經(jīng)顱磁聲電刺激對(duì)大鼠工作記憶局部場(chǎng)電位gamma節(jié)律的影響

張 帥 黨君武 焦立鵬 武健康 王藝瀟 徐桂芝＃

1(河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)

2(河北工業(yè)大學(xué)天津市生物電工與智能健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)

引言

大腦的認(rèn)知是人或動(dòng)物從外界獲得信息、由大腦對(duì)信息加工處理及運(yùn)用的過程，包括感覺、學(xué)習(xí)、記憶、思考等多種活動(dòng)[1]。其中，記憶的形成與鞏固是各種高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的基礎(chǔ)，在個(gè)體的生存和發(fā)展中發(fā)揮不同的作用[2]。工作記憶(working memory，WM)是大腦為完成某種任務(wù)操作而暫時(shí)性存儲(chǔ)和處理信息，以用于后續(xù)復(fù)雜決策的認(rèn)知行為過程，是動(dòng)物行動(dòng)計(jì)劃、思維和決策等認(rèn)知功能的基礎(chǔ)[3]。

局部場(chǎng)電位(local field potentials，LFPs)是電極附近神經(jīng)元興奮性或抑制性突觸后電位的總和，可以記錄大腦周期性的振蕩神經(jīng)活動(dòng)[4-5]，反映神經(jīng)元集群的規(guī)則化、同步化情況[6]。目前，在人類、非靈長類動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的與記憶相關(guān)的神經(jīng)振蕩頻段主要集中在theta(4～8 Hz)、alpha(8～13 Hz)、beta(13～30 Hz)和gamma(>30 Hz)[7-8]。其中，gamma節(jié)律參與認(rèn)知、注意力和記憶等大腦的高級(jí)功能[9]，被認(rèn)為是執(zhí)行認(rèn)知與記憶功能的黃金節(jié)律，在工作記憶的提取、形成中發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]。阿爾茲海默病、精神分裂癥等神經(jīng)精神疾病與認(rèn)知、行為等功能異常有關(guān)，患者常表現(xiàn)出記憶功能障礙、gamma 節(jié)律紊亂等癥狀[11]。

經(jīng)顱磁聲電刺激(transcranial magneto- acousticelectrical stimulation，TMAES)是一種新型無創(chuàng)的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，利用靜磁場(chǎng)與超聲的耦合效應(yīng)，在神經(jīng)組織中產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而影響相應(yīng)腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)，具有較高的空間分辨率和穿透深度[12]。經(jīng)顱磁聲電刺激的概念最早源于Stephen J Norton 2003年提出的在磁場(chǎng)作用下通過超聲傳播刺激皮質(zhì)組織的方法[13]。袁毅基于不同神經(jīng)元模型，分別討論經(jīng)顱磁聲刺激中不同刺激參數(shù)對(duì)神經(jīng)元放電節(jié)律、放電頻率適應(yīng)性以及神經(jīng)元去同步的影響[14-17]。有學(xué)者通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磁聲耦合刺激能有效調(diào)節(jié)小鼠海馬黑質(zhì)神經(jīng)，提高其突觸可塑性，提高小鼠的學(xué)習(xí)記憶、運(yùn)動(dòng)能力[18-20]。張帥等發(fā)現(xiàn)，低頻率、脈沖超聲的經(jīng)顱磁聲電刺激能顯著提高神經(jīng)元集群的興奮性，且超聲參數(shù)的改變對(duì)LFPs 功率譜和神經(jīng)元鋒電位的平均發(fā)放率產(chǎn)生重要影響[12，21]。

以上研究證明了TMAES 調(diào)節(jié)神經(jīng)電活動(dòng)的有效性，但關(guān)于TMAES 如何參與調(diào)節(jié)大腦功能的神經(jīng)電生理機(jī)制尚不清楚。因此，針對(duì)不同的刺激條件，研究TMAES 對(duì)大腦神經(jīng)節(jié)律的影響，對(duì)進(jìn)一步探索其神經(jīng)作用機(jī)制具有重要意義。通過在體多通道微電極，可采集到清醒動(dòng)物在認(rèn)知過程中相應(yīng)腦區(qū)的神經(jīng)電信號(hào)。結(jié)合時(shí)頻分析和互信息法，對(duì)工作記憶任務(wù)中的LFPs 信號(hào)進(jìn)行分析，能夠反映記憶相關(guān)腦區(qū)神經(jīng)元集群的同步化放電活動(dòng)以及神經(jīng)元之間的信息交互情況，多角度、深層次地揭示大腦的神經(jīng)振蕩機(jī)制和認(rèn)知加工過程。

