大鼠初级视皮层局部场电位γ 振荡特性研究

师 黎，黎晓亮，王治忠

(郑州大学 电气工程学院，河南 郑州450001)

0 引言

植入动物初级视皮层(Primate visual cortex ，V1)的微电极阵列记录到的胞外原始场电位(Raw field potential，RFP)，经过250 Hz 的低通滤波得到局部场电位信号(Local field potential，LFP)［1］．LFP 是电极尖端附近区域的兴奋性和抑制性神经元群体的树突电位信号的总和，反映了神经元局部网络中各神经元的协同作用［2］．V1 区LFP 对视觉刺激特征的响应特性对研究动物甚至是人类的V1 区在视觉信息处理机制中的功能特性有着至关重要的意义［3-4］．

近年来，越来越多的研究者将LFP 应用于动物V1 区的研究．2000 年，Frien 等人［5］研究发现猴子在清醒状态下其V1 区记录到的LFP 的高频带(31 ～62 Hz)与视觉刺激朝向特征的相关性强于0 ～11 Hz 的低频带和11 ～31 Hz 的中频带．按照脑电节律划分的标准称LFP 的高频部分为γ频带．Logothetis 等人［6］研究认为，V1 区LFP 的γ频带是其所有频率段中与视觉刺激相关性最强的一个频带． 然而，有关V1 区LFP -γ 频带的范围却没有一致的结论．2008 年，Ray 等人［7］采用短时傅立叶变换估计到猴子V1 区LFP -γ 频带的范围为40 ～80 Hz．2009 年，Steffen Katzner 参考Henrie 等人得出猴子V1 区LFP 的γ 频带范围为25 ～90 Hz 的结论［8-9］． 2010 年，Burns［10］研究LFP 的动态特性时采用连续Gabor 变换提取到麻醉状态下猴子V1 区LFP -γ 频带的范围为20 ～90 Hz．准确测定γ 频带的范围对研究V1 区LFP-γ 振荡对视觉刺激特征参数变化的响应至关重要．2008 年，Alexander［11］提取LFP -γ 频段(30 ～100 Hz)的瞬时功率、相位等特征尝试识别建筑物、动物、人脸等不同拓扑结构的自然图像，但自然图像具有高阶非高斯特性，难以准确描述LFP对刺激图像的拓扑特征的选择特性．

针对上述问题，笔者提出了一种基于小波变换和功率谱准确界定LFP -γ 频带范围的方法，在此基础上研究了不同拓扑结构的简单图形刺激下LE 大鼠V1 区LFP -γ 频带的响应特性．实验分析结果表明，笔者所提出的方法能够准确界定不同大鼠个体的LFP -γ 频段范围，根据这个范围计算到的LFP-γ 频段的响应特征能够有效地识别简单图形的拓扑特征．

1 实验数据采集及数据预处理

1．1 手术及电极植入

健康、视力好的LE 大鼠(雄性，5 只)，体重200 ～300 g，手术前禁食、自由饮水一天． 手术时按体重4 mL/kg 腹腔注射体积分数为10%的水合氯醛对大鼠进行麻醉．剃掉头皮上的毛发，缝上眼线圈，将其头部固定于大鼠脑立体定位仪上，切开头部皮肤，暴露颅骨，用颅钻在V1 区打一个孔，使用微操将2 ×8 的微电极阵列植入大鼠大脑V1 区．手术完成后将大鼠眼睛用黑布蒙上休息0．5 h 左右，实验过程中使用微推注射器注射营养液，为大鼠提供水分以及营养，实验每隔2 h 左右对大鼠注射0．2 mL 麻药．

1．2 视觉刺激

视觉刺激通过郑州大学电生理实验室的视觉刺激平台产生． 刺激屏幕尺寸为15． 4 cm ×9．6 cm，距离大鼠的眼睛20 cm，刷新频率为60 Hz，分辨率为600 ×800 像素． 刺激图形基于MATLAB图形处理软件产生，包括十字形、三角形、圆环等三类不同拓扑结构的简单图形如图1 所示． 它们具有相同的时间频率、空间频率以及对比度等特征参数．

