多通道LFPs-Spikes時(shí)變頻譜相干及其對(duì)工作記憶事件編碼的研究.pdf

1、研究目的:大腦的工作記憶是由不同模態(tài)的神經(jīng)信號(hào),以及不同腦區(qū)同一模態(tài)的神經(jīng)信號(hào)相互協(xié)同來(lái)編碼的。本論文基于大鼠工作記憶過(guò)程中在體前額葉皮層上獲得的兩類不同模態(tài)的多通道神經(jīng)信號(hào):多通道局部場(chǎng)電位(local field potentials,LFPs)和離散點(diǎn)電位形式的多通道峰電位(Spikes)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)展和應(yīng)用LFPs-Spikes的時(shí)變頻譜相干(time-varying spectrum coherence)編碼方法,及其對(duì)工作

2、記憶任務(wù)的協(xié)同編碼模式,為研究工作記憶的神經(jīng)編碼機(jī)制提供神經(jīng)計(jì)算支持。
　　 研究方法:
　　 1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):來(lái)自本實(shí)驗(yàn)室,應(yīng)用清醒動(dòng)物在體多通道采集技術(shù),在大鼠工作記憶過(guò)程中記錄的前額葉皮層16通道神經(jīng)信號(hào)。
　　 2.多通道LFPs和Spikes的時(shí)變譜相干方法:
　　 (1)16通道LFPs的時(shí)變頻譜相干分布對(duì)16通道原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波(0～300Hz),獲得16通道LFPs。利用加權(quán)最小二乘

3、的局部線性回歸與擬合方法消除16通道LFPs信號(hào)中夾雜的基線漂移與工頻干擾,獲取零均值16通道LFPs。
　　 分別計(jì)算每個(gè)通道LFPs的功率譜密度(Power Spectral Density,PSD),選取PSD分布集中的θ頻段作為L(zhǎng)FPs的特征頻段。
　　 選取功率最大、變化最明顯的通道作為計(jì)算相干頻譜分布的參考通道；選取計(jì)算窗口為50ms,移動(dòng)步長(zhǎng)為12.5ms,從初始點(diǎn)開(kāi)始逐個(gè)計(jì)算每個(gè)窗口中每個(gè)通道LFP以及L

4、FP的θ分量對(duì)參考通道的頻譜相干分析,分別繪制多通道LFPs及其θ分量的時(shí)變頻譜相干動(dòng)態(tài)分布圖。
　　 (2)25個(gè)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢粫r(shí)空序列的獲取及其時(shí)變頻譜相干編碼對(duì)16通道原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波(≥300Hz),獲得16通道高通信號(hào)。選取超出閾值-65μV且信噪比大于3.0認(rèn)定為每個(gè)通道的峰電位(Spikes),或稱為multi-unit。本論文中可以有效獲得Spikes序列的通道是14個(gè)。應(yīng)用美國(guó)Plexon公司提供的Of

5、fiine Sorter神經(jīng)信號(hào)分類軟件對(duì)14個(gè)通道的Spikes逐一進(jìn)行單個(gè)神經(jīng)元放電的分類(sorting),獲得25個(gè)神經(jīng)元發(fā)放的動(dòng)作電位時(shí)空序列。
　　 分別計(jì)算每個(gè)神經(jīng)元窗口放電率{r(t)}i的PSD分布,選取PSD分布集中的θ頻段為神經(jīng)元群體放電時(shí)空序列的特征頻段。
　　 從25個(gè)神經(jīng)元中選取PSD最大、變化最明顯的神經(jīng)元作為參考神經(jīng)元。選取計(jì)算窗口為50ms,移動(dòng)步長(zhǎng)為12.5ms,從初始點(diǎn)開(kāi)始逐個(gè)計(jì)算每

6、個(gè)窗口中每個(gè)神經(jīng)元的平均放電頻率,及其對(duì)參考神經(jīng)元的頻譜相干分析,獲取神經(jīng)元群體的時(shí)變頻譜相干動(dòng)態(tài)分布。
　　 (3)14通道LFPs-Spikes之間的時(shí)變頻譜相干分布將14通道LFPs和14通道Spikes進(jìn)行配對(duì),得到14通道LFPs-Spikes數(shù)據(jù)對(duì)。選取計(jì)算窗口為50ms,移動(dòng)步長(zhǎng)為12.5ms,從初始點(diǎn)開(kāi)始逐個(gè)計(jì)算每個(gè)窗口中每個(gè)通道LFPs-Spikes的頻譜相干值,獲取14通道LFPs-Spikes的時(shí)變頻譜相干