本課題旨在研究TMAES 對(duì)大鼠工作記憶中神經(jīng)元集群gamma 節(jié)律振蕩活動(dòng)的影響，以健康成年Wistar 大鼠為研究對(duì)象，將其隨機(jī)分為刺激組和對(duì)照組，應(yīng)用在體多通道微電極記錄技術(shù)，采集兩組大鼠在正確執(zhí)行T 迷宮任務(wù)期間前額葉皮層的LFPs 信號(hào)，比較分析不同刺激參數(shù)的TMAES 對(duì)大鼠行為學(xué)、神經(jīng)電生理信號(hào)能量以及通道間信號(hào)相關(guān)性的影響，為深入探究TMAES 對(duì)認(rèn)知、注意、記憶等大腦高級(jí)功能的調(diào)控提供重要參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與材料

選擇20 只健康成年雄性Wistar 大鼠，6～8 周齡，體重230～250 g，SPF 級(jí)，購自北京華阜康生物科技股份有限公司，許可證號(hào)SCXK(京)2020－0004。實(shí)驗(yàn)期間飼養(yǎng)于河北工業(yè)大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室，飼養(yǎng)環(huán)境保持恒溫24℃、恒濕50 %，食物與水自由獲取。準(zhǔn)備10 %水合氯醛溶液、精細(xì)剪、精細(xì)鑷、義齒基托樹脂粉、義齒基托樹脂液、棉球、雙氧水、消毒酒精等實(shí)驗(yàn)用品。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

經(jīng)顱磁聲電刺激實(shí)驗(yàn)設(shè)備:磁鐵、超聲換能器(P20FG，汕頭超聲電子，中國)、任意波形發(fā)生器(33500B Series，Keysight，美國)、射頻功率放大器(Model 150A100C，AR，美 國)、數(shù) 字 示 波 器(TDS3014，Tektronix，美國)等。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相關(guān)設(shè)備:在體多通道神經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)(Plexon，美國)、腦立體定位儀(51670，Stoelting，美國)、16 通道植入式微電極陣列(HKP，美國)、電動(dòng)顱骨鉆(68605，中國)、動(dòng)物麻醉機(jī)(MSS-35，上海任誼生物科技，中國)、手術(shù)顯微鏡、T 型迷宮等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 微電極陣列植入手術(shù)

術(shù)前對(duì)實(shí)驗(yàn)大鼠腹腔注射戊巴比妥鈉(300 mg/kg)麻醉，待大鼠完全麻醉后置于腦立體定位儀，將兩根耳桿插入大鼠耳道，以固定頭部。去除大鼠頭皮等組織，參考Wistar 大鼠腦立體定位圖譜，使用電動(dòng)顱骨鉆在前額葉皮層區(qū)域上方(以前囟為原點(diǎn)，向前2.5～4.5 mm，向右旁0.2～1.0 mm)開一個(gè)2.0 mm×0.8 mm 矩形窗，利用精密電動(dòng)推進(jìn)器以0.02 mm/min 速度，向下推進(jìn)微電極陣列至深度2.5～3.0 mm 的位置。在微電極陣列植入過程中，對(duì)大鼠神經(jīng)元電活動(dòng)信號(hào)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。待電極到達(dá)目標(biāo)腦區(qū)后，用牙科水泥固定電極，并做消毒處理。術(shù)后飼養(yǎng)大鼠一周左右，使其恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)所用微電極陣列由16 根直徑為35 μm鎳鉻合金絲組成，電極以2×8 的方式排布，如圖1所示。

圖1 微電極陣列排布示意圖Fig.1 Diagram of microelectrode array arrangement

1.3.2 經(jīng)顱磁聲電刺激實(shí)驗(yàn)

