基于同步似然方法研究大鼠在工作记忆中局部场电位θ分量的功能性连接特性

摘要

研究目的:
　　本论文应用同步似然分析方法(Synchronization likelihood，SL)，研究大鼠在工作记忆过程中，前额叶皮层多通道局部场电位(Local Field Potentials，LFPs)的θ分量的功能性连接特性。应用LFPsθ分量通道间的同步似然矩阵、聚集系数Cp和特征路径长度Lp，定量描述大鼠在工作记忆过程中LFPs及其特征频段θ分量的功能性连接特性，为研究工作记忆的神经信息连接机制提供计算支持。
　　研究方法:
　　1.实验数据:SD大鼠在Y迷宫工作记忆过程和静息状态下前额叶皮层16通道原始记录数据，由天津医科大学神经工程实验室提供10次实验原始数据以及静息状态的10次实验数据。
　　2.数据预处理:对16通道数据进行低通滤波(0.5～500Hz)，得到的低通信号为16通道LFPs。经过去工频干扰和去基线漂移后，得到零均值的16通道LFPs。
　　3.应用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform，STFT)对16个通道的LFPs进行时频分析，计算16通道LFPs的能量在不同时频域的分布。移动窗口大小及移动步长:窗口大小为100ms，移动步长为25ms。
　　4.提取16通道LFPs的特征频段分量:θ分量，应用同步似然法分析LFPs的θ分量之间的连接，获得工作记忆和静息状态下同步似然矩阵。
　　5.对每只大鼠计算10次实验的聚集系数平均值Cp和特征路径长度平均值Lp，与静息状态下的平均值Cp、Lp分别进行比较。
　　6.应用同步似然矩阵和Cp、Lp，研究大鼠在工作记忆状态下LFPsθ分量通道间的功能性连接。
　　研究结果:
　　本论文研究了大鼠工作记忆状态下16通道LFPsθ分量的同步似然矩阵和描述LFPs的功能连接参数Cp、Lp，研究结果如下:
　　1.时频分析结果:在工作记忆状态下LFPs能量场主要集中在θ频段(4～12Hz)和γ频段(30～100Hz)，其中γ频段在高于70Hz以上基本没有能量分布，该频段只有大部分通道在工作记忆过程中有功能性连接。故本文将集中研究LFPsθ分量在工作记忆过程中的功能性连接特性，并在讨论部分对γ分量在工作记忆过程中的功能性连接的作用进行分析。根据同步似然分析，得到4只大鼠LFPsθ分量各10次实验的平均MSL，即每只大鼠通道间平均同步似然矩阵。1号大鼠MSL矩阵中S的平均值为工作记忆过程中Sp=0.6675±0.0612，静息状态下Sp=0.5243±0.0490。2号大鼠MSL矩阵工作记忆过程中Sp=0.6842±0.0596，静息状态下Sp=0.5705±0.0443。3号大鼠MSL矩阵工作记忆过程中Sp=0.6529±0.0533，静息状态下Sp=0.5003±0.0402。4号大鼠MSL矩阵工作记忆过程中Sp=0.6324±0.0407，静息状态下Sp=0.4465±0.0339。工作记忆过程的同步似然值明显高于静息状态下同步似然值，可见工作记忆过程中LFPs通道间功能性连接更紧密。
　　2.工作记忆过程和静息状态下Cp的比较:
　　1号大鼠LFPsθ分量工作记忆状态下Cp=0.2293±0.0263，静息状态下Cp=0.1207±0.0288，对Cp进行t检验(P＜0.05)。2号大鼠工作记忆状态下Cp=0.2305±0.0265，静息状态下Cp=0.1028±0.0228(P＜0.01)。3号大鼠工作记忆状态下Cp=0.2179±0.0238，静息状态下Cp=0.1070±0.0173(P＜0.01)。4号大鼠工作记忆状态下Cp=0.2047±0.0235，静息状态下Cp=0.0956±0.0205(P＜0.05)。4只大鼠工作记忆过程LFPsθ分量平均Cp=0.2206±0.0263，明显高于静息状态平均Cp=0.1065±0.0237。
　　3.工作记忆过程和静息状态下Lp的比较:
　　1号大鼠LFPsθ分量工作记忆状态下Lp=1.3018±0.1414，静息状态下Lp=2.9026±0.1453，对Lp进行t检验(P＜0.05)。2号大鼠工作记忆状态下Lp=1.2610±0.1311，静息状态下Lp=2.8782±0.1846(P＜0.01)。3号大鼠工作记忆状态下Lp=1.3202±0.1277，静息状态下Lp=2.9282±0.2223(P＜0.01)。4号大鼠工作记忆状态下Lp=1.3608±0.1268，静息状态下Lp=3.0226±0.4614（P＜0.05）。4只大鼠工作记忆过程LFPsθ分量平均Lp=1.3110±0.1318，明显低于静息状态平均Lp=2.9329±0.2763。
　　4.工作记忆过程和静息状态下同步似然矩阵比较，工作记忆过程中LFPsθ分量功能性连接显著大于静息状态。
　　1号大鼠工作记忆过程中S值高于T值的通道有5个，静息状念下S值高于T值的通道有1个。
　　2号大鼠工作记忆过程中S高于T值的通道有7个，静息状态下S值高于T值的通道有2个。
　　3号大鼠工作记忆过程中S值高于T值的通道有4个，静息状态下S值高于T值的通道有2个。
　　4号大鼠工作记忆过程中S值高于T值的通道有4个，静息状态下S值高于T值的通道有1个。
　　研究结论:
　　1.大鼠工作记忆时LFPs能量分布集中于θ频段， LFPs的特征分量是θ分量。
　　2.LFPsθ分量工作记忆过程中的聚集系数Cp值明显高于静息状态，工作记忆过程中特征路径长度Lp值明显低于静息状态，说明在工作记忆过程中LFPs的功能性连接强。

目录

声明

摘要

缩略语／符号说明

一、前言

1．1 研究背景

1．1．1 脑功能连接

1．1．2 LFPs数据分析方法

1．2 研究目的

1．3 研究内容和论文结构

1．3．1 本论文的研究内容

1．3．2 本论文的结构

1．4 本论文的创新点

二、原理与方法

2．1 实验数据

2．2 前额叶皮层LFPs实验数据的预处理

2．3 前额叶皮层LFPs的时频分析

2．4 研究LFPs θ分量的同步似然矩阵与二值矩阵

2．4．1 LFPs θ分量同步似然(SL)分析方法

2．4．2 LFPs θ分量的二值矩阵

2．5 计算功能性连接参数

2．6 统计学处理方法

三、结果

3．1 大鼠工作记忆过程中LFPs时频分布

3．2 多通道LFPs θ分量同步似然矩阵、二值矩阵与功能性连接参数

3．2．1 多通道LFPs θ分量同步似然矩阵

3．2．2 多通道LFPs θ分量的二值矩阵

3．2．3 多通道LFPs θ分量功能性连接参数Cp和Lp

3．3 多通道LFPs γ分量同步似然矩阵、二值矩阵与功能性连接参数

3．3．1 多通道LFPs γ分量同步似然矩阵

3．3．2 多通道LFPs γ分量的二值矩阵

3．3．3 大鼠额叶皮层LFPs γ分量功能性连接参数Cp和Lp

四、结论与讨论

4．1 结论

4．2 讨论

4．2．1 阈值T的选取

4．2．2 关于LFPs γ分量的结果探讨

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述 大脑功能连接的研究

致谢