焦虑状态内侧前额叶皮层LFP网络功能连接研究

发布时间：2020-05-14 20:44

【摘要】：研究目的:焦虑症是人群中最常见的情绪障碍,以焦虑性情绪体验为主要特征,表现为对未来事物的过分担心,严重危害着患者的身心健康。已有的研究表明内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex,m PFC)是焦虑的责任脑区,利用脑网络分析的方法有助于进一步了解焦虑病发的潜在机理。本论文以正常大鼠在高架十字迷宫焦虑状态的m PFC局部场电位(Local Field Potentials,LFPs)为研究对象,基于频域Granger因果分析,计算大鼠焦虑状态LFP网络因果连接强度,为探索焦虑的脑网络机制提供支持。研究方法:1.实验动物为8只雄性SD大鼠,10-12周龄,体重300-350 g。2.大鼠内侧前额叶皮层在体植入16通道微电极阵列,记录大鼠在高架十字迷宫自由探索10 min内侧前额叶皮层16通道LFPs,并利用Ethovision XT 8.5行为学分析软件分析大鼠的运动轨迹,以封闭臂走向开放臂(焦虑状态)10s内的LFPs作为研究对象。3.应用Butterworth低通滤波器(0.3-500 Hz)对16通道LFPs进行滤波,获得16通道LFPs。采用基线拟合和50 Hz陷波器的方法去除信号中的运动噪声造成的基线漂移,以及环境造成的工频干扰。4.运用短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)对焦虑状态16通道LFPs作时频分析,提取焦虑状态m PFC LFPs的特征频段。其中每个频段的范围为delta(1-4 Hz),theta(4-12 Hz),beta(12-30 Hz),low-gamma(30-70Hz)和high-gamma(70-120 Hz)。5.运用定向传递函数(Directed Transfer Function,DTF)计算焦虑状态16通道LFPs特征神经振荡的DTF值。6.运用Granger因果分析,分别计算大鼠在高架十字迷宫封闭臂和开放臂不同频段的DTF矩阵,分析焦虑状态网络连接强度。7.基于图论理论构建网络,计算在焦虑状态时各个频段的网络特征参数(全局效率),对焦虑状态的网络连接特性进行评估。8.运用独立样本t检验的统计分析方法对开放臂和封闭臂的LFPs不同频段网络的网络连接强度DTFmean,网络全局效率Eglob进行统计学分析。分析大鼠在开放臂和封闭臂的LFPs不同频段网络的网络连接强度DTFmean,网络全局效率Eglob的统计学差异。其中计量资料用均值±标准误表示。研究结果:1、大鼠在高架十字迷宫的行为学结果8只大鼠在高架十字迷宫的焦虑行为测试中表现出正常水平,进入开放臂的次数为19.2±1.2次,占总次数的的36.1±1.8%,进入开放臂的持续时间为146.2±11.5 s,占总时间的26.7±1.4%。2、大鼠在焦虑状态的LFPs特征分量大鼠在焦虑状态时LFPs能量主要集中theta频段。封闭臂theta频段能量密度(19.463±2.574)高于开放臂(12.812±0.738)(P0.05)。大鼠从封闭臂走向开放臂的过程中,theta频段能量密度逐渐减弱。3、LFP网络因果连接强度计算大鼠焦虑状态的各频段LFP的DTF矩阵,各频段连接强度由高到低分别为theta频段最高,delta频段次之、随后是beta频段和low-gamma频段,最低为high-gamma频段。各频段连接强度在开放臂和封闭臂均具有显著性差异。焦虑状态theta频段封闭臂的网络连接强度DTFmean为0.0309±0.0008,开放臂的网络连接强度DTFmean为0.0207±0.0007(P0.001);焦虑状态delta频段封闭臂的网络连接强度DTFmean为0.0305±0.0009,开放臂的网络连接强度DTFmean为0.0201±0.0007(P0.001);焦虑状态beta频段封闭臂的网络连接强度DTFmean为0.0274±0.0008,开放臂网络连接强度DTFmean为0.0202±0.0006(P0.001)。焦虑状态low-gamma频段封闭臂的网络连接强度DTFmean为0.0243±0.0009,开放臂网络连接强度DTFmean为0.021±0.0008(P0.05);焦虑状态high-gamma频段封闭臂的网络连接强度DTFmean为0.0211±0.0007,开放臂网络连接强度DTFmean为0.0185±0.0006(P0.05)。4、LFP网络连接特性基于DTF值构建LFP各频段网络,计算开放臂和封闭臂在各频段的网络全局效率Eglob。theta频段的Eglob值最大,delta频段次之,beta频段最小。low-gamma和high-gamma频段无显著性差异。theta频段封闭臂的Eglob值为0.0398±0.0010,开放臂为0.0289±0.0012(P0.001);delta频段封闭臂的Eglob值为0.0393±0.0011,开放臂为0.0279±0.0012(P0.001);beta频段封闭臂的Eglob值为0.0374±0.0011,开放臂为0.0298±0.0009(P0.001);low-gamma频段封闭臂的Eglob值为0.0345±0.0012,开放臂为0.0299±0.0010(P0.05);high-gamma频段封闭臂的Eglob值为0.0311±0.0012,开放臂为0.0278±0.0009(P0.05)。研究结论:本论文基于正常大鼠在高架十字迷宫焦虑状态16通道局部场电位,研究焦虑状态m PFC的神经振荡和神经信息网络功能性连接,研究结果表明:(1)大鼠在焦虑状态时神经振荡的特征频段为theta频段,在封闭臂theta能量较强,在开放臂时theta能量较弱;在大鼠从封闭臂走向开放臂的过程中,theta能量减弱,提示m PFC的theta频段神经振荡的变化与探索行为有关。(2)大鼠在高架十字迷宫theta网络比其他网络的连接强度更强,theta网络在封闭臂网络连接强度较强,在开放臂的m PFC网络连接强度较弱;在焦虑状态过程中,theta网络连接先增强后减弱,提示m PFC的theta网络连接强度变化与探索行为有关。(3)大鼠在高架十字迷宫theta网络全局效率比其他网络的更高,theta网络全局效率在封闭臂Eglob值较高,在开放臂Eglob值较低;在焦虑状态过程中,theta网络全局效率先升高后降低。
【图文】：

