來識別前肢運動行為的可行性。
　　二、大鼠特定行為下M1和PPC的場電位的相關性研究
　　據(jù)以往的研究發(fā)現(xiàn)，PPC與視覺參與下的運動的計劃形成有關。本部分利用自己設計的多通道微電極同步記錄了大鼠抓食行為狀態(tài)下M1和PPC的LFPs，并利用信號對比、相位分析和互相關分析等方法對二者的變化進行相關性研究。研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠進行特定行為過程中，其M1和PPC的LFPs都呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化。對比兩腦區(qū)的LFPs信號，在時域分析中兩

7、者差異不明顯；從相位上分析，兩通道的信號具有明顯的相位差，說明二者的LFPs在時間的發(fā)生上具有一定的差異；用兩通道信號互相關分析，發(fā)現(xiàn)PPC的LFPs的變化在時間上要早于M1，該延遲時間為5.45士2.68ms，與相位分析的結果一致，進一步證實了PPC的LFPs的出現(xiàn)早于M1。結果提示:在動物進行特定行為過程中，PPC與M1在電位變化上具有一定的相關性，而且PPC的LFPs的變化在時間上要早于M1，證明PPC對M1有一定的“計劃”和“調