徐佳偉， 劉迢迢， 鄭旭媛， 白文文， 田心， 徐新宇

(天津醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程與技術學院， 天津 300070)

工作記憶(working memory，WM)是一系列復雜認知功能的基礎，是對信息進行暫時編碼、存儲和提取的系統(tǒng)[1]。工作記憶可以分為3個信息處理過程，編碼是將外界的信息進行表征形成記憶的過程，是工作記憶信息處理的最初階段[2]。嚙齒動物的研究表明，腹側海馬(ventral hippocampus，vHPC)和內側前額葉皮層(medial prefrontal cortex，mPFC)是工作記憶編碼的重要腦區(qū)[3-4]，現(xiàn)研究工作記憶編碼vHPC和mPFC的相互作用機制。

神經(jīng)振蕩是促進大腦協(xié)調活動的重要機制[5]。神經(jīng)元集群同步的、周期性的波動變化可以通過局部場電位(local field potential，LFP)進行記錄。神經(jīng)振蕩包含頻率、相位和振幅3個特征參數(shù)。然而，已有的研究主要集中在了振幅的相干性分析[6]、振幅和頻率的聯(lián)系[7]以及不同頻率之間的耦合關系[8-9]，忽略了相位在認知活動中的作用。近年來，不斷有研究發(fā)現(xiàn)，相位在任務信息的處理中發(fā)揮了重要的作用。Schyns等[10]利用互信息梳理了神經(jīng)振蕩的振幅、相位和頻率3個參數(shù)在視覺信息編碼中的不同貢獻，發(fā)現(xiàn)相位比振幅編碼更多的視覺信息，而且不同角度的相位與不同的視覺信息編碼相關聯(lián)。Zielinski 等[11]通過尖峰信號(spike)解碼大鼠在迷宮中的空間位置信息時發(fā)現(xiàn)，結合theta振蕩的相位信息進行解碼顯著地提高了解碼的準確性。Oever等[12]在解碼工作記憶內容和表現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)，theta/delta頻率范圍內的相位調節(jié)了解碼的準確性。這些研究突出了相位在腦區(qū)間信息協(xié)同處理中的作用。

神經(jīng)信息的處理可以看作是在認知活動中由神經(jīng)元集群活動所表示的信息變化。由于神經(jīng)元的多樣性和神經(jīng)系統(tǒng)的復雜性，神經(jīng)元集群之間主要以弱耦合的形式進行相互作用，很難實現(xiàn)完全同步。在這種情況下，相位信息就顯得尤為重要[13]。神經(jīng)振蕩的相位決定神經(jīng)元的興奮程度，并影響集群中神經(jīng)元的精確放電活動[14]。相位同步分析可以檢測微弱的耦合作用，有助于揭示相位對認知過程中腦區(qū)間信息協(xié)同處理的作用[15-17]。加權相位滯后指數(shù)(weighted phase lag index，WPLI)是一種改進后的相位同步算法[18]，對于噪聲具有更好的魯棒性。現(xiàn)以大鼠在靜息狀態(tài)和執(zhí)行Y迷宮工作記憶任務時vHPC和mPFC的LFPs為研究對象，計算兩個腦區(qū)LFPs之間的WPLI值，分析兩個腦區(qū)的相位耦合作用。研究相位在工作記憶編碼vHPC和mPFC之間信息協(xié)同處理中的作用，為深入了解工作記憶信息協(xié)同處理機制提供支持。

1 方法

1.1 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)來自津醫(yī)科大學神經(jīng)工程實驗室，該數(shù)據(jù)記錄了6只SD大鼠執(zhí)行Y迷宮工作記憶任務期間和靜息狀態(tài)下腹側海馬和內側前額葉皮層各16通道的局部場電位信號。

1.1.1 Y迷宮延遲交替選擇任務

Y迷宮延遲交替選擇任務是嚙齒類動物典型的空間工作記憶范式，常用于工作記憶的測試[19]。如圖1所示，Y迷宮由3條臂組成，每條臂與其他兩條臂的夾角均為120°。豎直臂為起始臂，其在接近中央位置處設有一個紅外線檢測器，用于記錄大鼠的工作記憶行為學參考點(reference point，RP)。剩下的兩條臂為目標臂，其末端各有一個食槽可供大鼠獲取食物獎勵(reward，R)。行為學的每次實驗包括自由選擇、延遲和交替選擇3個階段，分別對應工作記憶的編碼、存儲和提取3個階段。自由選擇階段：大鼠從起始位置出發(fā)，自由選擇進入目標臂中的一個，均可獲得食物獎勵，大鼠吃完食物獎勵后返回起始位置。延遲階段：大鼠返回起始位置后，在起始位置等待5 s。交替選擇階段：大鼠再次從起始位置出發(fā)，然后選擇進入一個目標臂，當選擇進入與自由選擇階段相反的目標臂時，可以獲得食物獎勵，則本次實驗為行為學正確，如圖1(a)所示；當選擇進入與自由選擇階段相同的目標臂時，不能獲得食物獎勵，則本次實驗為行為學錯誤，如圖1(b)所示。

