本發(fā)明涉及神經(jīng)計(jì)算領(lǐng)域，尤其涉及一種基于神經(jīng)振蕩活動(dòng)檢測(cè)大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能的方法。

背景技術(shù)：

從有意識(shí)開始，人類就開始了對(duì)大腦的研究。2013年美國(guó)更是提出了“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)科技腦研究計(jì)劃”，簡(jiǎn)稱“腦計(jì)劃”。旨在探索人類大腦工作機(jī)制、繪制腦活動(dòng)全圖，并最終開發(fā)出針對(duì)大腦疾病的方法。人類腦計(jì)劃包括神經(jīng)科學(xué)和信息學(xué)相互結(jié)合的研究，在神經(jīng)科學(xué)的研究中，最常用的動(dòng)物模型是大鼠和小鼠，它們能夠表現(xiàn)出與人類疾病相關(guān)的各種行為。

在大鼠模型的研究中，最常用的是行為測(cè)試方法，包括研究學(xué)習(xí)記憶功能用的莫里斯(morris)水迷宮、巴恩斯(barnes)迷宮、八臂迷宮，研究焦慮樣、抑郁樣行為用的強(qiáng)迫游泳測(cè)試、高架十字迷宮、曠場(chǎng)試驗(yàn)等。而常用的腦科學(xué)研究方法有形態(tài)學(xué)方法，觀察神經(jīng)元的形態(tài)和結(jié)構(gòu)；生理學(xué)方法，可在不同生理?xiàng)l件下長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)細(xì)胞外液中神經(jīng)遞質(zhì)及其它化合物含量的變化；生物化學(xué)法，用來分離、提純和鑒定組織中的各種分子，定量檢測(cè)蛋白質(zhì)的表達(dá)；分子生物學(xué)，以核酸操作技術(shù)為基礎(chǔ)；電生理技術(shù)，從電壓鉗到膜片鉗技術(shù)，從分子水平了解生物膜離子通道的開關(guān)動(dòng)力學(xué)；腦成像技術(shù)，電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(ct)和磁共振成像(mri)直接反映腦結(jié)構(gòu)的影像，可以說它們是活體腦切片或活的神經(jīng)解剖，正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像(pet)主要反映腦內(nèi)的生化代謝以及生理功能的變化。

此外，大腦在執(zhí)行復(fù)雜的認(rèn)知功能時(shí)，需要許多神經(jīng)元在多個(gè)腦區(qū)間協(xié)調(diào)作用。大腦中的神經(jīng)節(jié)律(或稱為神經(jīng)振蕩)通過將相關(guān)神經(jīng)集群的活動(dòng)聯(lián)系在一起，為這種協(xié)調(diào)作用提供了機(jī)制。神經(jīng)振蕩活動(dòng)是多個(gè)腦區(qū)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的標(biāo)志，其頻率覆蓋超過了三個(gè)量級(jí)，從慢波震蕩delta(0.5-3hz)和theta(3-8hz)，到較快的gamma(30-80hz)和高頻振蕩(80-200hz)頻率范圍。在這個(gè)頻譜中，theta和gamma振蕩得到了較多關(guān)注，因?yàn)樗鼈兣c更高級(jí)的腦功能密切相關(guān)。神經(jīng)振蕩的相位指的是某種振蕩在某個(gè)瞬時(shí)偏轉(zhuǎn)的對(duì)應(yīng)角度，這個(gè)振蕩可以用余弦函數(shù)來表示，如在振蕩的波峰時(shí)，相位為0°，而在波谷時(shí)，相位為180°。神經(jīng)振蕩的幅值則指某種振蕩在某個(gè)瞬時(shí)的峰值。因此，神經(jīng)振蕩的耦合從耦合方式上分，可以分為相位-相位耦合(phase-phasecoupling,ppc)、相位-幅值耦合(phase-amplitudecoupling,pac)和幅值-幅值耦合(amplitude-amplitudecoupling,aac)；從參與耦合的節(jié)律上分，可以分為同等節(jié)律耦合和交叉節(jié)律耦合。神經(jīng)振蕩這種高水平空間相干性的振蕩，可能是大規(guī)模神經(jīng)集群中時(shí)間編碼和感覺信息綁定的理想?yún)⒖夹盘?hào)。