將術(shù)后恢復(fù)良好的20 只Wistar 雄性大鼠隨機(jī)分為對(duì)照組和刺激組，其中對(duì)照組8 只，不進(jìn)行刺激。刺激實(shí)驗(yàn)開始前使用4.0%濃度的異氟烷對(duì)大鼠誘導(dǎo)麻醉，在將大鼠固定于與麻醉機(jī)相連的固定架后，改用1.0%濃度的異氟烷，待大鼠進(jìn)入穩(wěn)定的輕度麻醉狀態(tài)時(shí)，開始刺激實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，在刺激過程中，將大鼠置于腦立體定位儀，動(dòng)物麻醉機(jī)提供混合氧氣，磁鐵分別位于大鼠兩側(cè)，超聲探頭貼合大鼠頭皮，由波形發(fā)生器和功率放大器產(chǎn)生超聲波，經(jīng)超聲換能器進(jìn)入大鼠腦部前額葉皮層。在實(shí)驗(yàn)中，所用磁鐵的參數(shù)分別為0.05、0.10、0.15 T。超聲刺激參數(shù):基頻為500 kHz，基波幅值分別為0.1、0.2、0.5、0.8、1.0 V，空間峰值脈沖平均強(qiáng)度Isppa分別為1.33、2.66、6.65、10.64、13.33 W/cm2，基波周期數(shù)NC/p 為100，脈沖重復(fù)頻率PRF 為1.0 kHz，脈沖重復(fù)個(gè)數(shù)NTB 為100，脈沖超聲序列參數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示。每只大鼠每天刺激2 次，每次刺激時(shí)長為1.0 min，兩次刺激實(shí)驗(yàn)間隔8～10 h，持續(xù)10 d[18]。每次刺激結(jié)束后，待大鼠從麻醉狀態(tài)清醒，恢復(fù)正常，再進(jìn)行工作記憶行為學(xué)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。

圖2 經(jīng)顱磁聲電刺激實(shí)驗(yàn)Fig.2 Transcranial magneto-acoustic-electrical stimulation experiment

圖3 脈沖超聲序列參數(shù)之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between parameters of pulsed ultrasonic sequence

1.3.3 工作記憶行為學(xué)實(shí)驗(yàn)

T 型迷宮實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)大鼠工作記憶能力的常用實(shí)驗(yàn)方法之一[22]。圖4所示為T 型迷宮，實(shí)驗(yàn)迷宮的徑長略長于兩臂，有兩個(gè)可上下移動(dòng)的擋板可限制大鼠活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)迷宮的具體參數(shù):縱向長度為90 cm，橫向長度為85 cm，高度為20 cm，臂寬為15 cm。

圖4 T 型迷宮示意Fig.4 Schematic diagram of T maze

在T 型迷宮訓(xùn)練任務(wù)開始前，安排大鼠適應(yīng)迷宮，允許大鼠自由探索迷宮的各處，每天2 次，每次約30 min；適應(yīng)3 d 后，將大鼠放置于T 型迷宮起始位置A 點(diǎn)，同時(shí)在B、C 位置放入獎(jiǎng)勵(lì)食物，打開擋板，任由大鼠到達(dá)B 或C 點(diǎn)，獲得一次食物獎(jiǎng)勵(lì)，待其進(jìn)食后重新回到起始位置A 點(diǎn)，關(guān)閉擋板；經(jīng)5 s延遲時(shí)間后，打開擋板，再次讓大鼠進(jìn)行選擇，到達(dá)B 或C 點(diǎn)，無論是否獲得食物，都將回到A 點(diǎn)。大鼠的兩次選擇構(gòu)成一次完整的工作記憶訓(xùn)練任務(wù):若兩次的選擇方向不同，即大鼠兩次得到食物獎(jiǎng)勵(lì)，則認(rèn)為該次訓(xùn)練任務(wù)成功；反之，則認(rèn)為該次訓(xùn)練任務(wù)失敗。每只大鼠每天進(jìn)行兩組T 型迷宮工作記憶訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，每組包含25 次訓(xùn)練過程。當(dāng)大鼠執(zhí)行工作記憶訓(xùn)練任務(wù)的正確率連續(xù)3 d 不低于80%時(shí)，則認(rèn)為其“學(xué)會(huì)”，達(dá)到工作記憶行為學(xué)訓(xùn)練要求。

1.4 信號(hào)采集與預(yù)處理

在大鼠行為學(xué)實(shí)驗(yàn)開始前，將大鼠頭部的微電極陣列與多通道神經(jīng)電生理信號(hào)采集系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)采集并記錄訓(xùn)練過程中大鼠前額葉皮層的神經(jīng)電信號(hào)。原始數(shù)據(jù)采樣頻率為40.0 kHz，神經(jīng)電信號(hào)采樣頻率為1.0 kHz，獲取的信號(hào)經(jīng)0.3～300 Hz低通濾波得到原始的16 通道LFPs 數(shù)據(jù)。

