【摘要】：研究目的:工作記憶是與許多復(fù)雜認(rèn)知活動有關(guān)的重要記憶類型,工作記憶的信息編碼機(jī)制是認(rèn)知科學(xué)關(guān)注的重要科學(xué)問題。本論文以大鼠在Y迷宮的工作記憶為研究對象,研究工作記憶的責(zé)任腦區(qū)(前額葉皮層)兩類不同模態(tài)的神經(jīng)電信號:多通道局部場電位(Local Field Potentials,LFPs)和多通道鋒電位(Spikes)對工作記憶的頻域相干協(xié)同編碼與非線性互信息協(xié)同編碼特征模式,研究兩類不同模態(tài)的神經(jīng)信號是如何協(xié)同編碼工作記憶的機(jī)制,本論文的研究成果為研究工作記憶的神經(jīng)信息編碼機(jī)制提供創(chuàng)新思路與研究方法的支持。研究方法:1.大鼠工作記憶前額葉皮層兩類不同模態(tài)的神經(jīng)電信號的獲取與匹配本論文的兩類不同模態(tài)的神經(jīng)電信號實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自4只成年SD大鼠的40次Y迷宮工作記憶行為學(xué)正確的實(shí)驗(yàn)。大鼠經(jīng)過Y迷宮工作記憶行為學(xué)的規(guī)范訓(xùn)練達(dá)標(biāo)以后,應(yīng)用在體植入式多通道微電極記錄技術(shù),在大鼠工作記憶過程中,記錄前額葉皮層16通道神經(jīng)電活動原始數(shù)據(jù)。原始記錄信號通過0.3-500Hz濾波獲取局部場電位LFPs時間序列,通過500-7500Hz濾波、閾值檢測獲取離散鋒電位Spikes時間序列。在檢測每個通道鋒電位Spike與局部場電位LFP有效性的基礎(chǔ)上,同通道的Spikes與LFPs數(shù)據(jù)匹配,保證每只大鼠在10次行為學(xué)正確實(shí)驗(yàn)中,有效的Spikes與LFPs的通道一致。本論文經(jīng)過匹配以后4只大鼠有效通道均為14個。為了與工作記憶狀態(tài)對比,每只大鼠記錄10次靜息狀態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對照。2.局部場電位LFP的預(yù)處理、時頻分析與特征頻段的提取對獲取的的每個通道LFP進(jìn)行去工頻干擾、去基線漂移等預(yù)處理。應(yīng)用短時傅里葉變換,獲取工作記憶過程中多通道LFPs的時頻分布,從中選取工作記憶能量集中的主要頻段,應(yīng)用帶通濾波的方法提取LFP特征頻段分量:θ分量與γ分量。3.鋒電位Spikes的時間連續(xù)化應(yīng)用瞬時頻率法,將每個通道離散的鋒電位Spikes時間序列連續(xù)化,獲取時間連續(xù)化的Spikes時空序列。4.大鼠工作記憶LFPs-Spikes的頻譜相干協(xié)同編碼應(yīng)用頻譜相干分析方法,選取時間窗口為500ms,窗口移動步長為125ms,分別計(jì)算在每只大鼠在每次實(shí)驗(yàn)的工作記憶過程中,每個通道lfp的θ分量、γ分量與spikes時間序列連續(xù)序列的頻率相干值的時空分布。分別獲得4只大鼠在各自10次實(shí)驗(yàn)的lfpθ分量-spike平均頻譜相干值的時空分布,lfpγ分量-spike平均頻率相干值的時空分布。分別計(jì)算在每只大鼠在10次靜息狀態(tài)中,每個通道lfp的θ分量、γ分量與spikes時間序列連續(xù)序列的頻譜相干值的平均時空分布。統(tǒng)計(jì)比較工作記憶與靜息狀態(tài)的頻譜相干值的差別。本論文對4只大鼠共40次工作記憶與40次靜息實(shí)驗(yàn)的頻譜相干值均進(jìn)行了歸一化處理,80次實(shí)驗(yàn)的頻譜相干最大歸一化值為1,最小歸一化值為0�；诠ぷ饔洃涱l譜相干時空分布特征模式,分析研究大鼠工作記憶lfps-spikes的頻譜相干協(xié)同編碼機(jī)制。5.大鼠工作記憶lfps-spikes的互信息協(xié)同編碼應(yīng)用互信息分析方法,選取時間窗口為500ms,窗口移動步長為125ms,分別計(jì)算在每只大鼠在每次實(shí)驗(yàn)的工作記憶過程中,每個通道lfp的θ分量、γ分量與spikes時間序列連續(xù)序列的互信息值的時空分布。分別獲得4只大鼠在各自10次實(shí)驗(yàn)的lfp的θ分量-spike的平均互信息值時空分布,lfp的γ分量-spike的平均互信息值時空分布。分別計(jì)算在每只大鼠在10次靜息狀態(tài)中,每個通道lfp的θ分量、γ分量與spikes時間序列連續(xù)序列的互信息值的平均時空分布。統(tǒng)計(jì)比較工作記憶與靜息狀態(tài)的頻率相干值的差別。