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不同模式经颅磁刺激对大鼠工作记忆中局部场电位因果网络连接的影响

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中国生物医学工程学报 2023年第2期42卷 158-167页

作者：郭苗苗吉利辉张天恒王中豪徐桂芝河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室天津300130

近年来,非侵入式临床神经调控手段被专家学者们重点关注,其中经颅磁刺激技术能够无创地在大脑皮层中诱导出感应电场,从而调节神经系统功能,其对认知功能的调控作用尤为显著。建立5 Hz重复经颅磁刺激(rTMS)组、间歇性θ节律刺激(iTBS)组... 详细信息

近年来,非侵入式临床神经调控手段被专家学者们重点关注,其中经颅磁刺激技术能够无创地在大脑皮层中诱导出感应电场,从而调节神经系统功能,其对认知功能的调控作用尤为显著。建立5 Hz重复经颅磁刺激(rTMS)组、间歇性θ节律刺激(iTBS)组和连续性θ节律刺激(cTBS)组大鼠模型,每组6只。记录大鼠在工作记忆任务过程中的局部场电位信号(LFPs)。之后,基于定向传递函数(DTF)分别构建θ和γ频段的局部场电位因果连接网络,并计算各组大鼠的DTF值、平均连接密度、全局效率等因果网络特征参数,结合各组行为学的实验结果,对比分析不同模式经颅磁刺激对大鼠工作记忆的影响。结果表明,关于学会工作记忆行为学任务所需时间,rTMS组[(4.83±1.84)d]和iTBS组[(5.00±1.55)d]大鼠显著低于对照组[(7.83±2.40)d]和cTBS组[(9.33±2.07)d](P0.05),rTMS组和iTBS组大鼠γ频段的DTF值等网络参数均显著高于对照组和cTBS组大鼠(P<0.05)。rTMS刺激模式和iTBS刺激模式有助于增强前额叶皮层神经元集群间γ振荡的信息交互,从而改善工作记忆能力,iTBS以及rTMS对认知功能障碍的改善效果优于cTBS。研究结果可为不同模式经颅磁刺激技术的探索提供参考。

关键词：经颅磁刺激工作记忆局部场电位定向传递函数

高频重复经颅磁刺激后大鼠工作记忆局部场电位时频特征与相干性差异分析

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生物医学工程学杂志 2020年第5期37卷 756-764页

作者：徐桂芝王宁郭苗苗张天恒童禹铭河北工业大学电气工程学院省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学电气工程学院河北省电磁场与电器可靠性重点实验室天津300130

重复经颅磁刺激技术(rTMS)是认知神经科学研究以及临床神经功能调控领域的重要手段之一,具有无痛和非侵入的特点。本文将成年威斯塔(Wistar)大鼠分为rTMS组和空白对照组(control组),rTMS组大鼠连续接受频率为5 Hz的rTMS刺激14 d,contro... 详细信息

重复经颅磁刺激技术(rTMS)是认知神经科学研究以及临床神经功能调控领域的重要手段之一,具有无痛和非侵入的特点。本文将成年威斯塔(Wistar)大鼠分为rTMS组和空白对照组(control组),rTMS组大鼠连续接受频率为5 Hz的rTMS刺激14 d,control组大鼠不接受磁刺激作用。然后,采集两组大鼠在进行T迷宫工作记忆(WM)任务期间内侧前额叶皮层(PFC)的局部场电位信号(LFPs)。最后,通过对比分析两组大鼠WM任务期间的行为学差异、LFPs的时频分布和相干性特征,探索rTMS对大鼠WM的影响。研究结果发现,rTMS组大鼠执行WM任务达到正确率80%以上所需时间明显少于control组(P<0.05);与control组大鼠相比,rTMS组大鼠LFPs信号的θ(4~12 Hz)和γ(30~80 Hz)频段在T迷宫选择点附近能量较高(P<0.01);rTMS组与control组LFPs信号的电极对之间相干性均随电极对间距离的增大而减小,而且rTMS组大鼠的电极对间相干性均高于control组大鼠电极对间的相干性(P<0.01)。本文结果表明,5 Hz高频rTMS在一定程度上能够改善大鼠PFC神经元的兴奋性以及神经元集群之间的同步性,本文结果或可为进一步研究rTMS对WM的作用机制提供重要的理论支持。

关键词：重复经颅磁刺激工作记忆局部场电位相干性

非周期性成分对帕金森病丘脑底核局部场电位分析的影响及其生理学意义

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中华神经外科杂志 2024年第4期40卷 361-366页