图1 视觉刺激图形Fig．1 Visual stimulus

1．3 LFP 信号获取

采用美国Cyber kinetics 公司研发的Cerebus-128 多通道数据采集仪，分别记录5 只大鼠的V1 区在两种状态下的LFP 数据:①未受视觉刺激;②受到视觉刺激．实验每隔0．5 h 记录一组数据，每只大鼠重复记录10 组． 分析实验数据前剔除神经元发放存在大量噪声的通道，并采用50 Hz 自适应滤波器滤除工频干扰．

2 频段估计及其与视觉刺激的互信息计算方法

首先，结合小波变换与功率谱确定大鼠V1区LFP 信号发生γ 振荡的准确范围;然后，采用互信息计算LFP-γ 频段的功率谱密度与不同拓扑结构视觉刺激之间的相互依赖程度．

2．1 γ 频段范围估计方法

首先，采用一维离散多尺度小波变换提取自发数据x(t)与诱发数据y(t)的N 个频段，一维离散小波变换如公式(1)所示．

其次，计算y(t)和x(t)在N 个频段的能量比

然后，估计y(t)和x(t)在ERj大于1 的频段的功率谱密度，并以1 Hz 为间隔计算两个向量在每个频率点的差值分布wdf．用宽度为H 的矩形窗RH(f)求取wdf的逼近曲线． 矩形窗函数RH(f)如公式(2)所示．

最后，采用归一化后的能量比对逼近曲线进行修正并选取合适的wdf的阈值线，截取逼近曲线中高于阈值的频段，分别求取γ 频段的起始频率λfmin和截止频率λfmax．

2．2 γ 频段功率与视觉刺激的互信息计算方法

步骤1:初始化一个长度为M ×N 的一维向量，将实验中播放的视觉刺激图形序列号赋值给一维向量的每个元素，并用向量Vs表示． 其中M为刺激的周期数，N 为一个刺激周期内刺激图像的总帧数．

步骤2:依据计算得到的γ 频带的范围，提取每帧图像刺激下同步记录到的LFP 的γ 频段的波形，并估计其功率谱，并用向量w 表示．

步骤3:重复步骤2，分别计算步骤1 中M×N帧图像对应的LFP 的γ 频带的功率．

步骤4:计算刺激序列Vs与M×N 个向量w在频率f 点处的功率之间的互信息MI［12］．

式中:P(Vs)表示刺激序列Vs出现的概率，等于刺激图像总帧数的倒数;P(w|Vs)表示为一次实验中观察到功率w 在频率f 下对刺激响应的概率;P(w)为在全部实验中功率w 对任何刺激下响应的概率．

3 实验结果及分析

3．1 LFP-γ 振荡的频率范围

以A 大鼠的数据为样本，选取第17 通道的数据，分别计算自发与诱发两种状态下1 s 时间的Spike 活动频数的直方图以及LFP 信号的瞬时频率，分别如图2(a)和(b)所示．

图2 视觉刺激前后大鼠V1 区第17 通道记录到的LFP 信号的高频同步振荡现象Fig．2 The high-frequency synchronous oscillations of LFP recorded in rat’s V1 area dominant during visual stimulation

可以看出，0 时刻加载视觉刺激后，Spike 放电频率峰值与LFP 瞬时频率的高频部分之间存在一一对应的关系，视觉刺激下LFP 存在高频同步振荡现象，即γ 振荡．根据2．1 节方法计算wdf分布的逼近曲线，其结果如图3 所示．

图3 归一化能量比修正后wdf分布在1 ～150 Hz频段的逼近曲线Fig．3 The wdf distribution approximation curve corrected by the normalized energy ratio between 1 Hz and 150 Hz bands

图3 中粗实线表示wdf分布的逼近曲线．大鼠在受到视觉刺激时，相对于自发状态LFP 的功率在很宽的一个频率范围内变大．笔者选取wdf最大值的十分之一作为界定γ 频带的阈值，如图3 中细点划线所示．wdf高于阈值线的宽频带为LFP 发生γ 振荡的准确范围．分别计算实验中的5 只LE大鼠在受到简单图形视觉刺激时V1 区LFP 发生γ 振荡的频率范围，其结果如表1 所示．

表1 不同个体LE 大鼠受到视觉刺激时V1 区LFP 发生γ 振荡的频率范围及采用的阈值Tab．1 The γ-band frequency range of LFP for different individuals in V1 of LE rats and the threshold used in our paper