圖1 Y迷宮工作記憶行為學范式Fig.1 Schematic of the working memory task in Y-maze

1.1.2 數(shù)據(jù)的選取

選取了靜息狀態(tài)以及圖1(a)中自由選擇階段的數(shù)據(jù)進行了相位同步性分析，共包含6只大鼠300次行為學正確和300次靜息狀態(tài)的有效實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采樣頻率為2 000 Hz。在獲取符合條件的LFPs后，進行了0.5～250 Hz的帶通濾波，之后進行了去除基線漂移和50 Hz工頻干擾的數(shù)據(jù)預處理。以行為學參考點作為時間零點，每次實驗截取保留了-1.5～1.5 s共3 s的數(shù)據(jù)進行后續(xù)的計算分析。

1.2 加權相位滯后指數(shù)

在n次實驗中，從vHPC的通道x和mPFC的通道y中獲取的數(shù)據(jù)為x(τ)=[x1(τ),x2(τ),…,xn(τ)]和y(τ)=[y1(τ),y2(τ),…,yn(τ)]。通道x和通道y之間WPLI的計算公式為

(1)

式(1)中：I(·)為取虛部；Ci(t,f)為第i次實驗的數(shù)據(jù)xi(τ)和yi(τ)之間的交叉譜，t為時頻數(shù)據(jù)的時間，f為時頻數(shù)據(jù)的頻率，τ為原數(shù)據(jù)的時間。

(2)

信號a(τ)的短時傅里葉變換公式為

(3)

式(3)中：a(τ)為信號xi(τ)和yi(τ)；h(τ)為漢明窗函數(shù)。根據(jù)每次實驗保留的數(shù)據(jù)長度選取計算STFT的窗口長度為250 ms，窗口移動步長為50 ms，頻率分辨率為1 Hz。

WPLI的取值范圍為0～1。如果一個信號的瞬時相位一致地超前或滯后于另一個信號的瞬時相位，則認為相位是鎖定的，WPLI=1；如果兩個信號的相位超前或滯后關系是隨機的，則WPLI將是低的。如果兩個信號之間沒有相位差，則WPLI=0。WPLI值越高，表明兩個信號之間的相位同步性越高。

對0.5～100 Hz的頻率范圍進行了不同頻段的劃分，包括delta(0.5～4 Hz)、theta(4～12 Hz)、beta(13～30 Hz)、L-gamma(30～60 Hz)、H-gamma (60～100 Hz)5個頻段。隨后分別計算了這5個頻段的WPLI，然后進行了統(tǒng)計分析。

1.3 統(tǒng)計學分析

使用SPSS 19.0軟件對WPLI的結果進行了雙因素方差分析，雙因素分別為組別因素(行為學正確與靜息狀態(tài))和頻段因素，兩兩之間的統(tǒng)計比較進行了Bonferroni法檢驗水平的校正。所有結果以均值±標準誤的形式表示。統(tǒng)計學差異用P值表示：*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001。

2 結果

2.1 WPLI的時頻分析

圖2為一只大鼠靜息狀態(tài)和正確執(zhí)行工作記憶任務編碼階段的WPLI時頻結果示例，圖中顏色從藍色到紅色表示W(wǎng)PLI值由低到高，紅色表明vHPC和mPFC之間存在強烈的相位同步，白色虛線為行為學參考點。如圖2(a)所示，在行為學參考點前0.5 s左右WPLI出現(xiàn)了峰值，峰值出現(xiàn)的頻段為theta頻段，而圖2(b)中則沒有出現(xiàn)明顯的WPLI峰值。圖2的結果表明在正確執(zhí)行工作記憶任務的編碼階段，vHPC和mPFC之間的相位同步選擇性地增強，而theta頻段是這種相位同步主要發(fā)生的頻率范圍。

圖2 一只大鼠行為學正確和靜息狀態(tài)的WPLI時頻結果Fig.2 Time frequency of WPLI in correct behavioral performance and rest state of one rat