作者：王勇彭椿凯孙语佳胡凯莫诒向李青青张世忠薛杉南方医科大学珠江医院神经外科中心功能神经外科广州510282

目的探讨非周期性成分对帕金森病(PD)患者丘脑底核(STN)局部场电位(LFP)分析结果的影响及其在运动症状评估中的生理学意义。方法回顾性分析南方医科大学珠江医院神经外科中心功能神经外科2019年2月至2021年9月收治的27例行双侧STN脑深... 详细信息

目的探讨非周期性成分对帕金森病(PD)患者丘脑底核(STN)局部场电位(LFP)分析结果的影响及其在运动症状评估中的生理学意义。方法回顾性分析南方医科大学珠江医院神经外科中心功能神经外科2019年2月至2021年9月收治的27例行双侧STN脑深部电刺激治疗的PD患者,其中21例置入传统脉冲发生器,6例置入新型脉冲发生器。采集术中、术后(仅6例置入新型脉冲发生器患者)1~6个月的STN-LFP。采用统一PD评定量表第三部分(包括震颤症状、僵硬症状、运动迟缓症状评分及三种运动症状评分之和)评估术前及术后的肢体运动症状。采用神经元功率谱参数化的方法获得STN-LFP的原始频谱、拟合频谱、原始平坦频谱、拟合平坦频谱4种频谱的β功率值及提取非周期性成分(后2种频谱分别为前2种频谱去除非周期性成分所得),分析非周期性成分与肢体运动症状评分的相关性;将PD患者分为运动不能型(12例)和震颤为主型(15例),绘制受试者工作特征(ROC)曲线并计算曲线下面积(AUC),分析4种频谱的β功率值鉴别PD运动亚型的效能;分析不同频谱在不同频带的功率值与肢体运动症状评分的相关性。结果27例患者术中LFP的非周期性成分与术前肢体运动症状评分均无相关性(均P>0.05)。6例置入新型脉冲发生器的患者术后随访时间[M(IQR)]为2.00(2.75)个月,术后LFP的非周期性成分与术后肢体运动症状评分均无相关性(均P>0.05)。ROC曲线结果显示,4种频谱的β功率值依上述次序鉴别PD运动亚型的AUC分别为0.69、0.67、0.84、0.89;拟合平坦频谱的分类效能优于拟合频谱(Z=1.86,P=0.033)和原始频谱(Z=1.67,P=0.041),差异均有统计学意义。术中及术后LFP的不同频谱的功率值在不同频带与肢体运动症状评分均有一定的相关性(均P<0.05)。结论尽管非周期性成分本身和肢体运动症状评分无相关性,但其影响PD患者STN-LFP的频谱分析结果和基于LFP鉴别运动亚型的分类效能。

关键词：帕金森病丘脑底核局部场电位非周期性成分

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

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中国生物医学工程学报 2021年第5期40卷 540-549页

作者：张帅党君武焦立鹏武健康王艺潇徐桂芝河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学天津市生物电工与智能健康重点实验室天津300130

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... 详细信息

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/cm^(2)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/cm^(2)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/cm^(2)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。

关键词：经颅磁声电刺激工作记忆局部场电位 gamma节律

面向生物控制的鲤鱼小脑和中脑的局部场电位研究

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面向生物控制的鲤鱼小脑和中脑的局部场电位研究

作者：问育栋燕山大学

学位级别：硕士

生物机器人是当今世界一个新兴的多个学科交叉融合的前沿科技领域。生物机器人未来可以替代人类完成复杂和危险的任务,所以生物机器人具有重要的科学研究意义和广阔的应用前景。水生生物机器人是生物机器人领域的一个重要分支,在实际应... 详细信息