目前，檢測(cè)大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能的方法多為行為學(xué)實(shí)驗(yàn)(morris水迷宮等)和生化實(shí)驗(yàn)(蛋白質(zhì)印跡法等)。其中，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的條件對(duì)行為學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果影響非常大；生化實(shí)驗(yàn)的展開需要很多耗材，而且不可以在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于神經(jīng)振蕩活動(dòng)檢測(cè)大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能的方法，本發(fā)明從介觀電生理信息水平出發(fā)，通過記錄大鼠海馬ca1和ca3^[2]腦區(qū)的局部場(chǎng)電位，并分析其中相關(guān)頻率的神經(jīng)振蕩耦合，檢測(cè)大鼠的學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能，詳見下文描述：

一種基于神經(jīng)振蕩活動(dòng)檢測(cè)大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能的方法，所述方法包括以下步驟：

采集lfps信號(hào)，然后對(duì)lfps信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理，提取出theta節(jié)律和gamma節(jié)律；

對(duì)神經(jīng)節(jié)律的耦合關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，包括同一腦區(qū)內(nèi)的神經(jīng)節(jié)律計(jì)算、以及不同腦區(qū)間的神經(jīng)節(jié)律計(jì)算；將計(jì)算出的神經(jīng)節(jié)律作為特征參數(shù)；

對(duì)提取到的特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能的檢測(cè)。

其中，所述對(duì)提取到的特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的步驟具體為：

利用spss20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，兩組以上數(shù)據(jù)的比較用單因素方差分析或重復(fù)測(cè)量的方差分析進(jìn)行比較，兩兩數(shù)據(jù)比較前進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)。

所述對(duì)神經(jīng)節(jié)律的耦合關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，包括同一腦區(qū)內(nèi)的神經(jīng)節(jié)律計(jì)算、以及不同腦區(qū)間的神經(jīng)節(jié)律計(jì)算得步驟具體為：

通過相位鎖定值對(duì)同一腦區(qū)內(nèi)的神經(jīng)節(jié)律計(jì)算耦合關(guān)系；

通過ppc_n:m相鎖值、調(diào)節(jié)指數(shù)、或相位-幅值耦合_相鎖值對(duì)不同腦區(qū)間的神經(jīng)節(jié)律計(jì)算耦合關(guān)系。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：通過搭建好一個(gè)能采集大鼠局部場(chǎng)電位(lfps)的裝置，采集大鼠海馬ca1和ca3腦區(qū)的lfps，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域等的分析，通過分析theta和gamma節(jié)律之間的交叉耦合從而反映大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能。

附圖說明

圖1為一種基于神經(jīng)振蕩檢測(cè)大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能的方法的流程圖；

圖2為海馬中的興奮性通路^[1]的示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

多通道同步或單位神經(jīng)元技術(shù)記錄的是神經(jīng)元水平的電變化，腦電技術(shù)記錄的是全腦水平的電變化。而局部場(chǎng)電位技術(shù)介于二者之間，檢測(cè)的是中樞局部(通常是核團(tuán)水平)的電學(xué)變化。lfps記錄到的數(shù)據(jù)反映的是一段時(shí)間內(nèi)所記錄核團(tuán)內(nèi)所有神經(jīng)元電學(xué)活動(dòng)的總體情況，它在神經(jīng)元胞體的功能活動(dòng)中具有重要意義。

邊緣系統(tǒng)的海馬是與認(rèn)知功能最為密切的腦區(qū)之一，也是認(rèn)知障礙相關(guān)疾病最常累及的腦區(qū)。根據(jù)細(xì)胞形態(tài)的不同，海馬可分為海馬回和齒狀回兩個(gè)部分，前者包括ca1、ca2、ca3、ca4四部分^[2]，主要由一些錐體神經(jīng)元組成，后者則基本由顆粒細(xì)胞構(gòu)成。海馬存在三條主要的興奮性通路(如圖2所示)：第一條是由內(nèi)嗅區(qū)皮質(zhì)發(fā)出的穿通纖維至海馬齒狀回的顆粒細(xì)胞之間的突觸；第二條是顆粒細(xì)胞發(fā)出的苔蘚纖維與ca3區(qū)的錐體細(xì)胞之間的突觸；第三條是ca3區(qū)錐體細(xì)胞的schaffer側(cè)枝^[1]與ca1區(qū)錐體細(xì)胞之間的突觸。

