LFPs-Spikes互信息与互相干编码大鼠工作记忆的研究

摘要

研究目的：
　　工作记忆是与许多复杂认知活动有关的重要记忆类型，工作记忆的信息编码机制是认知科学关注的重要科学问题。本论文以大鼠在 Y迷宫的工作记忆为研究对象，研究工作记忆的责任脑区（前额叶皮层）两类不同模态的神经电信号：多通道局部场电位（Local Field Potentials，LFPs）和多通道锋电位（Spikes）对工作记忆的频域相干协同编码与非线性互信息协同编码特征模式，研究两类不同模态的神经信号是如何协同编码工作记忆的机制，本论文的研究成果为研究工作记忆的神经信息编码机制提供创新思路与研究方法的支持。
　　研究方法：
　　1.大鼠工作记忆前额叶皮层两类不同模态的神经电信号的获取与匹配
　　本论文的两类不同模态的神经电信号实验数据来自4只成年SD大鼠的40次Y迷宫工作记忆行为学正确的实验。大鼠经过Y迷宫工作记忆行为学的规范训练达标以后，应用在体植入式多通道微电极记录技术，在大鼠工作记忆过程中，记录前额叶皮层16通道神经电活动原始数据。原始记录信号通过0.3-500Hz滤波获取局部场电位LFPs时间序列，通过500-7500Hz滤波、阈值检测获取离散锋电位Spikes时间序列。
　　在检测每个通道锋电位 Spike与局部场电位 LFP有效性的基础上，同通道的Spikes与LFPs数据匹配，保证每只大鼠在10次行为学正确实验中，有效的Spikes与LFPs的通道一致。本论文经过匹配以后4只大鼠有效通道均为14个。
　　为了与工作记忆状态对比，每只大鼠记录10次静息状态实验数据作为对照。
　　2．局部场电位LFP的预处理、时频分析与特征频段的提取
　　对获取的的每个通道LFP进行去工频干扰、去基线漂移等预处理。应用短时傅里叶变换，获取工作记忆过程中多通道 LFPs的时频分布，从中选取工作记忆能量集中的主要频段，应用带通滤波的方法提取LFP特征频段分量：θ分量与γ分量。
　　3．锋电位Spikes的时间连续化
　　应用瞬时频率法，将每个通道离散的锋电位 Spikes时间序列连续化，获取时间连续化的Spikes时空序列。
　　4.大鼠工作记忆 LFPs-Spikes的频谱相干协同编码
　　应用频谱相干分析方法，选取时间窗口为500ms，窗口移动步长为125ms，分别计算在每只大鼠在每次实验的工作记忆过程中，每个通道LFP的θ分量、γ分量与Spikes时间序列连续序列的频率相干值的时空分布。分别获得4只大鼠在各自10次实验的LFPθ分量-Spike平均频谱相干值的时空分布，LFPγ分量-Spike平均频率相干值的时空分布。
　　分别计算在每只大鼠在10次静息状态中，每个通道LFP的θ分量、γ分量与Spikes时间序列连续序列的频谱相干值的平均时空分布。统计比较工作记忆与静息状态的频谱相干值的差别。
　　本论文对4只大鼠共40次工作记忆与40次静息实验的频谱相干值均进行了归一化处理，80次实验的频谱相干最大归一化值为1，最小归一化值为0。
　　基于工作记忆频谱相干时空分布特征模式，分析研究大鼠工作记忆LFPs-Spikes的频谱相干协同编码机制。
　　5．大鼠工作记忆LFPs-Spikes的互信息协同编码
　　应用互信息分析方法，选取时间窗口为500ms，窗口移动步长为125ms，分别计算在每只大鼠在每次实验的工作记忆过程中，每个通道 LFP的θ分量、γ分量与Spikes时间序列连续序列的互信息值的时空分布。分别获得4只大鼠在各自10次实验的LFP的θ分量-Spike的平均互信息值时空分布，LFP的γ分量-Spike的平均互信息值时空分布。
　　分别计算在每只大鼠在10次静息状态中，每个通道LFP的θ分量、γ分量与Spikes时间序列连续序列的互信息值的平均时空分布。统计比较工作记忆与静息状态的频率相干值的差别。
　　本论文4只大鼠共40次工作记忆与40次静息实验的互信息值均进行了归一化处理，80次实验的互信息最大值为1，最小值为0。
　　基于工作记忆互信息值时空分布特征模式，研究大鼠工作记忆 LFPs-Spikes的互信息协同编码机制。
　　6.统计分析
　　应用t-检验分析比较LFPs-Spikes的频谱相干协同编码与互信息协同编码在工作记忆与静息状态是否存在显著差异（p<0.05）。
　　研究结果：
　　1.大鼠Y迷宫工作记忆行为学结果
　　经过Y迷宫工作记忆行为学的规范训练，记录到4只大鼠共51次Y迷宫工作记忆行为学实验数据，其中行为学正确的实验45次，行为学正确率为88.2％，达到大鼠工作记忆训练成功的正确率超过85%的标准。
　　本论文从大鼠行为学正确的实验中，选取4只大鼠各10次工作记忆行为学正确的实验数据。
　　2.工作记忆LFPs的时频分布特征
　　工作记忆状态下LFPs的能量主要集中在θ频段（4-12Hz）和γ频段(30-60Hz)，LFPs的特征频段为θ和γ频段。θ和γ频段能量的峰值出现在行为学参考点前。
　　3. LFPs-Spikes的频谱相干协同编码了工作记忆
　　(1) LFPs的θ分量-Spikes的频谱相干协同编码