隨后對6只大鼠在theta頻段的WPLI進行了平均，得到如圖3所示的WPLI隨時間變化的曲線。圖3中藍色曲線為正確執(zhí)行工作記憶任務編碼階段的WPLI曲線，黑色曲線為靜息狀態(tài)下的WPLI曲線，陰影部分表示6只大鼠WPLI的標準誤?？梢钥闯觯谛袨閷W參考點前0.5 s左右[(-0.483±0.045) s]，正確執(zhí)行工作記憶任務的編碼階段，theta頻段WPLI出現(xiàn)了一個明顯的峰值(0.206±0.061)，而靜息狀態(tài)下的WPLI則沒有明顯峰值的出現(xiàn)，表明theta頻段相位的同步增強可能是工作記憶編碼階段信息處理的一個作用機制。

圖3 6只大鼠theta頻段平均的WPLI曲線Fig.3 Curves of WPLI averaged in 6 rats in theta band

2.2 WPLI的統(tǒng)計分析

對于行為學參考點前1 s至行為學零點這段時間的WPLI按照不同的頻段和不同的行為狀態(tài)分別進行了計算，然后進行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結果如圖4和圖5所示。如圖4所示，在靜息狀態(tài)下，各頻段的WPLI之間沒有顯著性差異(n.s.)，而在正確執(zhí)行工作記憶任務的編碼階段，theta頻段的WPLI(0.107±0.013)顯著高于其他各頻段的WPLI(P<0.001)，而其他頻段的WPLI之間沒有顯著性的差異。圖5為正確執(zhí)行工作記憶任務的編碼階段和靜息狀態(tài)的各頻段的WPLI統(tǒng)計比較。結果顯示在正確執(zhí)行工作記憶任務的編碼階段，theta頻段的WPLI(0.107±0.013)與靜息狀態(tài)下的WPLI(0.052±0.004)相比顯著性升高(P<0.001)，而其他各頻段之間均沒有顯著性的差異(n.s.)。

以上的結果顯示W(wǎng)PLI的顯著性升高只出現(xiàn)于正確執(zhí)行工作記憶任務的編碼階段，且僅限于theta頻段，而出現(xiàn)的位置在行為學參考點前0.5 s左右。這表明vHPC和mPFC之間theta頻段的相位同步增強是工作記憶編碼階段任務信息處理的一種作用機制。

***P<0.001圖4 行為學正確和靜息狀態(tài)不同頻段WPLI的比較Fig.4 Comparison of WPLI between different frequency bands under correct behavioral performance and rest state

***P<0.001圖5 不同頻段下行為學正確與靜息狀態(tài)WPLI的比較Fig.5 Comparison of WPLI between correct behavioral performance and rest state in different frequency bands

3 討論

相位同步是不同腦區(qū)之間進行動態(tài)交互的重要方式[20]，相位同步分析有助于揭示工作記憶的機制。傳統(tǒng)的相位同步分析方法，如鎖相值等容易受到噪聲的影響，從而導致虛假的估計結果。加權相位滯后指數(shù)是一種改進后的相位同步分析方法，對噪聲具有更好的魯棒性，靈敏度高，能夠很好地反映相位同步的真實變化，被廣泛用于腦電圖[21](electroencephalogram，EEG)和腦磁圖[22](magnetoencephalography，MEG)的分析中。將WPLI應用于LFPs中，分析工作記憶編碼的vHPC和mPFC之間的相位同步，為工作記憶研究提供新的思路。

大腦是一個弱耦合作用的系統(tǒng)[13]，具有高度動態(tài)性。研究表明，不同頻段的神經(jīng)振蕩與不同的認知過程有關?；赪PLI對6只大鼠在工作記憶編碼階段和靜息狀態(tài)下的相位耦合作用進行了時頻分析，發(fā)現(xiàn)在行為學參考點前，vHPC和mPFC在theta頻段出現(xiàn)WPLI峰值，而靜息狀態(tài)下沒有強烈的相位耦合作用。O’Neill等研究發(fā)現(xiàn)vHPC和mPFC的theta振蕩受到空間工作記憶任務的調節(jié)，并且兩個腦區(qū)之間的theta振蕩顯著地相干。Liu等[6]研究表明大鼠只有在正確執(zhí)行工作記憶任務時，vHPC和mPFC的theta振蕩才存在顯著的相關性。許多研究都表明，海馬和前額葉皮層之間的相互作用是工作記憶的重要機制[23-26]，本研究的結果進一步支持了該觀點。vHPC和mPFC之間存在單突觸直接連接[27]，Spellman等[4]通過光遺傳技術抑制該回路的通信發(fā)現(xiàn)，只有在編碼階段進行光抑制才會導致空間工作記憶表現(xiàn)受損，表明空間工作記憶編碼需要vHPC和mPFC的協(xié)同作用。與該發(fā)現(xiàn)一致，本研究發(fā)現(xiàn)在工作記憶編碼階段，vHPC和mPFC的theta相位同步增強。

