多通道局部场电位θ分量与锋电位的互信息对大鼠工作记忆的协同编码

目的 研究大鼠在Y迷宫工作记忆过程中,责任脑区前额叶皮层记录的2类不同模态的神经信号:局部场电位(LFPs)和锋电位(Spikes)的协同编码,为研究工作记忆的神经编码机制提供计算支持.方法 实验数据:4只SD大鼠在Y迷宫工作记忆过程和静息状态下前额叶皮层的多通道LFPs及Spikes数据由天津医科大学神经工程实验室提供;LFPs的数据预处理:对场电位去除工频干扰和基线漂移;Spikes的连续化:选取生理窗口为500ms,窗口移动步长为125 ms,把Spikes通过发放频率的方式转换为连续信号;场电位的时频分析与特征频段的提取:通过短时傅里叶变换,获取能量分布的主要频段,并通过带通滤波提取特征频段信号,从而得到2种不同模态信号的数据对;特征频段的场电位与锋电位的互信息编码:对单通道的LFPs-Spikes数据序列加窗,计算每个滑动窗口内的互信息值,进而得到多通道的互信息值的分布.结果 场电位的时频分布表明工作记忆期间其能量主要集中在θ频段(4～12 Hz);4只大鼠θ频段LFPs与Spikes在10次工作记忆实验中平均值为0.49±0.04、0.39±-0.03、0.41±0.03、0.48±-0.02,显著大于各自静息状态的值,其差异具有统计学意义(P＜0.05).结论 θ频段(4～12 Hz)是工作记忆的特征频段,θ频段的LFPs与Spikes的互信息有效编码了工作记忆事件.     

多通道局部场电位独立分量能量编码工作记忆事件的研究

目的 基于大鼠前额叶皮层多通道局部场电位（LFPs）的独立分量分析（ICA）,研究LEPs的各个独立分量（ICs）的能量如何编码工作记忆过程中的事件.方法 以事件发生点为零点,分别将±500 ms内在大鼠记忆皮层记录的15通道LEPs,通过ICA分解为15个ICs,计算各分量在窗宽为50 ms的窗口内的能量.以步长为25ms移动窗口,获得15个ICs能量的动态分布.选择在±200 ms内能量明显增高（即其能量改变编码了事件）的ICs,通过ICA逆变换可知ICs对应的记录通道.结果 在对同一段实验数据进行多次重复分析时,由于ICA算法分解结果的不确定性,在±200 ms内能量明显增高的ICs不尽相同,但其对应的空间位置均为同一通道处,表明该通道所在位置即为LFPs编码该次事件的主要功能区域;而对多段实验数据的分析结果显示,实验数据与分析所得的主要功能区域具有较为理想的一一对应性.结论 多通道LFPs独立分量的能量可以编码工作记忆过程中的事件;ICA对于识别多通道LFPs对工作记忆事件的编码模式是有效的;ICA可以对编码事件的主要功能区域进行空间定位,且鲁棒性较为理想.     

恐惧记忆的形成对大鼠内侧前额叶皮层局部场电位的影响

根据大鼠恐惧记忆形成前后不同时间段局部场电位的变化特征,研究恐惧记忆的形成对内侧前额叶皮层局部场电位的影响。选取健康成年雄性SD大鼠8只,利用脑立体定位仪将微丝电极植入到大鼠的内侧前额叶皮层;手术恢复后1周,在清醒状态下,通过穿梭恐惧记忆训练诱导出大鼠的恐惧记忆。借助Cerebus神经信号记录系统,记录大鼠在清醒状态下恐惧记忆形成前和恐惧记忆形成后6 h及1、2、3、4、5、6 d的内侧前额叶皮层的局部场电位信号,并采用Neuroexplorer软件分析局部场电位信号。以功率谱密度和功率百分比参数为指标,对恐惧记忆形成前后的总功率和不同时间状态下的各频段(δ:1~3 Hz,θ:4~7 Hz,α:8~13 Hz,β:14~30 Hz,γ:31~100 Hz)功率百分比进行方差分析。实验结果显示,恐惧记忆形成后6 h,θ波和β波的功率百分比较恐惧记忆形成前具有显著性差异(P=0.017,P=0.017),θ波较恐惧记忆形成前功率百分比增加,β波较恐惧记忆形成前功率百分比降低;另外,恐惧记忆形成后第1、2 d,δ波的功率百分比较恐惧记忆形成前具有显著性差异(P=0.03,P=0.049),γ波的功率百分比较恐惧记忆形成前具有显著性差异(P=0.013,P=0.019)。研究表明,恐惧记忆的形成对内侧前额叶皮层神经信息处理的模式产生显著性的影响。     