本論文4只大鼠共40次工作記憶與40次靜息實(shí)驗(yàn)的互信息值均進(jìn)行了歸一化處理,80次實(shí)驗(yàn)的互信息最大值為1,最小值為0。基于工作記憶互信息值時空分布特征模式,研究大鼠工作記憶lfps-spikes的互信息協(xié)同編碼機(jī)制。6.統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用t-檢驗(yàn)分析比較lfps-spikes的頻譜相干協(xié)同編碼與互信息協(xié)同編碼在工作記憶與靜息狀態(tài)是否存在顯著差異(p0.05)。研究結(jié)果:1.大鼠y迷宮工作記憶行為學(xué)結(jié)果經(jīng)過y迷宮工作記憶行為學(xué)的規(guī)范訓(xùn)練,記錄到4只大鼠共51次y迷宮工作記憶行為學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),其中行為學(xué)正確的實(shí)驗(yàn)45次,行為學(xué)正確率為88.2%,達(dá)到大鼠工作記憶訓(xùn)練成功的正確率超過85%的標(biāo)準(zhǔn)。本論文從大鼠行為學(xué)正確的實(shí)驗(yàn)中,選取4只大鼠各10次工作記憶行為學(xué)正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2.工作記憶lfps的時頻分布特征工作記憶狀態(tài)下lfps的能量主要集中在θ頻段(4-12hz)和γ頻段(30-60hz),lfps的特征頻段為θ和γ頻段。θ和γ頻段能量的峰值出現(xiàn)在行為學(xué)參考點(diǎn)前。3.lfps-spikes的頻譜相干協(xié)同編碼了工作記憶(1)lfps的θ分量-spikes的頻譜相干協(xié)同編碼4只大鼠各10次工作記憶行為學(xué)正確實(shí)驗(yàn)中,lfps的θ分量-spikes在工作記憶狀態(tài)頻譜相干的平均值分別為0.7904?0.0158,0.6701?0.0163,0.6825?0.0104,0.6013?0.1361;10次靜息狀態(tài)的頻譜相干平均值分別為0.3347?0.0130,0.3475?0.0168,0.4402?0.0543,0.3224?0.0528;t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,工作記憶狀態(tài)的lfps的θ分量-spikes頻譜相干值顯著大于靜息狀態(tài)(p0.05),兩者協(xié)同編碼了工作記憶。lfps的θ分量-spikes在工作記憶過程的頻譜相干峰值出現(xiàn)在行為學(xué)參考點(diǎn)前(0.9715?0.2496s)。(2)lfps的γ分量-spikes的頻譜相干協(xié)同編碼4只大鼠各10次工作記憶行為學(xué)正確實(shí)驗(yàn)中,lfps的γ分量-spikes在工作記憶狀態(tài)頻譜相干值分別為0.8003?0.0185,0.7902?0.0254,0.8125?0.0141,0.7884?0.1221;10次靜息狀態(tài)的頻譜相干值分別為0.4557?0.0120,0.4754?0.0093,0.4301?0.0413,0.4311?0.0322;t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,工作記憶狀態(tài)的lfps的γ分量-spikes頻譜相干值顯著大于靜息狀態(tài)(p0.05),兩者協(xié)同編碼了工作記憶。lfpsγ分量-spikes在工作記憶過程的頻譜相干峰值出現(xiàn)在行為學(xué)參考點(diǎn)前(0.7715?0.1393s)。4.lfps-spikes的互信息協(xié)同編碼了工作記憶(1)lfps的θ分量-spikes的互信息協(xié)同編碼4只大鼠各10次工作記憶行為學(xué)正確實(shí)驗(yàn)中,lfps的θ分量-spikes在工作記憶狀態(tài)的平均互信息值分別為0.6812?0.0302,0.6739?0.0527,0.6449?0.0432,0.6103?0.0500;10次靜息狀態(tài)的互信息值分別為0.3341?0.0116,0.3257?0.0214,0.3152?0.0523,0.3824?0.0435;t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,工作記憶狀態(tài)的lfps的θ分量-spikes互信息值顯著大于靜息狀態(tài)(p0.05),協(xié)同編碼了工作記憶。