大鼠初級(jí)視皮層局部場電位γ 振蕩特性研究

師 黎，黎曉亮，王治忠

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 引言

植入動(dòng)物初級(jí)視皮層(Primate visual cortex ，V1)的微電極陣列記錄到的胞外原始場電位(Raw field potential，RFP)，經(jīng)過250 Hz 的低通濾波得到局部場電位信號(hào)(Local field potential，LFP)［1］．LFP 是電極尖端附近區(qū)域的興奮性和抑制性神經(jīng)元群體的樹突電位信號(hào)的總和，反映了神經(jīng)元局部網(wǎng)絡(luò)中各神經(jīng)元的協(xié)同作用［2］．V1 區(qū)LFP 對(duì)視覺刺激特征的響應(yīng)特性對(duì)研究動(dòng)物甚至是人類的V1 區(qū)在視覺信息處理機(jī)制中的功能特性有著至關(guān)重要的意義［3-4］．

近年來，越來越多的研究者將LFP 應(yīng)用于動(dòng)物V1 區(qū)的研究．2000 年，F(xiàn)rien 等人［5］研究發(fā)現(xiàn)猴子在清醒狀態(tài)下其V1 區(qū)記錄到的LFP 的高頻帶(31 ～62 Hz)與視覺刺激朝向特征的相關(guān)性強(qiáng)于0 ～11 Hz 的低頻帶和11 ～31 Hz 的中頻帶．按照腦電節(jié)律劃分的標(biāo)準(zhǔn)稱LFP 的高頻部分為γ頻帶．Logothetis 等人［6］研究認(rèn)為，V1 區(qū)LFP 的γ頻帶是其所有頻率段中與視覺刺激相關(guān)性最強(qiáng)的一個(gè)頻帶． 然而，有關(guān)V1 區(qū)LFP -γ 頻帶的范圍卻沒有一致的結(jié)論．2008 年，Ray 等人［7］采用短時(shí)傅立葉變換估計(jì)到猴子V1 區(qū)LFP -γ 頻帶的范圍為40 ～80 Hz．2009 年，Steffen Katzner 參考Henrie 等人得出猴子V1 區(qū)LFP 的γ 頻帶范圍為25 ～90 Hz 的結(jié)論［8-9］． 2010 年，Burns［10］研究LFP 的動(dòng)態(tài)特性時(shí)采用連續(xù)Gabor 變換提取到麻醉狀態(tài)下猴子V1 區(qū)LFP -γ 頻帶的范圍為20 ～90 Hz．準(zhǔn)確測定γ 頻帶的范圍對(duì)研究V1 區(qū)LFP-γ 振蕩對(duì)視覺刺激特征參數(shù)變化的響應(yīng)至關(guān)重要．2008 年，Alexander［11］提取LFP -γ 頻段(30 ～100 Hz)的瞬時(shí)功率、相位等特征嘗試識(shí)別建筑物、動(dòng)物、人臉等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自然圖像，但自然圖像具有高階非高斯特性，難以準(zhǔn)確描述LFP對(duì)刺激圖像的拓?fù)涮卣鞯倪x擇特性．

針對(duì)上述問題，筆者提出了一種基于小波變換和功率譜準(zhǔn)確界定LFP -γ 頻帶范圍的方法，在此基礎(chǔ)上研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡單圖形刺激下LE 大鼠V1 區(qū)LFP -γ 頻帶的響應(yīng)特性．實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，筆者所提出的方法能夠準(zhǔn)確界定不同大鼠個(gè)體的LFP -γ 頻段范圍，根據(jù)這個(gè)范圍計(jì)算到的LFP-γ 頻段的響應(yīng)特征能夠有效地識(shí)別簡單圖形的拓?fù)涮卣鳎?/p>

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理

1．1 手術(shù)及電極植入

健康、視力好的LE 大鼠(雄性，5 只)，體重200 ～300 g，手術(shù)前禁食、自由飲水一天． 手術(shù)時(shí)按體重4 mL/kg 腹腔注射體積分?jǐn)?shù)為10%的水合氯醛對(duì)大鼠進(jìn)行麻醉．剃掉頭皮上的毛發(fā)，縫上眼線圈，將其頭部固定于大鼠腦立體定位儀上，切開頭部皮膚，暴露顱骨，用顱鉆在V1 區(qū)打一個(gè)孔，使用微操將2 ×8 的微電極陣列植入大鼠大腦V1 區(qū)．手術(shù)完成后將大鼠眼睛用黑布蒙上休息0．5 h 左右，實(shí)驗(yàn)過程中使用微推注射器注射營養(yǎng)液，為大鼠提供水分以及營養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)每隔2 h 左右對(duì)大鼠注射0．2 mL 麻藥．

1．2 視覺刺激

視覺刺激通過鄭州大學(xué)電生理實(shí)驗(yàn)室的視覺刺激平臺(tái)產(chǎn)生． 刺激屏幕尺寸為15． 4 cm ×9．6 cm，距離大鼠的眼睛20 cm，刷新頻率為60 Hz，分辨率為600 ×800 像素． 刺激圖形基于MATLAB圖形處理軟件產(chǎn)生，包括十字形、三角形、圓環(huán)等三類不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡單圖形如圖1 所示． 它們具有相同的時(shí)間頻率、空間頻率以及對(duì)比度等特征參數(shù)．

