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《山东师范大学》 2011年
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特定行为下大鼠M1和PPC的局部场电位研究

赵以亮  
【摘要】:脑机接口(Brain Computer Interface, BCI)是在人脑和计算机或其它电子设备之间建立的一种直接的、全新的信息交流系统,现已经成为神经科学与信息工程技术交叉学科的热点课题。脑机接口中的关键技术之一是研究动物一定行为状态下所对应的脑电活动特征,并将其解码转换为计算机指令。分析特定行为下动物运动相关的大脑皮层的局部场电位(Local Field Potential, LFPs)特征是BCI研究的重要内容之一。除此之外,还可以检测和分析其他行为和认知功能,促进对大脑功能的深入研究。 本课题以大鼠为实验对象,利用自制微电极和行为同步装置、多通道生理信号采集处理系统以及高阻抗微电放大器,同步记录了大鼠抓食行为下初级运动皮层(Primary Motor Cortex, M1)和后顶叶皮层(Posterior Parietal Cortex, PPC)的LFPs,并用MATLAB软件对采集的信号进行处理分析,目的是研究动物特定行为所对应的LFPs变化,以及特定行为下大鼠M1和PPC的LFPs之间的关系,为以后基于LFPs的BCI研究奠定基础。 本实验的研究内容主要分为以下两部分: 一、大鼠特定行为下M1的LFPs变化研究 本部分利用自制单通道微电极,对大鼠抓食行为过程中同步记录的M1的LFPs进行分析。根据所记录的LFPs的变化和同步记录的大鼠抓食行为变化,将大鼠的抓食行为分为四个时期,分别为:抓食前期、计划期、抓食期和完成期。对不同时期的LFPs的研究分别采用了时域分析、频域分析和时-频分析的方法。从时域分析上看,大鼠在抓食前期其LFPs表现为一定规律的簇状、较大振幅的电活动;而计划期则呈现出明显的一过性低振幅特点;在抓食期,其幅值又有明显的增大,与计划期相比有显著的差异;随后在完成期,其幅值又表现为一定程度的减小。从频域和时频分析上看,大鼠抓食前期其M1的LFPs主要以100Hz以上频率的波为主,在计划期以30-100Hz频率的波为主;而在抓食期其LFPs主要集中于较低频的14-30Hz的频率范围内,而且该时期其能量谱和功率的分布也明显的大于抓食前期和计划期;完成期也表现为一定程度的14-30Hz的波,但是该时期的能量谱和功率分布也明显小于抓食期。从Welch功率谱密度分析上看,与上述结果一致,显示14-30Hz频段波的功率谱密度最强。结果提示:大鼠在抓食行为过程中,M1区前肢运动相关的神经元活动引发的LFPs变化对应于大鼠不同的行为状态,提示LFPs起到了一定程度的“编码”作用,证明了用与前肢运动相关的M1的LFPs来识别前肢运动行为的可行性。 二、大鼠特定行为下M1和PPC的场电位的相关性研究 据以往的研究发现,PPC与视觉参与下的运动的计划形成有关。本部分利用自己设计的多通道微电极同步记录了大鼠抓食行为状态下M1和PPC的LFPs,并利用信号对比、相位分析和互相关分析等方法对二者的变化进行相关性研究。研究发现,在大鼠进行特定行为过程中,其M1和PPC的LFPs都呈现出一定的规律性变化。对比两脑区的LFPs信号,在时域分析中两者差异不明显;从相位上分析,两通道的信号具有明显的相位差,说明二者的LFPs在时间的发生上具有一定的差异;用两通道信号互相关分析,发现PPC的LFPs的变化在时间上要早于M1,该延迟时间为5.45士2.68ms,与相位分析的结果一致,进一步证实了PPC的LFPs的出现早于M1。结果提示:在动物进行特定行为过程中,PPC与M1在电位变化上具有一定的相关性,而且PPC的LFPs的变化在时间上要早于M1,证明PPC对M1有一定的“计划”和“调控”作用。 结论:与前肢运动相关的M1的LFPs在动物特定运动行为过程中起到非常重要的作用,PPC则在该过程中起到了一定的“计划”、“调控”作用。
【学位授予单位】:山东师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:Q42

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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