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津医科大学硕士学位论文二、原理与方法二、原理与方法在本章中，对 8 只大鼠的内侧前额叶皮层植入 16 通道微电极阵列，在高架字迷宫焦虑状态测试中记录内侧前额叶皮层的局部场电位并利用摄像系统同记录大鼠的自由活动。由特征振荡选取与焦虑状态相关网络，对 LFPs 进行基频域 Granger 因果分析计算定向传递函数，计算因效性连接，得出连接矩阵。用图论理论构建网络，计算网络连接强度和网络全局效率，评价大鼠焦虑状 mPFC 的 LFP 网络连接特性。分析 mPFC 的网络连接与焦虑样行为的联系。文研究方案技术路线如图 2.1 所示。

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图 2.2 Noldus Ethovision XT 8.5 行为学轨迹记录和分析系统示意图架十字迷宫的原理是大鼠在面对高架十字迷宫的开放臂时会产生好奇探索行为，但是由于大鼠具有嗜暗的天性，在面对空旷的开放臂时会的封闭臂，在探究与回避之间发生了冲突行为，通过分析大鼠对开放臂的探索考查大鼠的焦虑状态。本论文选取大鼠从封闭臂走向开放臂态任务，持续时间为 10 秒，包括离开封闭臂的 5 秒和走向开放臂的 5 秒参考点选取为大鼠四爪离开封闭臂时刻[12]。其过程如图 2.3 所示，，其中经过 Ethovision XT 8.5 行为学分析系统画出大鼠在高架十字迷宫 10 m为轨迹，蓝色表示行为学参考点，黑色箭头表示大鼠从封闭臂走向开
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R749.72

【参考文献】