应用大鼠前额叶皮层多通道局部场电位的同步模式研究丙泊酚麻醉程度

目的 研究在清醒、丙泊酚麻醉过程中、翻正反射恢复后3种状态下,大鼠前额叶皮层多通道局部场电位(LFPs)的同步模式,作为界定麻醉程度的客观指标.方法 利用成年SD大鼠5只,在大鼠前额叶皮层植入16通道微电极阵列10 d后,应用Cerebus多通道信号采集分析系统,记录大鼠在清醒、丙泊酚麻醉过程中、翻正反射恢复后3种状态下前额叶皮层的16通道信号.丙泊酚麻醉按0.1 mg/(kg体重·min)的剂量,恒速静脉输注.对记录的原始信号进行预处理,获取LFPs,应用Hilbert变换计算LFPs相位系列.选择参考通道,分别计算3种状态下4s时间段内其它15通道LFPs相位与参考通道LFPs相位的相关动态值,计算窗口200 ms,窗口移动步长50 ms.结果 大鼠在清醒状态下LFPs相位的相关动态值比在丙泊酚麻醉状态下小(P<0.05);恢复翻正反射后的LFPs相位相关动态值比清醒状态大(P<0.05),比麻醉状态下小(P<0.05).结论 大鼠在清醒状态下,其前额叶皮层LFPs相位未呈现同步性;在丙泊酚麻醉状态下,呈现高度的同步性;在麻醉复苏期间,同步性在2者之间.多通道LFPs相位的同步程度可以界定不同的麻醉程度.     

应用大鼠前额叶皮层多通道局部场电位的同步模式研究丙泊酚麻醉程度

目的 研究在清醒、丙泊酚麻醉过程中、翻正反射恢复后3种状态下,大鼠前额叶皮层多通道局部场电位(LFPs)的同步模式,作为界定麻醉程度的客观指标.方法 利用成年SD大鼠5只,在大鼠前额叶皮层植入16通道微电极阵列10 d后,应用Cerebus多通道信号采集分析系统,记录大鼠在清醒、丙泊酚麻醉过程中、翻正反射恢复后3种状态下前额叶皮层的16通道信号.丙泊酚麻醉按0.1 mg/(kg体重·min)的剂量,恒速静脉输注.对记录的原始信号进行预处理,获取LFPs,应用Hilbert变换计算LFPs相位系列.选择参考通道,分别计算3种状态下4s时间段内其它15通道LFPs相位与参考通道LFPs相位的相关动态值,计算窗口200 ms,窗口移动步长50 ms.结果 大鼠在清醒状态下LFPs相位的相关动态值比在丙泊酚麻醉状态下小(P<0.05);恢复翻正反射后的LFPs相位相关动态值比清醒状态大(P<0.05),比麻醉状态下小(P<0.05).结论 大鼠在清醒状态下,其前额叶皮层LFPs相位未呈现同步性;在丙泊酚麻醉状态下,呈现高度的同步性;在麻醉复苏期间,同步性在2者之间.多通道LFPs相位的同步程度可以界定不同的麻醉程度.     

经颅磁声电刺激下大鼠工作记忆中前额叶皮层因果连接网络特性分析

经颅磁声电刺激(TMAES)是一种新型非侵入式的脑神经调控技术，利用静磁场和超声波耦合在脑组织中产生刺激电流以调节特定脑区的神经放电活动。本研究旨在从神经节律振荡与信息传递的角度，探究经颅磁声电刺激对大脑工作记忆功能的影响。将24只斯普拉格·道利(SD)大鼠随机分为对照组、超声组和磁声组，磁声组接受0.10 T、7.98 W/cm²的刺激，超声组接受相同强度的超声刺激，对照组不接受刺激；采集T迷宫工作记忆实验中大鼠前额叶皮层的局部场电位(LFPs)信号，对比不同组别θ(4～8 Hz)和γ(30～80 Hz)频段LFPs信号的时频分布，并基于图论进一步分析前额叶皮层的因果连接网络特性。结果显示，磁声组大鼠在行为选择过程中θ和γ频段LFPs信号的能量值大于超声组与对照组(P<0.05);磁声组信号间平均因果连接强度高于超声组和对照组(P<0.05);磁声组大鼠工作记忆任务中θ频段因果连接网络的全局效率(E_glob)和聚类系数(C)比超声组和对照组显著升高(磁声组：E_glob=0.134±0.033,C=0.837...     