生物机器人是当今世界一个新兴的多个学科交叉融合的前沿科技领域。生物机器人未来可以替代人类完成复杂和危险的任务,所以生物机器人具有重要的科学研究意义和广阔的应用前景。水生生物机器人是生物机器人领域的一个重要分支,在实际应用方面具有独特的优势和显著的特色。为通过小脑和中脑局部场电位(Local Field Potential,LFP)研究来探究如何对水生生物机器人长时间有效控制,本文以鲤鱼为对象进行实验研究,本课题的研究工作如下:由于鲤鱼较长时间都维持在静止状态或缓慢游动的状态来降低身体的代谢水平以减少能量的消耗,为采集到转向状态下的脑电信号,本文设计了一种用于鲤鱼机器人运动行为控制的光电刺激结合装置,利用自制的光电刺激结合装置和生物信号采集与分析系统实现了在静止状态下鲤鱼不同脑区脑电信号采集,以及在光刺激下诱发同一运动行为时鲤鱼不同脑区的脑电信号采集,记录了鲤鱼小脑脑运动区和中脑视盖的局部场电位信号。采集到的局部场电位信号受到一定的背景噪声的影响。因此,本研究对鲤鱼水下的静止状态和光刺激诱导下的运动状态的脑电信号进行了信号处理,使用数字滤波、小波去噪和小波包分解去除基线漂移等方法得到有用信号含量较多,噪声信号含量较少的信号。随后使用时频分析方法对处理后的脑电信号进行了分析。本研究将局部场电位信号分解为五个子带频段,并对每个频段单独计算小波包能量提取特征。结果显示,在鲤鱼从静止状态到光刺激诱导运动状态的转变过程中,、和频段的成分会有所增加。本研究推测这三个频段可能会含有更多的运动信息。此外,对比小脑和中脑的小波包能量,发现在和频段中,小脑的能量要比中脑的小波能量小一些,而在和频段中,小脑的能量又要小于中脑的小波能量。在运动状态下,小脑和中脑的和频段的变化最大,其中受光刺激影响,的变化尤为明显。本文使用时域、频域和时频域三方面的技术方法对鲤鱼小脑和中脑同一运动行为下的脑电信号进行研究。结果表明,鲤鱼小脑和中脑的脑电信号有相关性也有差异性。在静止状态下,鲤鱼小脑和中脑的相关性较高,各个频段的相对功率也比较相似,小脑所包含的信息较中脑要高一些。在光刺激诱导运动状态下,鲤鱼小脑和中脑的相关性有所降低,各个频段的相对功率出现差异性,小脑和中脑和两个频段的变化较大,且中脑频段的变化会更强烈一些,两个脑区所包含的信息都有所上升,鲤鱼小脑和中脑在整个运动过程中均有不同程度的参与。为研究刺激频率改变时鲤鱼机器人的运动行为变化,本研究将鲤鱼水下刺激实验分为小脑刺激组、中脑刺激组、小脑和中脑联合刺激组。单独刺激组的实验结果表明:向小脑运动区施加35 Hz左右频率的电刺激会使控制成功率达到最高,成功率可达65%,而向中脑运动区需要施加40 Hz左右频率的电刺激才能使控制成功率最高,可以达到70%。联合刺激组的结果表明:联合刺激有利于提高鲤鱼机器人控制成功率,但控制精度没有单一刺激稳定,会出现鲤鱼较激烈的运动行为发生。本文为鲤鱼机器人有效控制机理研究在脑电方面奠定了一定基础。

关键词：鲤鱼机器人局部场电位信号相关性相对功率信息熵

鸽子目标导向抉择任务中锋电位和局部场电位解码性能对比研究

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生物医学工程学杂志 2018年第5期35卷 786-793,798页

作者：刘新玉平燕娜王东云姚汝贤万红黄淮学院信息工程学院河南驻马店463000 郑州大学电气工程学院郑州450001 郑州大学河南省脑科学与脑机接口重点实验室郑州450001

锋电位(spike)和局部场电位(LFP)是神经信息解码中最重要的两种候选信号。目前对于哺乳类动物的spike信号和LFP信号的解码性能已有诸多研究,但是鸟类大脑这两种信号的解码性能并不清楚。本文利用6只鸽子为模式动物,基于留一法和k近邻的... 详细信息

锋电位(spike)和局部场电位(LFP)是神经信息解码中最重要的两种候选信号。目前对于哺乳类动物的spike信号和LFP信号的解码性能已有诸多研究,但是鸟类大脑这两种信号的解码性能并不清楚。本文利用6只鸽子为模式动物,基于留一法和k近邻的神经解码算法(LOO-kNN)研究了目标导向抉择任务中弓状皮质尾外侧区spike信号和LFP信号的解码性能,探讨了通道个数、解码窗口的位置、长度以及最近邻k值等参数对解码性能的影响。本文研究结果表明,spike信号和LFP信号都能有效解码出目标导向抉择任务中鸽子的运动意图,但是相比之下,LFP信号解码性能更优异,而且受通道个数的影响较弱。对于解码窗口而言,最佳解码窗口位于目标导向抉择过程的后半段,而且LFP信号最佳解码窗口长度(0.3 s)明显短于spike信号最佳解码窗口长度(1 s)。对于LOO-kNN算法来说,解码正确率与k值的大小基本成反比,k值越小解码正确率越高。通过以上本文研究结果,期望本文方法有助于大脑神经信息处理机制的解析,对于脑—机接口等进一步深入研究提供一定的参考价值。

关键词：鸽子解码锋电位局部场电位 k近邻算法

工频电磁场长期作用影响工作记忆中局部场电位因果网络连接特征

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生物医学工程学杂志 2018年第6期35卷 829-836页

作者：李双燕温雪晗桑浩钧徐桂芝河北工业大学电气工程学院省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学电气工程学院河北省电磁场与电器可靠性重点实验室天津300130