此外，研究發(fā)現(xiàn)在工作記憶編碼階段，vHPC和mPFC的theta振蕩和gamma振蕩均存在較強的相干性[28]。然而，上述的研究主要是基于神經(jīng)振蕩的振幅展開的線性分析。振幅反映了腦區(qū)局部的變化，相較而言，相位更能反映腦區(qū)之間的協(xié)同交流，并且包含了更多信號動態(tài)變化的特征。通過相位同步分析發(fā)現(xiàn)，vHPC和mPFC的theta相位同步在工作記憶編碼階段增強，表明相位和振幅可能反映了不同的功能機制。因此，對神經(jīng)振蕩的相位進行分析為研究工作記憶機制提供了新的見解。

LFPs反映了電極附近的神經(jīng)元集群的放電活動，而記憶的本質是神經(jīng)元網(wǎng)絡的同步放電活動。在同步的神經(jīng)元網(wǎng)絡中，振蕩相位決定神經(jīng)元的興奮程度，并影響網(wǎng)絡中細胞的精確放電時間[14]。不同腦區(qū)之間的相位關系會影響這些區(qū)域神經(jīng)元放電的相對時間。相位同步可以通過使多個突觸輸入同時到達突觸后神經(jīng)元來支持神經(jīng)通信。這種一致的突觸輸入使快速去極化得以發(fā)生，使突觸后膜電位增加到放電閾值以上，導致神經(jīng)元的放電活動。此外，相位同步還為兩個或多個大腦區(qū)域之間的最佳通信提供了時間窗口[14]。而海馬和前額葉皮質之間的theta相位同步可能在適合的時間窗內誘導海馬可塑性，導致神經(jīng)元集群同步放電從而對刺激信息進行編碼。一項對顱內EEG的研究表明，新的、意想不到的信息會增加海馬和前額葉皮層之間的theta相位同步，并且這種theta相位同步的增加與成功的記憶形成有關[16]。此外，研究表明嚙齒動物海馬的位置細胞以一種相位進動的方式對空間位置信息進行編碼[29]，而這種編碼機制是由theta振蕩的相位所介導的。Zielinski等[11]研究表明，theta振蕩介導大鼠海馬和前額葉皮層的神經(jīng)元集群對動物當前空間位置信息的協(xié)同編碼。本研究發(fā)現(xiàn)，在接近Y迷宮的分支點時，vHPC和mPFC之間的theta相位同步顯著性升高，表明theta相位同步可能是介導兩個腦區(qū)協(xié)同編碼空間位置信息的一種機制。

綜上所述，海馬和前額葉皮層之間的相位同步反映了兩個腦區(qū)之間的遠程通信。在工作記憶編碼階段，vHPC和mPFC之間的theta相位同步在行為學參考點前增強，這可能與大鼠對特殊空間位置信息的編碼有關。而theta振蕩的相位在其中發(fā)揮了重要作用。Liu等[6]和Xia等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在正確執(zhí)行空間工作記憶任務中，海馬的活動引導前額葉皮層的活動。然而，本研究無法對兩個腦區(qū)相位耦合作用的方向進行分析，需要進一步的定向連通性分析加以確定。

4結論

正確執(zhí)行工作記憶任務需要正確的信息編碼作為支持，而靜息狀態(tài)下不涉及對信息的編碼?；诩訖嘞辔粶笾笖?shù)，對比信息編碼正確和靜息(不編碼)兩個狀態(tài)下vHPC和mPFC多通道LFPs的相位同步性，闡明了工作記憶編碼兩個腦區(qū)theta振蕩同步機制。結果發(fā)現(xiàn)，工作記憶編碼階段vHPC和mPFC之間的theta相位同步在行為學參考點前增強，而靜息狀態(tài)下則沒有。研究表明，這種theta相位同步的增強與工作記憶的信息編碼相關，其可能促進vHPC和mPFC協(xié)同編碼工作記憶信息。因此，theta相位同步是工作記憶編碼的一個重要機制。