因此，在本發(fā)明實(shí)施例中，采集海馬ca1區(qū)和ca3區(qū)的lfps。

本發(fā)明實(shí)施例的主旨是提出一種基于神經(jīng)振蕩信號(hào)檢測(cè)大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能的方法。一般在行為學(xué)上，mirror水迷宮實(shí)驗(yàn)、y-迷宮實(shí)驗(yàn)等都可以反映大鼠的學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能。而更重要的是，為了闡明認(rèn)知功能的生理機(jī)制，需要從微觀水平出發(fā)進(jìn)行研究如相關(guān)腦區(qū)蛋白分子的表達(dá)情況，神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的變化以及突觸可塑性的改變等。該項(xiàng)發(fā)明是從介觀電生理信息水平出發(fā)，通過記錄大鼠海馬ca1和ca3腦區(qū)的局部場(chǎng)電位，并分析其中相關(guān)頻率的神經(jīng)振蕩耦合，從而達(dá)到檢測(cè)大鼠的學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能的目的。

實(shí)施例1

一種基于神經(jīng)振蕩活動(dòng)檢測(cè)大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能的方法，參見圖1，該方法包括以下步驟：

101：首先采集lfps信號(hào)，然后對(duì)lfps信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理，提取出theta節(jié)律和gamma節(jié)律；

102：再對(duì)神經(jīng)節(jié)律的耦合關(guān)系的計(jì)算，包括同一腦區(qū)內(nèi)的神經(jīng)節(jié)律計(jì)算和不同腦區(qū)間的神經(jīng)節(jié)律計(jì)算；將計(jì)算出的神經(jīng)節(jié)律作為特征參數(shù)；

103：對(duì)提取到的特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能保護(hù)作用機(jī)制的探究。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過上述步驟101至步驟103從介觀電生理信息水平出發(fā)，通過記錄大鼠海馬ca1和ca3腦區(qū)的局部場(chǎng)電位，并分析其中相關(guān)頻率的神經(jīng)節(jié)律耦合，檢測(cè)大鼠的學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的多種需要，也為后續(xù)研究神經(jīng)類疾病的治療手段上提供了新思路。

實(shí)施例2

下面結(jié)合具體的計(jì)算公式、實(shí)例以及附圖2對(duì)實(shí)施例1中的方案進(jìn)行進(jìn)一步地介紹，詳見下文描述：

201：信號(hào)采集；

對(duì)大鼠進(jìn)行腹腔注射烏拉坦麻醉(3.5ml/kg)。確定大鼠處于麻醉狀態(tài)后，將其固定于立體定位儀。將電熱毯置于大鼠身下，保持大鼠體溫維持在37℃。暴露顱骨，用顯微鏡進(jìn)行觀察，確定前囟的位置，從而初步確定ca1和ca3腦區(qū)的位置(ca1腦區(qū)：后2.5mm、旁開2.5mm、皮層下2mm；ca3腦區(qū)：后4.2mm、旁開3.5mm、皮層下2.5mm)，在其上方用牙科鉆打直徑為8mm的小孔，暴露大腦皮層。

開啟電生理記錄儀器，信號(hào)采集系統(tǒng)通過放大器連接記錄用單電極。根據(jù)前囟的位置，對(duì)ca1和ca3腦區(qū)進(jìn)行精確定位，植入電極。操作就緒后，啟動(dòng)記錄軟件軟件，記錄自發(fā)的局部場(chǎng)電位(lfps)，采樣頻率為1khz。

202：信號(hào)預(yù)處理；

神經(jīng)振蕩中的theta和gamma振蕩得到了較多關(guān)注，因?yàn)樗鼈兣c更高級(jí)的腦功能密切相關(guān)，特別是學(xué)習(xí)記憶的功能。在本發(fā)明實(shí)施例中用腦電信號(hào)分析工具包(eeglab)濾波，提取出theta和gamma節(jié)律，并用希爾伯特變換提取相應(yīng)的相位和幅值。