受系統(tǒng)設(shè)備的影響以及信號(hào)本身的特點(diǎn)，所獲得的LFPs 信號(hào)中噪聲比較明顯、信號(hào)波動(dòng)性大，因此需要對(duì)原始LFPs 信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。首先使用陷波濾波的方法去除50 Hz 工頻干擾，然后應(yīng)用曲線擬合方法去除基線漂移，最后利用帶通濾波的方法提取與記憶相關(guān)的gamma 頻段(30～80 Hz)分量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1 時(shí)頻分析

短時(shí)傅里葉變換是最常用的時(shí)頻分析方法之一，通過使用移動(dòng)窗函數(shù)來計(jì)算不同時(shí)刻的時(shí)頻信息。對(duì)于隨時(shí)間變化的時(shí)域信號(hào)x(t) ∈L2(R)，L2(R) 是有限能量信號(hào)空間，該信號(hào)不同時(shí)刻的短時(shí)傅里葉變換(short time fourier transform，STFT)的集合STFTx(t，Ω) 為

式中，Ω表示相對(duì)連續(xù)信號(hào)的角頻率，τ表示信號(hào)的輸入時(shí)刻，t表示信號(hào)時(shí)間，窗函數(shù)g(τ) 應(yīng)該選取對(duì)稱的實(shí)函數(shù)，滿足gt，Ω(τ)＝g(τ－ t)ejΩτ，而且‖gt，Ω(τ)‖＝1。

對(duì)式(1)兩邊分別取幅度的平方，有

式中，Sx(t，Ω) 是對(duì)應(yīng)時(shí)域信號(hào)x(t) 的譜圖，反映了信號(hào)能量隨時(shí)間、頻率的分布。

從預(yù)處理后的LFPs 信號(hào)中，截取經(jīng)過選擇點(diǎn)位置前后0.5 s(共1.0 s)的LFPs 數(shù)據(jù)，每組獲取200 段16 通道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用式(2)計(jì)算每一通道的時(shí)頻能量分布，將每組16 通道的時(shí)頻分析結(jié)果進(jìn)行疊加平均，得到每組大鼠gamma 頻段的平均能量時(shí)頻分布。時(shí)頻能量分布反映了經(jīng)過選擇點(diǎn)位置前后大鼠gamma 頻段信號(hào)的能量在時(shí)間、頻率上的動(dòng)態(tài)變化特性，以及不同刺激參數(shù)的經(jīng)顱磁聲電刺激對(duì)大鼠前額葉皮層神經(jīng)元集群的作用。

1.5.2 互信息分析

局部場(chǎng)電位信號(hào)記錄了大腦周期性的神經(jīng)振蕩活動(dòng)，但非平穩(wěn)性較強(qiáng)，使時(shí)頻分析所得的結(jié)果有限?；バ畔⒎?mutual information，MI)作為一種常見的非線性分析方法，通過檢測(cè)概率分布的差別來度量兩個(gè)信號(hào)之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，既可以對(duì)信號(hào)間的線性或非線性關(guān)系進(jìn)行評(píng)估，又可以衡量信號(hào)間的相互作用和信息傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)特性[23]。

互信息的概念源于自信息論[24-25]，以信息熵為基礎(chǔ)，任意一個(gè)隨機(jī)變量X＝{x1，x1，…，xn}的信息熵可表示為

式中，pX(xi) 表示xi出現(xiàn)的概率(i＝1，2，…，n，且

聯(lián)合熵用來衡量兩個(gè)隨機(jī)變量含有的信息量之和。對(duì)于兩個(gè)隨機(jī)變量X和Y，其聯(lián)合熵表示為

其互信息熵定義為

式中，PX(x)、PY(y) 分別為隨機(jī)變量X、Y相互獨(dú)立時(shí)的邊緣概率分布，PX，Y(x，y) 為其聯(lián)合概率分布。

互信息熵與信息熵、聯(lián)合熵的關(guān)系為

從預(yù)處理后的LFPs 信號(hào)中，截取經(jīng)過選擇點(diǎn)位置前后0.5 s(共1.0 s)的LFPs 數(shù)據(jù)，每組獲取200 段16 通道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；考慮到實(shí)際中某些通道采集的信號(hào)包含噪聲較多、信號(hào)幅值偏低等，去掉其中的1、8、9、13 通道，運(yùn)用式(3)～(6)，計(jì)算其余12 通道LFPs 信號(hào)的信息熵和任意兩通道間信號(hào)的互信息熵；將每組200 段互信息值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加平均，得到各組大鼠gamma 頻段12 通道信號(hào)間的平均互信息值矩陣圖。互信息值反映了LFPs 信號(hào)振蕩活動(dòng)的強(qiáng)弱，由此可以判斷刺激后大鼠電極周圍神經(jīng)元集群之間的信息交流和傳遞情況。