圖1 視覺刺激圖形Fig．1 Visual stimulus

1．3 LFP 信號(hào)獲取

采用美國Cyber kinetics 公司研發(fā)的Cerebus-128 多通道數(shù)據(jù)采集儀，分別記錄5 只大鼠的V1 區(qū)在兩種狀態(tài)下的LFP 數(shù)據(jù):①未受視覺刺激;②受到視覺刺激．實(shí)驗(yàn)每隔0．5 h 記錄一組數(shù)據(jù)，每只大鼠重復(fù)記錄10 組． 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)前剔除神經(jīng)元發(fā)放存在大量噪聲的通道，并采用50 Hz 自適應(yīng)濾波器濾除工頻干擾．

2 頻段估計(jì)及其與視覺刺激的互信息計(jì)算方法

首先，結(jié)合小波變換與功率譜確定大鼠V1區(qū)LFP 信號(hào)發(fā)生γ 振蕩的準(zhǔn)確范圍;然后，采用互信息計(jì)算LFP-γ 頻段的功率譜密度與不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)視覺刺激之間的相互依賴程度．

2．1 γ 頻段范圍估計(jì)方法

首先，采用一維離散多尺度小波變換提取自發(fā)數(shù)據(jù)x(t)與誘發(fā)數(shù)據(jù)y(t)的N 個(gè)頻段，一維離散小波變換如公式(1)所示．

其次，計(jì)算y(t)和x(t)在N 個(gè)頻段的能量比

然后，估計(jì)y(t)和x(t)在ERj大于1 的頻段的功率譜密度，并以1 Hz 為間隔計(jì)算兩個(gè)向量在每個(gè)頻率點(diǎn)的差值分布wdf．用寬度為H 的矩形窗RH(f)求取wdf的逼近曲線． 矩形窗函數(shù)RH(f)如公式(2)所示．

最后，采用歸一化后的能量比對(duì)逼近曲線進(jìn)行修正并選取合適的wdf的閾值線，截取逼近曲線中高于閾值的頻段，分別求取γ 頻段的起始頻率λfmin和截止頻率λfmax．

2．2 γ 頻段功率與視覺刺激的互信息計(jì)算方法

步驟1:初始化一個(gè)長度為M ×N 的一維向量，將實(shí)驗(yàn)中播放的視覺刺激圖形序列號(hào)賦值給一維向量的每個(gè)元素，并用向量Vs表示． 其中M為刺激的周期數(shù)，N 為一個(gè)刺激周期內(nèi)刺激圖像的總幀數(shù)．

步驟2:依據(jù)計(jì)算得到的γ 頻帶的范圍，提取每幀圖像刺激下同步記錄到的LFP 的γ 頻段的波形，并估計(jì)其功率譜，并用向量w 表示．

步驟3:重復(fù)步驟2，分別計(jì)算步驟1 中M×N幀圖像對(duì)應(yīng)的LFP 的γ 頻帶的功率．

步驟4:計(jì)算刺激序列Vs與M×N 個(gè)向量w在頻率f 點(diǎn)處的功率之間的互信息MI［12］．

式中:P(Vs)表示刺激序列Vs出現(xiàn)的概率，等于刺激圖像總幀數(shù)的倒數(shù);P(w|Vs)表示為一次實(shí)驗(yàn)中觀察到功率w 在頻率f 下對(duì)刺激響應(yīng)的概率;P(w)為在全部實(shí)驗(yàn)中功率w 對(duì)任何刺激下響應(yīng)的概率．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3．1 LFP-γ 振蕩的頻率范圍

以A 大鼠的數(shù)據(jù)為樣本，選取第17 通道的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算自發(fā)與誘發(fā)兩種狀態(tài)下1 s 時(shí)間的Spike 活動(dòng)頻數(shù)的直方圖以及LFP 信號(hào)的瞬時(shí)頻率，分別如圖2(a)和(b)所示．

圖2 視覺刺激前后大鼠V1 區(qū)第17 通道記錄到的LFP 信號(hào)的高頻同步振蕩現(xiàn)象Fig．2 The high-frequency synchronous oscillations of LFP recorded in rat’s V1 area dominant during visual stimulation

可以看出，0 時(shí)刻加載視覺刺激后，Spike 放電頻率峰值與LFP 瞬時(shí)頻率的高頻部分之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，視覺刺激下LFP 存在高頻同步振蕩現(xiàn)象，即γ 振蕩．根據(jù)2．1 節(jié)方法計(jì)算wdf分布的逼近曲線，其結(jié)果如圖3 所示．

圖3 歸一化能量比修正后wdf分布在1 ～150 Hz頻段的逼近曲線Fig．3 The wdf distribution approximation curve corrected by the normalized energy ratio between 1 Hz and 150 Hz bands