特定行为下大鼠M1的LFPs研究

本文利用自制单通道微电极、多通道生理信号采集处理系统等,对大鼠抓食行为过程中初级运动皮层(M1)的局部场电位(LFPs)进行了记录,并根据所记录的LFPs的变化和与之同步的大鼠抓食行为变化,将大鼠抓食行为分为4个时期:抓食前期、计划期、抓食期和完成期,之后利用MATLAB软件通过时域分析、功率谱分布分析和时频分析的方法对不同时期的LFPs进行了研究。结果发现:大鼠在抓食行为过程中,M1前肢运动相关的神经元活动引发的LFPs变化对应于大鼠不同的行为状态,说明M1的LFPs起到了一定程度的"编码"作用,证明了用与前肢运动相关的M1的LFPs来识别前肢运动行为的可行性。     

应用大鼠前额叶皮层多通道局部场电位的同步模式研究丙泊酚麻醉程度

目的 研究在清醒、丙泊酚麻醉过程中、翻正反射恢复后3种状态下,大鼠前额叶皮层多通道局部场电位（LFPs）的同步模式,作为界定麻醉程度的客观指标.方法 利用成年SD大鼠5只,在大鼠前额叶皮层植入16通道微电极阵列10 d后,应用Cerebus多通道信号采集分析系统,记录大鼠在清醒、丙泊酚麻醉过程中、翻正反射恢复后3种状态下前额叶皮层的16通道信号.丙泊酚麻醉按0.1 mg/（kg体重·min）的剂量,恒速静脉输注.对记录的原始信号进行预处理,获取LFPs,应用Hilbert变换计算LFPs相位系列.选择参考通道,分别计算3种状态下4s时间段内其它15通道LFPs相位与参考通道LFPs相位的相关动态值,计算窗口200 ms,窗口移动步长50 ms.结果 大鼠在清醒状态下LFPs相位的相关动态值比在丙泊酚麻醉状态下小（P〈0.05）;恢复翻正反射后的LFPs相位相关动态值比清醒状态大（P〈0.05）,比麻醉状态下小（P〈0.05）.结论 大鼠在清醒状态下,其前额叶皮层LFPs相位未呈现同步性;在丙泊酚麻醉状态下,呈现高度的同步性;在麻醉复苏期间,同步性在2者之间.多通道LFPs相位的同步程度可以界定不同的麻醉程度.     

基于时变频谱相干的工作记忆过程中海马-前额叶皮层局部场电位的同步特征模式研究

目的基于时变频谱相干研究工作记忆过程中海马(HPC)和前额叶皮层(PFC)局部场电位的同步特征模式,为研究工作记忆的信息处理机制提供支持。方法采集6只SD大鼠在执行Y迷宫空间工作记忆任务过程中的腹侧海马(vHPC)和内侧前额叶皮层(mPFC)的局部场电位(LFPs)信号,应用短时傅里叶变换(STFT)计算vHPC和mPFC LFPs的时频分布,确定工作记忆的特征频段,进而基于时变频谱相干研究vHPC和mPFC LFPs特征频段的同步特征模式,最后应用支持向量机探索应用频谱相干值预测工作记忆的可行性。结果大鼠正确执行工作记忆时,HPC和PFC的theta频段(4~12 Hz)能量均增加(均P<0.01),且HPC-PFC theta频段的频谱相干值增加(P<0.05)。以正确和错误执行工作记忆时的平均频谱相干峰值和峰值与起始点的差值作为特征,进行支持向量机的训练和预测,准确率达89%,精确率达90%,召回率为88%,F1分数为88%,与随机打乱标签数据重排结果相比差异均有统计学意义(均P<0.05)。结论 HPC-PFC theta频段的同步协同是正确执行工作记忆时信息处理的潜在机制之一。     