203：神經(jīng)節(jié)律的耦合關(guān)系的計(jì)算；

其中，同一腦區(qū)內(nèi)或不同腦區(qū)間的信息傳遞，體現(xiàn)在神經(jīng)振蕩的耦合關(guān)系上。這就包含了相同節(jié)律(即同等節(jié)律)的耦合，和不同節(jié)律間(即交叉節(jié)律)的交叉耦合。在本發(fā)明實(shí)施例中衡量神經(jīng)節(jié)律間耦合關(guān)系的計(jì)算方法有如下幾種，其中相位鎖定值是針對(duì)同等節(jié)律使用的，ppc_n:m相鎖值、調(diào)節(jié)指數(shù)、相位-幅值耦合_相鎖值是針對(duì)交叉節(jié)律使用的。

一、相位-相位耦合(phase-phasecoupling，ppc)：

1、相位鎖定值(phaselockingvalue，plv)

plv被廣泛用來度量在某個(gè)節(jié)律上不同腦區(qū)之間的相位同步情況。如用φa和φb分別代表兩個(gè)腦區(qū)的局部場(chǎng)電位的相位，那么plv可采用下面公式計(jì)算：

其中，n代表信號(hào)長(zhǎng)度；i為虛數(shù)單位；j為計(jì)算過程的中間參數(shù)；1/δt代表采樣頻率。plv的值在0與1之間，1代表完全同步，0代表完全非同步。

2、ppc_n:m相鎖值(ppc_n:mplv)

交叉節(jié)律的ppc，指的是一個(gè)低頻節(jié)律周期里可以包含多少個(gè)高頻節(jié)律周期，也就是高頻節(jié)律的相位被鎖定在低頻節(jié)律的相位中，這可能與神經(jīng)信息的精確時(shí)間編碼有關(guān)。對(duì)于兩個(gè)振蕩節(jié)律f1和f2，假如存在ppc，則兩個(gè)振蕩節(jié)律n：m相位鎖定，即n個(gè)f1振蕩環(huán)里有m個(gè)f2振蕩環(huán)。n:m相位鎖定方法被廣泛應(yīng)用于探究?jī)蓚€(gè)節(jié)律的相位同步情況，其大小與幅值無關(guān)。

應(yīng)用希爾伯特(hilbert)變換提取瞬時(shí)相位φtheta和φgamma，相位同步是指φn:m＝m·φtheta-n·φgamma小于某個(gè)常數(shù)，用相位差m·φtheta-n·φgamma在復(fù)平面的輻射距離來量化分析這兩個(gè)信號(hào)間的同步程度：

其中，n代表信號(hào)長(zhǎng)度，1/δt代表采樣頻率。r＝0表示相位差均勻分布，r＝1表示相位差單值分布。

3、條件互信息(conditionalmutualinformation,cmi)

cmi是基于信號(hào)相位的一種算法，一般認(rèn)為其適用于弱耦合振子間的瞬時(shí)相位信號(hào)的度量。

互信息(mutualinformation)是信息論里一種有用的信息度量，它可以看成是一個(gè)隨機(jī)變量中包含的關(guān)于另一個(gè)隨機(jī)變量的信息量，或者說是一個(gè)隨機(jī)變量由于已知另一個(gè)隨機(jī)變量而減少的不肯定性。通常，把兩個(gè)隨機(jī)變量x1、x2的互信息定義為：

i(x1；x2)＝h(x1)+h(x2)-h(x1,x2)(3)

其中，h(x1)、h(x2)分別為x1、x2的香農(nóng)熵，h(x1,x2)為(x1,x2)的香農(nóng)熵。于是，條件互信息的定義為：

i(x1；x2|y)＝h(x1|y)+h(x2|y)-h(x1,x2|y)(4)

其中，h(x1|y)為已知y的前提下x1的香農(nóng)熵；h(x2|y)為已知y的前提下x2的香農(nóng)熵；h(x1,x2|y)為已知y的前提下(x1,x2)的香農(nóng)熵。

在提取兩個(gè)信號(hào)的瞬時(shí)相位φ1、φ2后，用i(φ2；φ1τ|φ1)來估計(jì)包含在信號(hào)x2中的信號(hào)x1在未來時(shí)間τ的凈信息，作為對(duì)耦合方向的度量，反之亦然。因此，條件互信息的定義變成：

i1＝i(φ2(t)；δτφ1|φ1(t))(5)

或i2＝i(φ1(t)；δτφ2|φ2(t))

其中，δτ為時(shí)間τ內(nèi)的相位增量。

其中，對(duì)每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)k，定義相位增量為δ1(k)＝φ1(tk+τ)-φ1(tk),同理δ2(k)＝φ2(tk+τ)-φ2(tk)，則cmi算法的耦合方向指數(shù)定義為：