圖3 中粗實(shí)線表示wdf分布的逼近曲線．大鼠在受到視覺刺激時(shí)，相對(duì)于自發(fā)狀態(tài)LFP 的功率在很寬的一個(gè)頻率范圍內(nèi)變大．筆者選取wdf最大值的十分之一作為界定γ 頻帶的閾值，如圖3 中細(xì)點(diǎn)劃線所示．wdf高于閾值線的寬頻帶為LFP 發(fā)生γ 振蕩的準(zhǔn)確范圍．分別計(jì)算實(shí)驗(yàn)中的5 只LE大鼠在受到簡單圖形視覺刺激時(shí)V1 區(qū)LFP 發(fā)生γ 振蕩的頻率范圍，其結(jié)果如表1 所示．

表1 不同個(gè)體LE 大鼠受到視覺刺激時(shí)V1 區(qū)LFP 發(fā)生γ 振蕩的頻率范圍及采用的閾值Tab．1 The γ-band frequency range of LFP for different individuals in V1 of LE rats and the threshold used in our paper

3．2 LFP-γ 振蕩對(duì)簡單圖形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇特性

以編號(hào)為A 的大鼠記錄到的LFP 數(shù)據(jù)為樣本，分別估計(jì)同一通道在十字形、圓環(huán)以及三角形三類簡單圖形下1 s 時(shí)間的LFP 數(shù)據(jù)的瞬時(shí)頻率．以瞬時(shí)頻率到達(dá)第一個(gè)峰值的時(shí)間為響應(yīng)潛伏期，將A 大鼠重復(fù)10 次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖4 所示．

圖4 三類圖形刺激下LFP 響應(yīng)潛伏期統(tǒng)計(jì)分析Fig．4 The characteristic distribution of latency periods

結(jié)果表明，十字形簡單圖形刺激下LFP 的響應(yīng)潛伏期約為0．2 s;三角形為0．4 s;圓環(huán)期為0．5 s．

根據(jù)這一結(jié)論，分別選取LFP 的瞬時(shí)頻率在γ 頻帶對(duì)三類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有選擇性的通道的數(shù)據(jù)為樣本，估計(jì)這個(gè)通道的LFP 在功率譜密度與對(duì)應(yīng)視覺刺激之間的互信息． 刺激序列及互信息曲線分別如圖5 所示．

從圖5 可以看出，刺激序列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同時(shí)對(duì)應(yīng)的互信息曲線也明顯的不同，為了量化這一差異，分別提取了三類互信息曲線的最大值γ -MImax、最大值處的頻率fλ-MImax、γ 頻段的平均互信息γ -MMI 等3 個(gè)特征作為評(píng)價(jià)差異的特征指標(biāo)．5 只大鼠重復(fù)10 組實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)三類刺激圖形下互信息曲線的3 個(gè)特征指標(biāo)的分布，如圖6 所示．從圖6 可以看出，十字形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)序列刺激下γ 頻帶的平均互信息γ -MMI 的中位數(shù)0．52 bit±0．05 bit 顯著高于具有環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三角形刺激序列的0． 34 bit ± 0． 03 bit(F = 1．253，P ＜0．05)以及圓環(huán)序列刺激的0．31 ±0．03 bit．而同為環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三角形刺激序列與圓環(huán)刺激序列的γ-MMI 差異并不顯著．同時(shí)，對(duì)應(yīng)于三類簡單圖形刺激序列的互信息曲線的最大值γ -MImax與γ-MMI 有著相似的變化趨勢． 而三類刺激圖形下互信息曲線的fγ-MImax值與前兩者有著相反的變化趨勢，十字形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的fγ-MImax值為47 Hz±10 Hz 顯著低于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三角形刺激的62 Hz±10 Hz(F =3．352，P ＜0．05)以及圓環(huán)刺激的70 Hz±10 Hz(F=2．864，P ＜0．05)．

4 結(jié)論

提出了采用小波變換多分辨率分析與功率譜相結(jié)合的方法確定γ 頻帶的范圍，并在此基礎(chǔ)上研究了γ 振蕩對(duì)簡單圖形拓?fù)涮卣鞯倪x擇特性．

(1)LE 大鼠在麻醉狀態(tài)下受到視覺刺激時(shí)其V1 區(qū)發(fā)生γ 振蕩現(xiàn)象的頻率為25 ～105 Hz，大鼠個(gè)體的差異約為10 Hz．

(2)具有十字形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的視覺刺激相比較環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言更容易誘發(fā)V1 區(qū)的響應(yīng)，γ 頻帶的響應(yīng)潛伏期要比后者少0．2 ～0．3 s．

(3)LE 大鼠V1 區(qū)LFP-γ 頻帶與刺激序列的互信息對(duì)刺激圖形的拓?fù)涮卣骶哂忻黠@的選擇特性．十字形簡單圖形刺激下，互信息曲線的平均值、最大值都顯著高于同為環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三角形刺激與圓環(huán)刺激． 拓?fù)涞葍r(jià)的圓環(huán)和三角形刺激下互信息曲線的特征具有一定的相似性，同時(shí)也存在微小的差異，三角形刺激序列要比圓環(huán)刺激序列更容易誘發(fā)大鼠的響應(yīng)．

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