电磁场(EMF)作用对神经系统功能的影响,现已成为电磁生物效应领域广泛关注的问题。本文旨在从神经信息网络连接角度探究工频EMF长期作用对大脑认知功能的影响及其机制。本文将斯普拉格·道利(SD)大鼠随机分为3组,其中模型Ⅰ组将SD大鼠置... 详细信息

电磁场(EMF)作用对神经系统功能的影响,现已成为电磁生物效应领域广泛关注的问题。本文旨在从神经信息网络连接角度探究工频EMF长期作用对大脑认知功能的影响及其机制。本文将斯普拉格·道利(SD)大鼠随机分为3组,其中模型Ⅰ组将SD大鼠置于2 mT工频EMF中作用24 d;模型Ⅱ组将SD大鼠置于2 mT工频EMF中作用48 d;对照组SD大鼠未经工频EMF作用。随后,采集不同组别SD大鼠执行工作记忆(WM)任务过程中前额皮层(PFC)16通道的局部场电位信号(LFPs),并基于定向传递函数(DTF)构建LFPs因果连接网络,最终通过对比各组SD大鼠在WM过程中LFPs信号因果网络特征参数及行为学表现的异同,探讨工频EMF长期作用对WM的影响。本文研究结果显示,模型Ⅱ组大鼠执行WM任务达到正确率80%以上所需时间及次数明显多于对照组。WM任务中,模型Ⅰ、Ⅱ组因果网络连接强度及全局效率值均明显低于对照组;且模型Ⅱ组中因果网络连接密度值明显低于模型Ⅰ组及对照组。结果表明,经2 mT工频EMF的长期作用,PFC的LFPs信号间因果网络连接强度及全局效率降低,并影响SD大鼠的行为学表现。本文的研究结果从神经网络信息传递的角度揭示了工频EMF作用影响大脑认知功能的可能机制,可为进一步研究其作用机制提供重要的支持。

关键词：工频电磁场长期作用工作记忆局部场电位因果网络连接特征

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

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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...

作者：张玉朋河北工业大学

学位级别：硕士

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。... 详细信息

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。

关键词：睡眠剥夺工作记忆局部场电位时频分析复杂度因果网络

面向生物控制的鲤鱼中脑运动区局部场电位信号采集与分析

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面向生物控制的鲤鱼中脑运动区局部场电位信号采集与分析

作者：赵政燕山大学

学位级别：硕士

生物机器人是当今世界新兴的多种学科交叉融合的前沿高科技领域。生物机器人可以替代人类完成一些复杂或危险的任务,其中水生生物机器人是生物机器人中重要的组成部分,可发挥重要的特殊作用。本研究以鲤鱼作为研究对象,进行了鲤鱼机器... 详细信息

生物机器人是当今世界新兴的多种学科交叉融合的前沿高科技领域。生物机器人可以替代人类完成一些复杂或危险的任务,其中水生生物机器人是生物机器人中重要的组成部分,可发挥重要的特殊作用。本研究以鲤鱼作为研究对象,进行了鲤鱼机器人脑运动区局部场电位信号采集与分析的研究工作。本课题的研究工作如下:针对鲤鱼脑电信号采集的需要,研制了专用的脑电极。利用自制的脑电极、生物信号采集与分析系统和双目视觉摄像模块在水迷宫中实现了对鲤鱼脑电信号的采集,记录了鲤鱼中脑视盖的局部场电位信号及其水下运动行为。使用小波包去噪对采集到的局部场电位进行预处理,去除50Hz工频干扰以及基线漂移。将鲤鱼的状态分为麻醉、水下静止和水下运动三种,对这三种状态下的局部场电位信号进行了时频分析,并通过小波包分解拆分为不同的节律频段,对不同频段单独进行时频分析。提取各个频段小波包能量作为特征,通过非参数检验对不同状态的小波包能量进行统计分析,发现鲤鱼在不同状态下的脑电信号存在显著差异。在麻醉状态下高于4Hz的节律会受到抑制,随着鲤鱼意识的恢复,θ、α、β、γ节律成分会逐渐增加,且在运动状态下θ和β频段节律成分高于静止状态,结果显示鲤鱼在不同意识状态下局部场电位存在特异性。将提取的局部场电位信号特征,利用K近邻方法和支持向量机的方法进行解码,发现鲤鱼的静止、前进和转向状态可以进行有效识别,结果显示解码正确率最高为73.6%。在保证刺激时间和刺激强度不变的前提下,设置不同频率的电刺激参数进行鲤鱼机器人离水电刺激和水下电刺激实验,结果显示不同频率的电刺激会对中脑控制产生影响,40Hz的刺激频率可以实现鲤鱼机器人的有效控制。本研究工作为将来鲤鱼机器人的反馈控制提供了一定的实验基础和理论依据。

关键词：鲤鱼机器人局部场电位时频分析局部场电位信号解码电刺激