　　4只大鼠各10次工作记忆行为学正确实验中，LFPs的θ分量-Spikes在工作记忆状态频谱相干的平均值分别为0.7904?0.0158，0.6701?0.0163，0.6825?0.0104，0.6013?0.1361；10次静息状态的频谱相干平均值分别为0.3347?0.0130，0.3475?0.0168，0.4402?0.0543，0.3224?0.0528；t检验结果显示，工作记忆状态的LFPs的θ分量-Spikes频谱相干值显著大于静息状态（P<0.05），两者协同编码了工作记忆。
　　LFPs的θ分量-Spikes在工作记忆过程的频谱相干峰值出现在行为学参考点前（0.9715?0.2496 s）。
　　(2) LFPs的γ分量-Spikes的频谱相干协同编码
　　4只大鼠各10次工作记忆行为学正确实验中，LFPs的γ分量-Spikes在工作记忆状态频谱相干值分别为0.8003?0.0185，0.7902?0.0254，0.8125?0.0141，0.7884?0.1221；10次静息状态的频谱相干值分别为0.4557?0.0120，0.4754?0.0093，0.4301?0.0413，0.4311?0.0322；t检验结果显示，工作记忆状态的LFPs的γ分量-Spikes频谱相干值显著大于静息状态（P<0.05），两者协同编码了工作记忆。
　　LFPsγ分量-Spikes在工作记忆过程的频谱相干峰值出现在行为学参考点前（0.7715?0.1393 s）。
　　4. LFPs-Spikes的互信息协同编码了工作记忆
　　(1) LFPs的θ分量-Spikes的互信息协同编码
　　4只大鼠各10次工作记忆行为学正确实验中，LFPs的θ分量-Spikes在工作记忆状态的平均互信息值分别为0.6812?0.0302，0.6739?0.0527，0.6449?0.0432，0.6103?0.0500；10次静息状态的互信息值分别为0.3341?0.0116，0.3257?0.0214，0.3152?0.0523，0.3824?0.0435；t检验结果显示，工作记忆状态的LFPs的θ分量-Spikes互信息值显著大于静息状态（P<0.05），协同编码了工作记忆。
　　LFP的分量-Spikes在工作记忆过程的互信息峰值出现在行为学参考点前（0.6818?0.1435s）。
　　(2) LFPsγ分量-Spikes的互信息协同编码
　　4只大鼠各10次工作记忆行为学正确实验中，LFPsγ分量-Spikes在工作记忆状态的互信息值分别为0.7912?0.0464，0.6725?0.0390，0.7592?0.0504，0.6947?0.0421；10次静息状态的互信息值分别0.4021?0.0146，0.3602?0158，0.3923?0.0415，0.3802?0.0325；t检验结果显示，工作记忆状态的LFPs的γ分量-Spikes互信息值显著大于静息状态（P<0.05），协同编码了工作记忆。
　　LFPsγ分量-Spikes在工作记忆过程的互信息峰值出现在行为学参考点前（0.7055?0.2274s）。
　　结论：
　　本论文研究了大鼠在 Y迷宫的工作记忆行为学正确的实验中，前额叶皮层两类不同模态的神经信息：多通道局部场电位LFPs和多通道锋电位Spikes对工作记忆的互信息编码和频谱相干编码机制。研究结论如下：
　　1．工作记忆 LFPs的能量集中在行为学参考点前的?频段（4-12Hz）和γ频段（30-60Hz），提示?频段和γ频段是工作记忆的特征频段。
　　2.多通道局部场电位LFPs和多通道锋电位Spikes从频谱相干和互信息两个不同角度，协同编码了工作记忆：
　　（1）局部场电位LFPs的θ分量与Spikes的频率相干，LFPs的γ分量与Spikes的频谱相干在工作记忆状态比静息状态明显增强，LFPs-Spikes在频域协同编码了工作记忆。
　　（2）LFPs的θ分量与Spikes的互信息，LFPs的γ分量与Spikes的互信息度量了两种不同模态神经信息的关联程度，LFPs-Spikes互信息在工作记忆状态明显增强，编码了工作记忆。特别在工作记忆状态LFPs和Spikes均呈现强非线性时，LFPs-Spikes的互信息可以更有效地编码工作记忆。

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英文摘要

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缩略语/符号说明

一、前言

1.1研究背景

1.2 研究目的

1.3 研究内容

二、原理与方法

2.1 大鼠工作记忆前额叶皮层多通道LFPs与Spikes的获取

2.2 局部场电位LFP的预处理、时频分析与特征频段的提取

2.3锋电位Spikes序列的时间连续化

2.4 大鼠工作记忆的 LFPs-Spikes协同编码

2.5 统计分析方法

三、结果

3.1大鼠Y迷宫工作记忆行为学结果

3.2大鼠工作记忆前额叶皮层局部场电位LFPs的时频分布

3.3大鼠工作记忆前额叶皮层锋电位spikes的连续化

3.4大鼠工作记忆LFPs-Spikes的频谱相干编码

四、结论与讨论

4.1 结论

4.2 讨论

五、总结与展望

5.1 总结

5.2 论文创新点

5.3 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述: 神经信息协同编码研究进展

致谢