θ节律经颅磁刺激对学习记忆相关局部场电位动态网络特性影响的研究

Theta burst stimulation (TBS) has widely employed in the field of modulating neural function due to the special advantages. TBS could invoke changes of neural excitability faster than repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS). And the effect of TBS protocols is permanent and steady. Learning and memory are important cognitive neural functions, which depend on the interactions of neurons. In addition, the information-processing activity of the brain is dynamic. Therefore, it is significant to study the influence of TMS on learning and memory from the perspective of dynamic neural network..In this project, TMS is combined with electrophysiological recording technique which has high temporal-spatial resolution. The model group of the Sprague Dawley (SD) rats is stimulated by rTMS or TBS. Then multi-channel microelectrodes are implanted into the prefrontal cortex and the LFPs are recorded during the learning and memory task. The time-frequency characteristics of both model group and control group are analyzed and the effective brain network is build based on time-varying dynamic bayesian networks (TV-DBN). Furthermore, the effect of TMS on neural network is explored by analyzing the topology structure and information flow of the network. The project is looking forward to provide supports for further investigations on the neural network modulation mechanism of TMS, which has important academic value and application prospects.

θ节律经颅磁刺激（TBS）与传统重复经颅磁刺激（rTMS）相比，具有作用时间短且作用效果持久的优势，被广泛应用于神经功能调控领域。学习记忆是重要的认知神经功能，其实现依赖于大量神经元在网络水平的相互作用，而且大脑的信息处理是一个动态过程，因此从动态神经网络的角度研究经颅磁刺激对学习记忆的影响具有重要意义。本项目将经颅磁刺激与高时空分辨率的在体多通道电生理记录技术相结合，以磁刺激作用模型组和对照组大鼠为研究对象，记录和获取大鼠学习记忆过程中的局部场电位（LFPs）信号；对比分析不同模式磁刺激作用后大鼠的LFPs时频特性；应用时变动态贝叶斯网络方法构建LFPs动态因效网络，衡量网络拓扑属性变化；探索学习记忆过程中多通道LFPs神经网络的时空动态演化规律，研究经颅磁刺激对学习记忆相关神经网络的影响机制。本项目期望在经颅磁刺激对学习记忆神经网络调节机制方面取得突破，具有重要的学术价值和应用前景。

θ节律经颅磁刺激（TMS）与传统重复经颅磁刺激（rTMS）相比，具有作用时间短且作用效果持久的优势，被广泛应用于神经功能调控领域。学习记忆是重要的认知神经功能，其实现依赖于大量神经元在网络水平的相互作用，而且大脑的信息处理是一个动态过程，因此从动态神经网络的角度研究经颅磁刺激对学习记忆的影响具有重要意义。本项目将经颅磁刺激与高时空分辨率的在体多通道电生理记录技术相结合，以Wistar大鼠为研究对象，应用5Hz重复经颅磁刺激（rTMS）、连续性theta节律刺激（cTBS）、间歇性theta节律刺激（iTBS）制备TMS模型组，记录大鼠工作记忆过程中的局部场电位（LFPs）信号，从LFPs信号θ和γ节律的相干性和格兰杰因果网络的角度研究不同模式TMS对工作记忆的调控机制。研究结果表明：与Control组和cTBS组大鼠相比，rTMS组和iTBS组“学会”T迷宫任务规则所需的时间缩短；rTMS组和iTBS组大鼠θ频段在选择点附近的能量峰值显著高于Control组和cTBS组大鼠（P<0.05），rTMS组、cTBS组和iTBS组大鼠γ频段能量峰值显著高于Control组大鼠（P<0.05）；大鼠位于迷宫选择点附近时各通道之间的θ和γ频段的同步性显著高于任务初始阶段（P<0.05）；rTMS组和iTBS组大鼠各电极LFP信号θ频段的同步性显著高于Control组和cTBS组大鼠的结果（P<0.05），rTMS组、cTBS组和iTBS组大鼠γ频段同步性显著高于Control组大鼠的结果（P<0.05）；rTMS和iTBS能够改善正常大鼠前额叶皮层θ频段和γ频段的功能连接，增强前额叶皮层的信息整合和以及信息的提取和储存能力，进而改善工作记忆功能。本项目的研究结果可为经颅磁刺激模式的优化提供理论依据，有助于探寻优化神经精神疾病患者工作记忆障碍的治疗方法。