1.5.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)形式表示。首先，采用Minitab18 軟件對(duì)大鼠的行為學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，對(duì)比刺激組與對(duì)照組大鼠行為學(xué)的差異性；然后，根據(jù)時(shí)頻分析與互信息分析結(jié)果，以組別為因素，分別對(duì)不同參數(shù)刺激組與對(duì)照組大鼠的時(shí)頻能量值、互信息值作單因素方差分析，對(duì)比不同參數(shù)刺激組與對(duì)照組數(shù)據(jù)之間的差異性。當(dāng)P<0.05 時(shí)，表示差異性顯著。

2 結(jié)果

2.1 工作記憶行為學(xué)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)中兩組大鼠在每日訓(xùn)練任務(wù)中的正確率，以確定達(dá)到“學(xué)會(huì)”標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)照組大鼠達(dá)到正確率標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間為(10.65±2.32)d，刺激組大鼠達(dá)到正確率標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間為(7.57±0.99)d。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果顯示，刺激組大鼠早于對(duì)照組大鼠達(dá)到“學(xué)會(huì)”標(biāo)準(zhǔn)(P<0.05)。

2.2 時(shí)頻分析結(jié)果

圖5所示為不同超聲強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段LFPs 信號(hào)的平均時(shí)頻分布。由圖可見，在經(jīng)過選擇點(diǎn)位置前后，對(duì)照組時(shí)頻能量主要分布在0～0.2、0.8～1.0 s 時(shí)間段的低gamma 頻段(30～40 Hz)，能量值維持在較低水平；刺激組中除1.33 W/cm2組與對(duì)照組能量分布差異較小外，其他2.66～13.33 W/cm2這4 組的gamma 頻段LFPs 信號(hào)能量整體上均高于對(duì)照組的相應(yīng)值，gamma 節(jié)律能量主要集中在0.2～0.4 s、0.6～0.8 s 時(shí)間段的低gamma 頻段；隨著超聲強(qiáng)度的增加，高gamma 頻段(60～80 Hz)也出現(xiàn)能量連續(xù)、集中分布的情況，尤其在超聲強(qiáng)度為10.64 和13.33 W/cm2時(shí)較為明顯。Gamma 節(jié)律與工作記憶認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)密切相關(guān)，其中低gamma 節(jié)律(25～55 Hz)、高gamma 節(jié)律(65～100 Hz)分別參與工作記憶的提取與形成過程[10]。以上結(jié)果表明，經(jīng)顱磁聲電刺激能夠促進(jìn)大鼠在行為選擇過程中相關(guān)記憶信息的提取與編碼。

圖5 不同超聲強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段的平均時(shí)頻分布。(a)對(duì)照組；(b)1.33 W/cm2 組；(c)2.66 W/cm2 組；(d)6.65 W/cm2 組；(e)10.64 W/cm2 組；(f)13.33 W/cm2 組Fig.5 Mean time-frequency distribution in gamma band of rats stimulated by different ultrasonic intensities and control groups.(a) The control group；(b) The group with 1.33 W/cm2；(c) The group with 2.66 W/cm2；(d)The group with 6.65 W/cm2；(e) The group with 10.64 W/cm2；(f) The group with 13.33 W/cm2

將不同超聲強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段的時(shí)頻能量進(jìn)行疊加平均，得到表1所示選擇點(diǎn)位置前后0.5 s 內(nèi)的平均時(shí)頻能量值。對(duì)照組大鼠gamma 頻段的平均能量值為(2.034±0.706)×10－3mV2，刺激組大鼠gamma 頻段的能量值分別為(2.225±0.936)、(4.291±2.688)、(5.726±2.757)、(14.866±5.277)、(26.085±12.625)×10－3mV2。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果顯示，1.33 W/cm2組大鼠gamma 頻段LFPs 信號(hào)的平均能量值與對(duì)照組大鼠的相應(yīng)值無顯著性差異(P>0.05)，而其他刺激組大鼠LFPs信號(hào)中g(shù)amma 頻段的平均能量值均明顯高于對(duì)照組大鼠的相應(yīng)值(P<0.05)，具有顯著性差異，且隨著超聲強(qiáng)度的增加，時(shí)頻能量值呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。

