基于前额叶-海马局部场电位特征分析的睡眠剥夺对工作记忆影响的研究

作     者：张玉朋 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李双燕

授予年度：2022年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 071006[理学-神经生物学] 

主      题：睡眠剥夺 工作记忆 局部场电位 时频分析 复杂度 因果网络 

摘      要：睡眠对大多数生物来说都是十分重要的一部分。近年来,人们工作压力以及生活压力的增加,使得睡眠剥夺成为了一种普遍的社会现象。长期的睡眠剥夺会导致严重的健康问题,包括对学习等许多认知功能造成负面影响,但其相关作用机制仍不清楚。在众多复杂认知功能中,工作记忆(WM)是一种对信息进行短时存储和处理的有限系统,是许多高级认知功能得以实现的基础。因此,对睡眠剥夺如何影响WM的相关神经电生理机制进行研究,具有重要意义。本论文以Wistar大鼠为研究对象,基于大鼠执行WM相关任务的行为学表现和前额叶皮层与海马的多通道局部场电位(LFPs)信号特征的变化,探索睡眠剥夺对WM的影响及其相关的神经电生理机制。主要研究内容如下:将大鼠随机分为睡眠剥夺组和对照组,选取轻柔刺激法制备睡眠剥夺模型。将微电极阵列植入到大鼠的前额叶皮层和海马脑区,并在大鼠执行T迷宫WM任务的同时记录两个脑区LFPs信号。对比分析对照组大鼠和睡眠剥夺组大鼠执行WM任务时的平均正确率;应用短时傅里叶变换对两组大鼠在执行WM任务时同步采集的LFPs信号进行时频分析;应用多尺度离散熵算法对两组大鼠执行WM任务时同步采集的LFPs信号的复杂度进行分析和对比;最后,应用格兰杰因果算法,基于LFPs信号,构建了两组大鼠执行WM任务时前额叶-海马脑区间及两个脑区内部的因果网络,并对两组大鼠的网络连接特征进行了对比分析。研究结果显示:睡眠剥夺组大鼠执行T迷宫任务的正确率要明显低于对照组大鼠,一定程度上损害了大鼠的WM能力。此外,睡眠剥夺显著降低了大鼠执行WM任务过程中低频θ(4-8 Hz)和γ(30-100 Hz)频段的能量,而相关脑区θ频段的复杂度变化不大,但γ频段的复杂度呈上升趋势。并且睡眠剥夺降低了大鼠在执行任务时前额叶皮层和海马脑区内部及两个脑区之间神经信息在网络中的传递强度和传递效率。以上研究结果表明,睡眠剥夺会对大鼠WM功能造成负面影响。此外,睡眠剥夺降低了大鼠执行WM任务时前额叶皮层和海马脑区神经元的活跃程度和LFPs信号高尺度下的复杂度以及两脑区内部和两脑区间的信息传递能力。这可能是睡眠剥夺损害WM功能的原因。论文的研究结果在一定程度上为揭示睡眠剥夺影响WM等认知功能的神经生理机制提供了实验依据。