脑低频振荡信号的神经和代谢机制研究

This study focuses on the neural and metabolic mechanism of low frequency oscillations(LFO) and their synchronization among distinct brain regions. The somatosensory area of SD rat and visual area of cat are exploited as experimental model. Intrinsic optical imaging, microelectrode array and laser Doppler veocimeter are used as image technique. The main goals are: (1)The difference of spatiotemporal architectures of LFO among deoxyhemoglobin level,blood flow ,local field potential and spike.(2) The neural and metabolic mechanism of LFO is to be explored by using the Granger Causality model. It aims to clarify the rationality of general functional connectivity analysis methods based on metabolic LFO. (3) The function of inhibitory interneuron in the shaping and maitaining of LFO. Achieving the intact spatiotemporal activation spread processing of inhibitory interneuron from the seeds to whole observed regions.The function of inhibitory interneuron in synchronization of LFO among distinct areas. (4) To explore the possible modulation of LFO by external stimuli.Highlight the modulation by strengh of stimuli in somatosensory channel and feature binding in visual channel in the present and synchronization of LFO. This study has the theoretical and practical value for investigation of the brain functional connenctivity and cortical information coding and processing.

本研究以SD大鼠运动感觉皮层和猫初级视觉皮层为实验模型，采用内源光学功能成像、微电极阵列、激光多普勒等作为观测手段，研究脑皮层内源性低频振荡的形成、维持以及多脑区同步机制。重点研究：(1)低频振荡的时空分布在去氧血红蛋白浓度、血流量、局部场电位、神经元群发放等信号中的异同；(2)采用因果分析等技术研究低频振荡的神经代谢机制，明确利用代谢的低频振荡信号进行功能连接研究的合理性；(3)抑制性中间神经元在局部皮层振荡形成和维持过程中的作用，得到从种子点到最终脑功能区内大范围同步过程中抑制性神经元活动的时空扩散过程；抑制性中间神经元在多脑区振荡同步中的作用；(4)探索外界刺激对低频振荡可能的调制途径，重点研究运动感觉通道刺激强度、视觉通道特征捆绑对低频振荡呈现和同步可能的调制。研究对于脑功能连接、皮层信息处理及编码等科学问题具有理论和实践意义。

研究大鼠运动感觉和视觉皮层内源低频振荡信号的时空频模式以及在代谢和神经电信号层面上振荡信号的因果关系。具体做法是：使用格兰杰因果模型分析了大鼠体感和视觉皮层血流速度、局部场电位和神经元放电序列三者之间的因果关系。这三种信号由激光多普勒血流仪和微电极阵列同时记录得到。结果发现在 0.1Hz附近，三者有显著的因果关系，局部场电位和神经元放电序列是因，血流速度是果。而且，局部场电位与血流之间的因果关系强度要大于神经元放电序列与血流之间的因果关系强度。这些结果说明，自发 LFO 有可能来源于神经活跃性特别是局部场电位。据我们所知，该研究第一次探求了血流、局部场电位和神经元放电序列之间的格兰杰因果关系，并发现在 0.1Hz附近神经活跃性与血液动力学信号之间有显著的格兰杰因果关系，神经活跃性特别是局部场电位是 LFO 的生成原因。该结果有可能为自发 LFO 来源于神经活跃性这一观点提供支持，从而进一步为静息态 fMRI 研究提供理论依据。.研究了人体视觉与触觉通道的事件相关电位信号，特别是周期性相关信号的时空频特征，探索了振荡信号与刺激事件在时间和空间上的锁定关系。将上述研究成果应用于脑机交互范式设计中，系统提升了交互的效率并降低了认知负荷。设计了基于人体触觉通道的脑机接口系统方案，并进行了软硬件系统实现，最后利用该方案，成功诱发了触觉P300信号和稳态触觉诱发振荡信号。该方案可作为一种独立于视觉通道之外的脑机接口信息传输通路。提出了一种基于图像分割方法和双层选择的P300范式(image segmentation and two-step based paradigam，IST)的目标选择方法，提高脑机接口系统对真实环境下的目标的选择能力。探索了基于BCI的多移动目标选择技术，将基于稳态视觉诱发电位 (SSVEP) BCI技术拓展到移动目标选择应用中。整体思路是通过目标检测和跟踪算法得到每一时刻视频中各目标的坐标信息，再将刺激物叠加显示在目标上，被试通过直接注视目标完成目标选择。设计的SSVEP动态范式目标选择平均正确率达到84.37%，平均单次目标选择时间为3.48s，说明将SSVEP范式嵌入到动态的移动目标选择过程中总体是可行的，可以应用到更多场景中。