表1 不同超聲強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段的平均時(shí)頻能量值Tab.1 The average time-frequency energy values of gamma band in different ultrasound intensity stimulation group and control group rats

圖6所示為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段LFPs 信號(hào)的平均時(shí)頻分布。由圖可見，在行為選擇過程中，對(duì)照組大鼠gamma 頻段能量較為分散地分布于30～40 Hz 頻段，能量峰值出現(xiàn)在0.2 和0.9 s 附近；刺激組中0.05 T 組與對(duì)照組能量分布整體差異較小，能量峰值出現(xiàn)在0.3 和0.6 s 附近；0.10 和0.15 T 組大鼠LFPs 信號(hào)的gamma 頻段能量整體上高于對(duì)照組與0.05 T 組的相應(yīng)值，gamma 節(jié)律能量較為集中地分布在0.2 和0.8 s 時(shí)刻附近的低gamma 頻段；在0.15 T 刺激組的高gamma 頻段，能量也呈現(xiàn)較為連續(xù)集中的分布。

圖6 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段的平均時(shí)頻分布。(a)對(duì)照組；(b)0.05 T 組；(c)0.10 T組；(d)0.15 T 組Fig.6 Mean time-frequency distribution in gamma band of rats stimulated by different magnetic field intensities and control group.(a) The control group；(b) The group with 0.05 T；(c) The group with 0.10 T；(d) The group with 0.15 T

將不同磁場(chǎng)強(qiáng)度刺激組、對(duì)照組大鼠gamma 頻段的時(shí)頻能量進(jìn)行平均，得到經(jīng)過選擇點(diǎn)位置前后0.5 s 內(nèi)的平均時(shí)頻能量值(單位為10－3mV2)，如表2所示。對(duì)照組大鼠gamma 頻段的平均能量值為(2.034±0.706)×10－3mV2，刺激組大鼠gamma 頻段的平均能量值分別為(2.225±0.936)×10－3、(5.478±2.265)×10－3、(15.255±6.637)×10－3mV2。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果顯示，0.05 T 刺激組大鼠gamma 頻段LFPs 信號(hào)的平均能量值與對(duì)照組大鼠的相應(yīng)值無顯著性差異(P>0.05)，而0.10、0.15 T 組大鼠gamma 頻段LFPs 信號(hào)的平均能量值明顯高于對(duì)照組大鼠的相應(yīng)值(P<0.05)，具有顯著性差異，且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，時(shí)頻能量值呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。

表2 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段的平均時(shí)頻能量值Tab.2 Average time-frequency energy of gamma band in different magnetic field intensity stimulation group and control group rats

2.3 互信息分析結(jié)果

圖7所示為不同超聲強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段12 通道信號(hào)間的平均互信息值矩陣。橫縱坐標(biāo)表示12 個(gè)通道，每個(gè)方框表示兩個(gè)通道間的平均互信息值，對(duì)角線為通道自身與自身間的平均互信息值，將其設(shè)置為0，顏色深淺代表平均互信息值的大小，顏色越深表示平均互信息值越大，反之則表示越小。將以上各組大鼠gamma 頻段12 通道信號(hào)間的平均互信息值疊加平均，得到如表3所示的不同超聲強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段12 通道信號(hào)的平均互信息值。

從圖7、表3中可以看出，在經(jīng)過選擇點(diǎn)位置前后，對(duì)照組大鼠gamma 頻段12 通道信號(hào)間的平均互信息值整體較低，大多在0.2～0.3 之間，通道間的相關(guān)性較弱；刺激組中除1.33 W/cm2組與對(duì)照組差異較小外，其他4 組的平均互信息值均大于對(duì)照組的值，較多通道間互信息值超過0.5，尤其以6.65、10.64、13.33 W/cm2組與對(duì)照組間差異較為顯著(P<0.05)；在2.66～13.33 W/cm2組中，隨著超聲強(qiáng)度的增加，12 通道信號(hào)的平均互信息值變大，信號(hào)間相關(guān)性變強(qiáng)，尤其以1、2、3、7、9 這5 個(gè)通道間的變化最為明顯。此外，空間位置上相鄰的電極間平均互信息值明顯高于非相鄰電極間的平均互信息值，信號(hào)間相關(guān)性更強(qiáng)，在10.64 W/cm2組中非相鄰電極間的平均互信息值也出現(xiàn)顯著增加。

表3 不同超聲強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段12 通道信號(hào)的平均互信息值Tab.3 The average mutual information values of gamma-band 12-channel signal in rats of different ultrasonic intensity stimulation groups and the control group