经颅磁声电刺激对大鼠工作记忆局部场电位gamma节律的影响

经颅磁声电刺激(TMAES)是一种新型无创的神经调控技术,利用超声与静磁场相互耦合产生感应电场,调节相应脑区的神经节律振荡活动,从而影响大脑学习、记忆等认知功能。为探究经颅磁声电刺激对大鼠工作记忆(WM)行为学实验中gamma节律神经振荡活动的影响,将20只健康成年Wistar大鼠随机分为对照组和刺激组,刺激组大鼠接受0.05～0.15 T、1.33～13.33 W/cm²的经颅磁声电刺激,持续10 d,对照组不接受刺激;采集T型迷宫工作记忆任务中大鼠前额叶皮层(PFC)的局部场电位信号(LFPs),对比分析两组间的行为学差异、LFPs的时频分布和互信息相关性。结果显示,刺激组大鼠执行工作记忆任务达到正确率80%以上所需时间为(7.57±0.99) d,明显少于对照组(10.65±2.32) d(P<0.05);在经过选择点位置前后,2.66～13.33 W/cm²组、0.10～0.15 T组大鼠LFPs信号gamma频段的能量密度明显高于对照组的相应值(P<0.05),6.65～13.33 W/cm²组、0.10～0.15 T组大鼠gamma频段12通道信号间的相关性明显强于对照组的相应值(P<0.05)。研究结果表明,经颅磁声电刺激能够增强大鼠工作记忆中前额叶皮层神经元集群gamma节律振荡活动,为进一步探索经颅磁声电刺激调节大脑记忆功能的作用机制奠定基础。     

工作记忆事件中大鼠前额叶皮层神经元电活动的非负稀疏矩阵分解

目的 基于工作记忆事件中大鼠前额叶皮层神经元电活动的非负稀疏矩阵分解(NMFs),研究如何在更高的精度上表达神经元集群.方法 实验数据为工作记忆事件参考点前后5s 的神经元群体电活动.时间窗口为200ms,移动步长为50ms,从初始点开始,逐个移动窗口,计算每个窗口内的每个神经元发放个数,并进行归一,即为神经元电活动矩...     

Causal role of the prefrontal cortex in top-down modulation of visual processing and working memory

Selective attention filters information to limit what is encoded and maintained in working memory. Although the prefrontal cortex (PFC) is central to both selective attention and working memory, the underlying neural processes that link these cognitive abilities remain elusive. Using functional magnetic resonance imaging to guide repetitive transcranial magnetic stimulation with electroencephalographic recordings in humans, we perturbed PFC function at the inferior frontal junction in participants before they performed a selective-attention, delayed-recognition task. This resulted in diminished top-down modulation of activity in posterior cortex during early encoding stages, which predicted a subsequent decrement in working memory accuracy. Participants with stronger fronto-posterior functional connectivity displayed greater disruptive effects. Our data further suggests that broad alpha-band (7-14 Hz) phase coherence subserved this long-distance top-down modulation. These results suggest that top-down modulation mediated by the prefrontal cortex is a causal link between early attentional processes and subsequent memory performance.     

Retroactive interference in normal aging: A magnetoencephalography study

Biomagnetic responses were recorded from healthy elderly subjects (55–67 years) performing a working memory task during recognition. The objective was to identify differential spatio-temporal brain activity patterns with magnetoencephalography by the presentation of two types of retroactive interference, active and passive. We obtained increased activity in the left medial temporal lobe and the left anterior ventral prefrontal cortex at early (100–200 ms) and medium latencies (300–400 ms) for the active interference group, and left anterior ventral prefrontal cortex showed greater activity at late latencies (700–800 ms) for the passive interference group. A time-modulated ventral prefrontal activation was shown for the active and passive interference conditions indicating that executive control mechanisms were necessary in both groups.     

Theta coupling between V4 and prefrontal cortex predicts visual short-term memory performance

Short-term memory requires communication between multiple brain regions that collectively mediate the encoding and maintenance of sensory information. It has been suggested that oscillatory synchronization underlies intercortical communication. Yet, whether and how distant cortical areas cooperate during visual memory remains elusive. We examined neural interactions between visual area V4 and the lateral prefrontal cortex using simultaneous local field potential (LFP) recordings and single-unit activity (SUA) in monkeys performing a visual short-term memory task. During the memory period, we observed enhanced between-area phase synchronization in theta frequencies (3-9 Hz) of LFPs together with elevated phase locking of SUA to theta oscillations across regions. In addition, we found that the strength of intercortical locking was predictive of the animals' behavioral performance. This suggests that theta-band synchronization coordinates action potential communication between V4 and prefrontal cortex that may contribute to the maintenance of visual short-term memories.