其中，i2、i1為單向耦合系數(shù)。

其中，單向耦合系數(shù)i2度量了系統(tǒng)x1在多大程度上驅(qū)動(dòng)了系統(tǒng)x2，即i2的值越大，表示已知系統(tǒng)x1的信息，對(duì)系統(tǒng)x2進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度越高，反之亦然。

單向耦合系數(shù)i1和i2可以用來度量單方向的信息傳遞量，而歸一化的方向指數(shù)dcmi則反應(yīng)了兩個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)系。dcmi的取值范圍是[-1,1]，當(dāng)dcmi取1或-1時(shí)，分別表示x1→x2和x2→x1的單向耦合；當(dāng)dcmi取0時(shí)，表示對(duì)稱的雙向耦合；當(dāng)-1<dcmi<0或0<dcmi<1時(shí)，表示不對(duì)稱的雙向耦合。

二、相位-幅值耦合(phase-amplitudecoupling，pac)：

1、調(diào)節(jié)指數(shù)(modulationindex，mi)

mi方法構(gòu)造了一個(gè)復(fù)合信號(hào)zfph,fam(t)，其相位為低頻節(jié)律的相位時(shí)序φfph(t)，幅值為高頻節(jié)律的幅值時(shí)序afam(t)：

zfph,fam(t)代表了一個(gè)復(fù)平面上的聯(lián)合概率密度函數(shù)，特定的幅值與相位同時(shí)出現(xiàn)可以被檢測(cè)出來。

則有：

miraw＝abs(mean(zfph,fam(t))))(8)

其中，miraw為mi的原始值；abs為取絕對(duì)值；mean為取平均值。

引入時(shí)間延遲τ產(chǎn)生替代數(shù)據(jù)：

zsurr(t,τ)＝afam(t+τ)*exp(i*φfph(t))(9)

其中，zsurr(t,τ)為替代數(shù)據(jù)；afam(t+τ)為引入時(shí)間延遲τ的高頻節(jié)律的幅值時(shí)序。

歸一化的mi值定義為：

minorm＝(miraw-μ)/σ(10)

其中，minorm為歸一化的mi值；μ是替代數(shù)據(jù)的均值，σ是標(biāo)準(zhǔn)差。

2、相位-幅值耦合_相鎖值(pac_plv)

plv方法可以被用來研究交叉節(jié)律間的pac。為區(qū)別于同一節(jié)律的plv方法，用pac_plv代表plv方法應(yīng)用于交叉節(jié)律。原理與plv相同，所以不再贅述，僅列出算法公式：

其中，pacplv為相位-幅值耦合的相鎖值；為theta節(jié)律的相位；為gamma節(jié)律幅值的相位。

204：通過計(jì)算神經(jīng)節(jié)律的耦合關(guān)系，得到特征參數(shù)，即上述算法計(jì)算出的數(shù)值。利用spss20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，兩組以上數(shù)據(jù)的比較用單因素方差分析或重復(fù)測(cè)量的方差分析進(jìn)行比較，兩兩數(shù)據(jù)比較前進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

綜上所述，上述技術(shù)方案詳細(xì)介紹了基于神經(jīng)振蕩檢測(cè)大鼠學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能的方法，通過采集海馬區(qū)的局部場(chǎng)電位，并提取神經(jīng)節(jié)律的耦合關(guān)系，從宏觀電生理層面檢測(cè)大鼠的神經(jīng)變化，并以此來反映學(xué)習(xí)記憶和認(rèn)知功能。此外，該項(xiàng)發(fā)明還從機(jī)制層面為其他神經(jīng)類疾病的研究提供了思路。

最佳實(shí)施方案擬采用專利轉(zhuǎn)讓或技術(shù)合作。由于該技術(shù)操作簡(jiǎn)單，基于該技術(shù)可應(yīng)用多種神經(jīng)類疾病的機(jī)制研究，如缺血性癡呆、抑郁癥、阿爾茲海默癥等。還可以應(yīng)用于藥物治療效果的檢測(cè)，通過比較用藥前后模型大鼠的神經(jīng)振蕩特征值，判斷藥物的治療效果。

參考文獻(xiàn)

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本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。