lfp的分量-spikes在工作記憶過程的互信息峰值出現(xiàn)在行為學(xué)參考點(diǎn)前(0.6818?0.1435s)。(2)lfpsγ分量-spikes的互信息協(xié)同編碼4只大鼠各10次工作記憶行為學(xué)正確實(shí)驗(yàn)中,lfpsγ分量-spikes在工作記憶狀態(tài)的互信息值分別為0.7912?0.0464,0.6725?0.0390,0.7592?0.0504,0.6947?0.0421;10次靜息狀態(tài)的互信息值分別0.4021?0.0146,0.3602?0158,0.3923?0.0415,0.3802?0.0325;t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,工作記憶狀態(tài)的lfps的γ分量-spikes互信息值顯著大于靜息狀態(tài)(p0.05),協(xié)同編碼了工作記憶。lfpsγ分量-spikes在工作記憶過程的互信息峰值出現(xiàn)在行為學(xué)參考點(diǎn)前(0.7055?0.2274s)。結(jié)論:本論文研究了大鼠在y迷宮的工作記憶行為學(xué)正確的實(shí)驗(yàn)中,前額葉皮層兩類不同模態(tài)的神經(jīng)信息:多通道局部場電位lfps和多通道鋒電位spikes對工作記憶的互信息編碼和頻譜相干編碼機(jī)制。研究結(jié)論如下:1.工作記憶lfps的能量集中在行為學(xué)參考點(diǎn)前的?頻段(4-12hz)和γ頻段(30-60hz),提示?頻段和γ頻段是工作記憶的特征頻段。2.多通道局部場電位lfps和多通道鋒電位spikes從頻譜相干和互信息兩個不同角度,協(xié)同編碼了工作記憶:(1)局部場電位lfps的θ分量與spikes的頻率相干,lfps的γ分量與spikes的頻譜相干在工作記憶狀態(tài)比靜息狀態(tài)明顯增強(qiáng),lfps-spikes在頻域協(xié)同編碼了工作記憶。(2)lfps的θ分量與spikes的互信息,lfps的γ分量與spikes的互信息度量了兩種不同模態(tài)神經(jīng)信息的關(guān)聯(lián)程度,lfps-spikes互信息在工作記憶狀態(tài)明顯增強(qiáng),編碼了工作記憶。特別在工作記憶狀態(tài)LFPs和Spikes均呈現(xiàn)強(qiáng)非線性時,LFPs-Spikes的互信息可以更有效地編碼工作記憶。
【圖文】：

學(xué)博士學(xué)位論文 工作記憶任務(wù)中的存在持續(xù)性活動，認(rèn)為前額葉皮層將息存儲起來，用來指導(dǎo)后續(xù)認(rèn)知行為的完成[34-38]。 是工作記憶示意圖，從上到下的每個框圖說明如下：（1）時的，（2）工作記憶容量是有限的，，（3）工作記憶保存和記憶功能與注意力和精神力量。

通道神經(jīng)信息的時空聯(lián)系提供技術(shù)支持，促進(jìn)了大腦認(rèn)知的神經(jīng)信息編研究的發(fā)展。清醒動物植入式在體多通道同步記錄采集系統(tǒng)通常由微電極、信號傳遞數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)三部分構(gòu)成。本論文應(yīng)用 Cerebus-128 多通道微電極神記錄系統(tǒng)。信號傳遞系統(tǒng)將記錄到的神經(jīng)電信號由記錄腦區(qū)傳送到計(jì)算機(jī)采集分析系統(tǒng)由兩部分：放大器單元和信號處理單元。記錄到的模擬信放大器進(jìn)行 5000 倍的放大，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，通過光纖傳信號處理單元。對神經(jīng)電信號進(jìn)行記錄時，只有信噪比（signal-to-noise rati）超過 3.0 的信號被采集，信號采樣率可以達(dá)到 30KHz。 兩類不同模態(tài)神經(jīng)信號：局部場電位 LFP 與鋒電位 Spike從在體植入式微電極陣列記錄的原始信號中，能夠獲取兩類不同模態(tài)的神經(jīng)電活動信號：多通道局部場電位（LFPs）和多通道鋒電位（spikes）.2 為多通道原始記錄其中一個單通道記錄信號的實(shí)例，信號中包括局部場FP 和鋒電位 Spike。
【學(xué)位授予單位】：天津醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R338.64

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：2645504