7、動(dòng)態(tài)分布。
　　 計(jì)算每個(gè)通道LFP的整體PSD分布,同時(shí)利用點(diǎn)電位平均發(fā)放率的方法計(jì)算Spikes的PSD分布,選取特征頻段(θ頻段),如上計(jì)算θ頻段LFPs-Spikes的時(shí)變相干動(dòng)態(tài)分布。
　　 結(jié)果：
　　 1.16通道LFPs時(shí)變頻譜相干模式：
　　 (1)PSD峰值頻率為(8.45±2.46)Hz,特征θ頻段(4～13Hz)占整體頻段(0～120Hz)的(48.89±3.05)％；
　　

8、 (2)37次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中,大鼠工作記憶事件前后1s的時(shí)變頻譜相干平均值分別為:
　　 ①LFPs的θ分量:0.2404±0.0102與0.7825±0.0104,經(jīng)t檢驗(yàn),事件點(diǎn)后1s的時(shí)變頻域相干值比事件點(diǎn)前1s顯著增加(P<0.05);
　　 ②LFPs的全頻段:0.3913±0.0189與0.4729±0.0178,經(jīng)t檢驗(yàn),事件點(diǎn)前后相干值無(wú)顯著增加(P>0.05)。
　　 ③LFPs的其它分量,如δ分

9、量:0.2113±0.0140與0.2621±0.0121,經(jīng)t檢驗(yàn),事件點(diǎn)前后相干值無(wú)顯著增加(P>0.05)。
　　 2.25個(gè)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢粫r(shí)空序列時(shí)變頻譜相干編碼模式：
　　 (1)PSD峰值頻率為(8.25±3.12)Hz,特征θ頻段(4～13Hz)占整體頻段(0～120Hz)的(60.03±6.98)％；
　　 (2)37次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中,大鼠工作記憶事件前后1s的時(shí)變頻譜相干平均值分別為:
　　

10、 ①時(shí)空序列的θ分量:0.1952±0.0064與0.7357±0.0083,經(jīng)t檢驗(yàn),事件點(diǎn)后1s的時(shí)變頻域相干值比事件點(diǎn)前1s顯著增加(P<0.05):
　　 ②平均放電頻率:0.2711±0.0046與0.3265±0.0038,經(jīng)t檢驗(yàn),事件前后相干值無(wú)顯著改變(P>0.05)。
　　 3.14通道LFPs-Spikes時(shí)變頻譜相干模式：
　　 (1)LFPs的PSD峰值頻率為(7.86±2.74)Hz,

11、Spikes的PSD峰值頻率為(8.26±1.64)Hz,特征θ頻段(4～13Hz)占整體頻段(0～120Hz)的(46.21±4.07)％;
　　 (2)37次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中,大鼠工作記憶事件前后1s的時(shí)變頻譜相干平均值分別為:
　　 ①LFPs-Spikes的θ分量:0.2222±0.0108與0.7786±0.0129,經(jīng)t檢驗(yàn),事件點(diǎn)后1s的時(shí)變頻域相干值比事件點(diǎn)前1s顯著增加(P<0.05)；
　　 ②LF

12、Ps-Spikes的全頻段:0.2987±0.0077與0.3332±0.0088,經(jīng)t檢驗(yàn),事件點(diǎn)前后相干值無(wú)顯著改變(P>0.05)。
　　 結(jié)論：
　　 本論文研究16通道LFPs,25個(gè)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢灰约?4通道LFPs-Spikes的時(shí)變頻譜相干編碼,結(jié)論如下:
　　 1.16通道LFPs及θ分量的時(shí)變相干譜分布模式：
　　 (1)LFPs的θ頻段是大鼠工作記憶編碼的特征頻段,16通道θ分量的時(shí)

13、變頻譜相干有效地編碼了工作記憶事件:事件后1s的平均頻譜相干值顯著高于事件前(P<0.05)；
　　 (2)16通道LFPs編碼大鼠工作記憶事件效果在P>0.05水平上不顯著;其它分量(如6分量)編碼低于LFPs整體編碼效果。
　　 2.25個(gè)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢粫r(shí)空序列及其θ分量時(shí)變頻譜相干編碼模式(1)點(diǎn)電位表示的動(dòng)作電位序列放電頻率的θ分量有效地編碼了工作記憶事件:事件后1s的平均頻譜相干值顯著高于事件前(P<0.05)