圖7 不同超聲強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段12 通道信號(hào)間平均互信息值矩陣圖。(a)對(duì)照組；(b)1.33 W/cm2 組；(c)2.66 W/cm2 組；(d)6.65 W/cm2 組；(e)10.64 W/cm2 組；(f)13.33 W/cm2 組Fig.7 The matrix of the mean mutual information value between the gamma band channels of rats stimulated by different ultrasonic intensities and the control group.(a) The control group；(b) The group with 1.33 W/cm2；(c) The group with 2.66 W/cm2；(d) The group with 6.65 W/cm2；(e) The group with 10.64 W/cm2；(f) The group with 13.33 W/cm2

圖8、表4所示分別為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段12 通道信號(hào)間的平均互信息值矩陣圖，以及對(duì)應(yīng)12 通道的平均互信息值。從圖8、表4中可以看出，對(duì)照組大鼠gamma 頻段12通道信號(hào)間的平均互信息值整體較低，0.05 T 組大鼠gamma 頻段12 通道信號(hào)間的平均互信息值與對(duì)照組的差異性較小，不存在明顯差異(P>0.05)；0.10 T 組、0.15 T 兩組信號(hào)間平均互信息值較高，明顯大于對(duì)照組(P<0.05)，通道間的相關(guān)性更強(qiáng)；隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，通道信號(hào)間的平均互信息值出現(xiàn)明顯增加，信號(hào)間相關(guān)性增強(qiáng)，以1～3、4～6、7～9相鄰?fù)ǖ佬盘?hào)間的變化最為明顯；在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.15 T 時(shí)，相鄰、非相鄰電極信號(hào)間的平均互信息值均出現(xiàn)較為明顯的增加。

表4 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段12通道信號(hào)的平均互信息值Tab.4 The average mutual information values of gammaband 12-channel signal in rats of different magnetic intensity stimulation groups and control group

圖8 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度刺激組和對(duì)照組大鼠gamma 頻段12 通道信號(hào)間平均互信息值矩陣圖。(a)對(duì)照組；(b)0.05 T 組；(c)0.10 T 組；(d)0.15 T 組Fig.8 The matrix of the mean mutual information between the gamma band channels of rats stimulated by different magnetic field intensities and the control group.(a) The control group；(b) The group with 0.05 T；(c) The group with 0.10 T；(d) The group with 0.15 T

3 討論

大鼠工作記憶行為學(xué)數(shù)據(jù)表明，相較于未接受刺激的正常大鼠，接受經(jīng)顱磁聲電刺激的大鼠能夠更快地達(dá)到“學(xué)會(huì)”標(biāo)準(zhǔn)，說明經(jīng)顱磁聲電刺激可以有效提高大鼠的工作記憶行為學(xué)能力。但是，關(guān)于這種提升效果是否具有時(shí)效性，是否與刺激參數(shù)(超聲強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等)存在一定關(guān)聯(lián)，還有待于進(jìn)一步研究。

通過對(duì)大鼠工作記憶過程中g(shù)amma 頻段LFPs信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過選擇點(diǎn)位置前后，除“1.33 W/cm2、0.05 T”刺激組外，其他參數(shù)刺激組大鼠前額葉皮層神經(jīng)元集群gamma 頻段的能量均明顯高于對(duì)照組大鼠的相應(yīng)能量(P<0.05)，且主要集中分布在時(shí)間點(diǎn)0.2、0.8 s 附近低gamma 頻段(30～40 Hz)；隨著刺激參數(shù)的增加，高gamma 頻段(60～80 Hz)也出現(xiàn)能量連續(xù)、集中分布的情況，如圖5(e)～(f)和圖6(d)。LFPs 信號(hào)反映了電極附近神經(jīng)元集群的放電活動(dòng)，gamma 頻段是工作記憶的特征頻段之一[26-27]，前額葉皮層LFPs 的gamma頻段神經(jīng)節(jié)律反映了工作記憶過程中神經(jīng)元的放電特征[28]。gamma 節(jié)律是與工作記憶極其相關(guān)的神經(jīng)節(jié)律，可分為低gamma(25～55 Hz)和高gamma(65～100 Hz)節(jié)律，分別在記憶的提取[29]和形成[10]中發(fā)揮重要作用。在工作記憶行為學(xué)訓(xùn)練任務(wù)中，2.66～13.33 W/cm2組、0.10～0.15 T 組大鼠gamma 頻段的能量增強(qiáng)，尤其在選擇點(diǎn)位置前后(對(duì)應(yīng)于時(shí)頻分布的0.2、0.8 s 時(shí)刻)，能量分布比較集中。這表明，經(jīng)顱磁聲電刺激提高了工作記憶過程中大鼠前額葉皮層的興奮性，同時(shí)增強(qiáng)了神經(jīng)元集群gamma 節(jié)律振蕩模式的放電活動(dòng)，進(jìn)而影響了大鼠前額葉皮層中與記憶認(rèn)知功能相關(guān)的神經(jīng)信息的形成、鞏固和提??；在采用較高的超聲強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，經(jīng)顱磁聲電刺激對(duì)大鼠工作記憶功能的調(diào)控效果更顯著，能夠更明顯地促進(jìn)與工作記憶相關(guān)的信息編碼和信息提取。

