多通道局部場電位的PCA特征值對刺激編碼的研究.pdf

1、研究目的：局部場電位（local Field Potentials，LFPs）是突觸后電位的綜合，以多個神經元的協(xié)同電活動表征外界刺激。本論文應用主分量分析法研究多通道場電位相關矩陣的各個主方向上的特征值，應用最大特征值λ1對刺激的編碼規(guī)律，為研究多通道場電位對刺激的表達提供神經計算支持。 研究方法： 1.LFPs的主分量分析：應用主分量分析法，研究多通道局部場點位在陽性刺激前后時域和相位同步變化與外界刺激的特征模式。分

2、別對全頻段信號（0-300Hz）、小波分解提取的θ頻段信號（4-8Hz）和γ頻段信號（30-60Hz）進行時域上和相位上的同步性的主分量分析，研究最大特征值λ1在刺激前后的變化，以分析多通道LFPs對刺激的表征。 ①主分量分析：選擇時間窗50ms，移動窗口步長25ms，計算n通道信號的互相關值，將n×（n-1）/2個相關系數(shù)構建相關矩陣，計算矩陣的特征值λi（i=l，2，...，n），則每一個特征值對應一個方向上的特征向量。取最

3、大特征值即第1分量λ1來表征多通道LFPs和外界刺激的關系。 ②小波分解：采用Daubechies類db4小波作為小波分解的小波基函數(shù)，對14通道的LFPs進行L=8的分解，得到小波分解結構[cA6，cD6，...，cD1]，提取與記憶相關的θ頻段、γ頻段，分解的頻段分別為4-8Hz、30-60Hz，對應小波分解第8層和第5層。 2.LFPs相位的主分量分析：Hilbert變換：為從相位上考察多通道LFPs對外界刺激的同

4、步變化模式，應用Hilbert變換提取LFPs的瞬時相位，然后進行上述的①、②步驟計算最大特征值九λ1。 λ1地形圖的繪制：用主分量分析計算得到的最大特征值λ1的值，繪制地形圖，用來表達在陽性刺激下多通道LFPs的瞬時變化模式。 實驗數(shù)據(jù)由上海復旦大學神經生物研究所提供，為陽性刺激和陰性刺激過程的16通道LFPs。經過預處理得到穩(wěn)定記錄的14通道LFPs。在本論文中，分別對兩類過程中各10次重復實驗的刺激前、后各1s的數(shù)

5、據(jù)進行多通道信號同步性變化的主分量分析。 研究結果：將10次實驗中兩類刺激下刺激前、后1s的16通道LFPs經過預處理以后，獲得14通道的LFPs數(shù)據(jù)，分別在陽性刺激和陰性刺激下的14通道LFPs進行主分量分析，以λ1表達LFPs和LFPs相位同步性對刺激的編碼， 結果如下： 對兩類過程中各10次刺激的刺激前1s后1s的數(shù)據(jù)計算λ1值，10次刺激的計算結果如下： （1）LFPs同步性編碼刺激： ①

6、.14通道12Ps在陽性刺激下，刺激后1s的λ1的值0.56±0.13，刺激前1s值0.4±0.10，（P<0.05）。陰性刺激下刺激前1s后值0.42±0.09，刺激前1s值為0.41±0.10。 ②.θ頻段：陽性刺激下刺激后1sλ1值0.64±0.18，刺激前1s值0.41±0.12，（P<0.01）。陰性刺激下刺激后1s值為0.40±0.12，刺激前1s值為0.39±0.12。 ③.γ頻段：陽性刺激下刺激后1sλ1

7、值0.60±0.13，刺激前1s值0.43±0.10，（P<0.05）。陰性刺激下刺激后1s值為0.48±0.09，刺激前1s值0.46±0.10。 （2）多通道LFPs相位同步模式編碼刺激： ①.14通道LFPs在陽性刺激下刺激后1s相位同步的λ1值0.39±0.09，刺激前1s值0.27±0.08，（P<0.05）。陰性刺激下，刺激后0.31±0.08，刺激前0.2±0.09。 ②.θ頻段的相位：陽性刺激下刺

8、激后1sλ1值0.50±0.17，刺激前1s值0.30±0.11，（P<0.01），陰性刺激下刺激后1s值0.30±0.11，刺激前1s值0.29±0.11。 ③.γ頻段的相位：陽性刺激下刺激后1sλ1值0.48±0.11，刺激前1s值0.35±0.08，（P<0.05）。陰性刺激下刺激后1s值為0.36±0.08，刺激前1s值0.35±0.09。 研究結論：本論文應用主分量分析法對陽性和陰性刺激下多通道LFPs對外界刺