啮齿动物默认模式网络的神经电生理研究

The default mode network (DMN) is believed to be highly associated with both the structure and functional integration of mammalian brain. Nevertheless, so far the detailed neural mechanisms underlying DMN are poorly understood, and its implications in neuropsychiatric disorders are still debated. Based on the evolutionary conservation of brain network and invasive electrophysiological techniques, the aims of this project are to investigate the DMN in a rodent animal model, and elucidate the corresponding neural mechanisms in normal brain.To this end, the proposed project plans to develop a relevant rat model for DMN according to recent fMRI and PET evidence from both human,nonhuman primates and rodents. Then, local field potentials (LPFs) are consistently recorded (24 hours) from model rats without anesthesia. Using the signal processing theory and complex network techniques, we will systemically analyze the network properties of DMN and discuss the relevant neural mechanisms of DMN for different levels of wakefulness, including the awake state and different sleep stages.In addition, we also apply the developed techniques to rats with temporal lobe epilepsy(TLE), and compare the difference between epileptic group and normal control group and discuss the dynamical evolution processes of DMN during epileptogenesis. The research results, on the one hand, will provide new insights into the neural mechanisms of DMN in normal brain, and on the other hand, can significantly enhance our fundamental understanding on the structure and functional integration of mammalian brain.

默认模式网络（DMN）被认为与哺乳类大脑结构构筑和功能整合密切相关。但至今为止，DMN确切的神经机制尚不明确，其在神经精神疾病中的意义有待探讨。本项目将根据脑网络的进化保守性，借助有创的神经电生理技术，以人、非人类的灵长类动物和啮齿类动物的fMRI、PET的DMN研究结果为依据，在非麻醉大鼠上对DMN相关脑区的局部场电位（LFP）进行24小时的连续采集，然后利用信号处理技术以及复杂网络的方法对不同警觉状态（包括清醒状态和不同睡眠阶段）的DMN进行系统深入的研究，以阐明啮齿类动物DMN的神经电生理机制，并在颞叶癫痫动物模型上进一步探讨DMN的动态变化。其成果将丰富DMN的研究内涵，为理解正常的DMN的生理机制提供新的思路，对最终理解大脑结构构筑与功能整合具有重要的理论意义。

本项目基于多通道神经电生理技术，构建啮齿动物默认模式网络（Default Mode Network ,DMN）大鼠模型，采集自由活动状态下DMN相关脑区的局部场电位（Local Field Potentials ,LFP），利用信号处理技术和网络分析方法对不同状态的DMN进行系统研究，以阐明啮齿类动物DMN的神经电生理机制，并在颞叶癫痫动物模型上进一步探讨DMN的动态变化特征。项目执行期间，课题组成员认真开展相关研究工作，按计划完成了研究任务。主要成果包括：1）大鼠电生理DMN特征与在人和非人灵长类以及啮齿动物fMRI上的结果高度相似，存在以前扣带为核心的额叶模块和以压后皮层为核心的顶叶模块，并可进一步分为前额叶亚单位、顶叶亚单位、颞叶亚单位和海马亚单位；2）觉醒状态（WR）、慢波睡眠（SWS）和快速眼动睡眠（REMs）三种不同警觉状态下，脑电频段的能量变化以及网络功能耦合随状态变化。不同警觉状态以及不同脑区，频段划分有所不同；3）大鼠电生理DMN中存在频率、脑区特异的信息流模式，其中，delta频段可能参与了自上而下的对局部脑区兴奋性的调节，而theta频段可能参与了自下而上的不同区域间信息的整合；4）大鼠电生理DMN存在状态依赖和状态独立的空间模式;5）癫痫大鼠电生理DMN中，存在频段依赖的信息环路，癫痫发作可影响这种频段依赖的信息流环路；6）基底节中黑质网状部神经元的发放活性对失神癫痫异常放电行为具有重要的调控作用，GPe与皮层间的抑制性投射参与对失神发作放电的调节；7）反莫扎特音乐对人和大鼠的认知有显著的负效应，音乐节奏在莫扎特K.448正效应和反向音乐的负效应中起着关键作用,莫扎特音乐干预可显著改善癫痫发作造成的认知损伤；8）提出了一种低成本、易操作和温度控制的可延展柔性生物电子器件制备方法，成功地在柔性基底上制备了可延展柔性生物电极阵列，利用可延展生物电极探测到了良好的ECoG信号和高质量的SSVEP响应。