記憶本質(zhì)上是由細(xì)胞集群合作完成，而非單個(gè)細(xì)胞獨(dú)立進(jìn)行的分散性活動(dòng)[31]，互信息衡量了兩組神經(jīng)信號(hào)之間的相互關(guān)聯(lián)程度，若LFPs 信號(hào)之間在某一頻段的互信息值較高，則說明腦區(qū)之間或同一腦區(qū)中神經(jīng)元集群的信息交流活動(dòng)頻繁[25]。gamma 節(jié)律在海馬區(qū)－前額葉皮層網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞中扮演重要角色，其中低gamma 節(jié)律往往能夠在較長的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步，而高gamma 節(jié)律可以實(shí)現(xiàn)局部網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)同步[32]。從互信息分析結(jié)果來看，在行為選擇過程中，相較于對(duì)照組，6.65～13.33 W/cm2組、0.10～0.15 T 組大鼠前額葉皮層神經(jīng)元集群gamma 頻段通道信號(hào)間的平均互信息值明顯更大(P<0.05)，信號(hào)間的相關(guān)性更強(qiáng)；隨著超聲強(qiáng)度的增加，通道信號(hào)間的平均互信息值出現(xiàn)明顯增加，信號(hào)間的相關(guān)性增強(qiáng)，以1、2、3、7、9 這5個(gè)相鄰?fù)ǖ篱g的變化最為明顯(見圖7(d)～(f))；而在0.15 T 刺激組中，相鄰、非相鄰電極信號(hào)間的平均互信息值均出現(xiàn)較為明顯增加(見圖8(d))。以上結(jié)果說明，經(jīng)顱磁聲電刺激通過影響gamma 節(jié)律神經(jīng)振蕩，調(diào)節(jié)神經(jīng)元放電活動(dòng)，促進(jìn)了前額葉皮層神經(jīng)元集群之間的信息交流與傳遞，進(jìn)而影響大鼠在工作記憶任務(wù)中注意、決策、記憶等大腦功能的實(shí)現(xiàn)。此外，經(jīng)顱磁聲電刺激不僅使大鼠前額葉皮層內(nèi)空間距離較短的神經(jīng)元集群之間有了更多的信息交互，同時(shí)也加強(qiáng)了空間距離較遠(yuǎn)的神經(jīng)元集群之間的協(xié)同作用，從而促進(jìn)了工作記憶任務(wù)中大鼠前額葉皮層神經(jīng)元集群的“同步化”活動(dòng)。

4 結(jié)論

本研究基于在體多通道微電極記錄技術(shù)，采集健康大鼠在T 迷宮工作記憶任務(wù)中的電生理信號(hào)，分別運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、時(shí)頻分析法和互信息法，對(duì)大鼠行為學(xué)數(shù)據(jù)和LFPs 信號(hào)進(jìn)行分析，從動(dòng)物認(rèn)知行為和神經(jīng)電活動(dòng)的角度，著重探究經(jīng)顱磁聲電刺激對(duì)大鼠工作記憶任務(wù)中前額葉皮層神經(jīng)放電活動(dòng)的影響。結(jié)果表明，經(jīng)顱磁聲電刺激能夠提高大鼠前額葉皮層gamma 節(jié)律振蕩活動(dòng)，促進(jìn)神經(jīng)元集群之間的信息交流與協(xié)同，在一定程度上提高大鼠工作記憶能力，有助于揭示gamma 節(jié)律在記憶認(rèn)知活動(dòng)中的作用機(jī)制，對(duì)神經(jīng)退行性疾病的輔助治療具有指導(dǎo)意義。