1、目的：大腦不同模態(tài)神經(jīng)信號的相互協(xié)同對工作記憶事件的編碼是神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、信息科學(xué)的交叉研究領(lǐng)域之一。本文研究大鼠在工作記憶任務(wù)中，工作記憶責(zé)任腦區(qū)(前額葉皮層)檢測到的兩類不同模態(tài)的多通道神經(jīng)信號：連續(xù)時間序列形式的多通道局部場電位(Local Field Potentials，LFPs)和離散點電位序列形式的多通道鋒電位(Spikes)之間的協(xié)同，及其對工作記憶事件的編碼。本論文應(yīng)用LFPs-Spikes的動態(tài)頻譜相干(Dyna

2、mic SpectrumCoherence，DSC)編碼方法研究其對工作記憶事件的協(xié)同編碼模式，為研究工作記憶的神經(jīng)編碼機(jī)制提供實驗和神經(jīng)計算的支持。
　　 方法：⑴實驗動物為中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所實驗動物中心SD大鼠20只(8-10周，300-350g)，基于清醒動物在體微電極陣列多通道采集技術(shù)，應(yīng)用cerebus-128在體多通道信號采集系統(tǒng)，記錄大鼠在Y迷宮工作記憶任務(wù)中前額葉皮層多通道神經(jīng)信號。⑵大鼠的工作記憶訓(xùn)練

3、按照國際規(guī)范進(jìn)行：每天訓(xùn)練2次，1次10個訓(xùn)練任務(wù)，每個任務(wù)包括大鼠對Y迷宮方向的自由選擇和反向選擇各1次，用秒表計下每次任務(wù)開始和完成時間，兩次選擇間隔5-10s。訓(xùn)練持續(xù)進(jìn)行直到大鼠連續(xù)2天工作記憶任務(wù)的正確率都大于80％作為學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)，即已形成工作記憶。⑶大鼠麻醉后固定在立體定位儀上，選擇前額葉皮層(以bregma點為參考，向前2.5-4.5mm，旁開0.2-1.0mm)開一個矩形窗口，植入16通道微電極陣列，到達(dá)目標(biāo)腦區(qū)顱骨下2

4、.5-3mm.后，用牙科水泥固定。術(shù)后恢復(fù)5-7天，就開始測試。⑷應(yīng)用Cerebus-128多通道神經(jīng)信號在體記錄系統(tǒng)記錄每只大鼠在Y迷宮工作記憶任務(wù)過程中前額葉皮層的多通道神經(jīng)信號。每次測試記錄一個完整的工作記憶任務(wù)過程。⑸對多通道原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波(0.3-500Hz)，獲得多通道LFPs。利用加權(quán)最小二乘的局部線性回歸與擬合方法消除多通道LFPs信號中夾雜的基線漂移與工頻干擾，剔除原始數(shù)據(jù)差分記錄中的參考通道和漂移過大通道，

5、獲取零均值多通道LFPs，是連續(xù)時間序列。對多通道原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波(500-7500Hz)，再經(jīng)過鋒電位檢測和離線除噪，得到多通道Spikes，是離散點電位形式，離散時間序列。⑹因為動態(tài)頻譜相干編碼適用于連續(xù)信號，而多通道Spikes中每一個通道的Spikes序列是離散的“點電位”，因此本論文的首先將離散Spikes的“點電位”通過神經(jīng)元頻率編碼的方式轉(zhuǎn)換為連續(xù)信號。選取生理窗口窗寬500ms、窗口移動步長為125ms，從初始點

6、開始，計算行為事件參考點前后每通道每個窗口內(nèi)平均發(fā)放率{r(t)}i，并且進(jìn)行頻率編碼和計算其平均發(fā)放個數(shù)。⑺基于微電極陣列的物理順序，將數(shù)據(jù)預(yù)處理后的每一根電極對應(yīng)的LFPs和連續(xù)化后的Spikes，進(jìn)行配對，得到多通道LFPs-Spikes數(shù)據(jù)對。⑻選取生理窗口500ms，移動步長為125ms，從初始點開始逐個應(yīng)用離散正交扁球序列(Discrete Prolate Spheroidal Sequences，DPSS)對單通道LFPs

7、-Spikes序列加窗，計算每個滑動窗口內(nèi)單通道LFPs-Spikes數(shù)據(jù)對的頻譜相干值，進(jìn)而計算多通道LFPs-Spikes的動態(tài)頻譜相干值。
　　 結(jié)果：①20只大鼠中17只在Y迷宮中工作記憶任務(wù)正確率隨著訓(xùn)練次數(shù)的增多而提高，訓(xùn)練10天之后正確率都保持在80％以上。其余3只大鼠因不能適應(yīng)Y迷宮環(huán)境及花生氣味無法完成工作記憶任務(wù)而剔除。②對17只訓(xùn)練成功的大鼠前額葉皮層進(jìn)行在體多通道微電極陣列植入手術(shù)，記錄大鼠在Y迷宮中完成

8、工作記憶任務(wù)時多通道神經(jīng)信號。③同時記錄到LFPs和Spikes并且通道數(shù)大于12的大鼠共2只，完成工作記憶任務(wù)超過百次：1號大鼠14通道，2號大鼠15通道；3號-6號分別有5，5，6，7通道；④僅記錄到LFPs的大鼠5只，僅記錄到Spikes的大鼠4只，這9只大鼠因無法完成LFPs和Spieks的配對而剔除；⑤其余2只大鼠沒有記錄到LFPs和Spikes而剔除。⑥多通道LFPs的頻譜編碼：多通道LFPs頻譜地形圖顯示，多通道LFPs的

9、能量主要分布在0.3-15Hz。⑦多通道Spikes頻率編碼：多通道Spikes頻率編碼地形圖顯示，多通道Spikes的平均放電率峰值出現(xiàn)在第2-4s。⑧1號大鼠10次重復(fù)工作記憶任務(wù)中，多通道LFPs-Spikes在第2-4s，0.3-15Hz的頻譜相干值(0.6507±0.012)與其他時間和頻率頻譜相干值(0.3182±0.0265)，經(jīng)t檢驗，有統(tǒng)計學(xué)差別(P<0.05)。2號大鼠10次重復(fù)工作記憶任務(wù)中，多通道LFPs-Spi

10、kes在第2-4s，0.3-15Hz的頻譜相干值(0.6541±0.0071)與其他時間和頻率頻譜相干值(0.3248±0.0061)，經(jīng)t檢驗，有統(tǒng)計學(xué)差別(P<0.05)。
　　 結(jié)論：⑴大鼠前額葉皮層的多通道LFPs-Spikes在第2-4s，0.3-15Hz的頻譜相干值明顯高于其他時間(P<0.05)，表明不同模態(tài)的多通道神經(jīng)信號在第2-4s，0.3-15Hz發(fā)生了固定相位的振蕩，有效地編碼工作記憶事件；并且在工作記憶時