3．2 LFP-γ 振荡对简单图形拓扑结构的选择特性

以编号为A 的大鼠记录到的LFP 数据为样本，分别估计同一通道在十字形、圆环以及三角形三类简单图形下1 s 时间的LFP 数据的瞬时频率．以瞬时频率到达第一个峰值的时间为响应潜伏期，将A 大鼠重复10 次实验的结果进行统计分析，如图4 所示．

图4 三类图形刺激下LFP 响应潜伏期统计分析Fig．4 The characteristic distribution of latency periods

结果表明，十字形简单图形刺激下LFP 的响应潜伏期约为0．2 s;三角形为0．4 s;圆环期为0．5 s．

根据这一结论，分别选取LFP 的瞬时频率在γ 频带对三类拓扑结构有选择性的通道的数据为样本，估计这个通道的LFP 在功率谱密度与对应视觉刺激之间的互信息． 刺激序列及互信息曲线分别如图5 所示．

从图5 可以看出，刺激序列拓扑结构不同时对应的互信息曲线也明显的不同，为了量化这一差异，分别提取了三类互信息曲线的最大值γ -MImax、最大值处的频率fλ-MImax、γ 频段的平均互信息γ -MMI 等3 个特征作为评价差异的特征指标．5 只大鼠重复10 组实验，统计三类刺激图形下互信息曲线的3 个特征指标的分布，如图6 所示．从图6 可以看出，十字形拓扑结构序列刺激下γ 频带的平均互信息γ -MMI 的中位数0．52 bit±0．05 bit 显著高于具有环形拓扑结构的三角形刺激序列的0． 34 bit ± 0． 03 bit(F = 1．253，P ＜0．05)以及圆环序列刺激的0．31 ±0．03 bit．而同为环形拓扑结构的三角形刺激序列与圆环刺激序列的γ-MMI 差异并不显著．同时，对应于三类简单图形刺激序列的互信息曲线的最大值γ -MImax与γ-MMI 有着相似的变化趋势． 而三类刺激图形下互信息曲线的fγ-MImax值与前两者有着相反的变化趋势，十字形拓扑结构的fγ-MImax值为47 Hz±10 Hz 显著低于环形拓扑结构的三角形刺激的62 Hz±10 Hz(F =3．352，P ＜0．05)以及圆环刺激的70 Hz±10 Hz(F=2．864，P ＜0．05)．

4 结论

提出了采用小波变换多分辨率分析与功率谱相结合的方法确定γ 频带的范围，并在此基础上研究了γ 振荡对简单图形拓扑特征的选择特性．

(1)LE 大鼠在麻醉状态下受到视觉刺激时其V1 区发生γ 振荡现象的频率为25 ～105 Hz，大鼠个体的差异约为10 Hz．

(2)具有十字形拓扑结构的视觉刺激相比较环形拓扑结构而言更容易诱发V1 区的响应，γ 频带的响应潜伏期要比后者少0．2 ～0．3 s．

(3)LE 大鼠V1 区LFP-γ 频带与刺激序列的互信息对刺激图形的拓扑特征具有明显的选择特性．十字形简单图形刺激下，互信息曲线的平均值、最大值都显著高于同为环形拓扑结构的三角形刺激与圆环刺激． 拓扑等价的圆环和三角形刺激下互信息曲线的特征具有一定的相似性，同时也存在微小的差异，三角形刺激序列要比圆环刺激序列更容易诱发大鼠的响应．

［1］ XING Da-jun，YEN Chun-I． Spatial spread of the local field potential and its laminar variation in visual cortex［J］． The Journal of Neuroscience，2009，29(37):11540 -11549．

［2］ BUZSAKI G． Theta oscillations in the hippocampus［J］．Neuron，2002，33:325 -340．

［3］ 杨文静，李奕，李葆明，等．多通道局部场电位时变频谱的同步模式及其对行为事件的编码［J］．生物物理学报，2010，26(3):225 -233．

［4］ KUKJIN K． LFP spectral peaks in V1 cortex:network resonance and cortico-cortical feedbacknetwork resonance and cortico-cortical feedback［J］． Comput Neurosci ，2010，29:495 -507．

［5］ FRIEN A，ECKHORN R，BAUER R，et al．Fast oscillations display sharper orientation tuning than slower components of the same recordings in striate cortex of the awake monkey［J］． Eur J Neurosci，2000，12:1453 -1465．

［6］ LOGOTHETIS N K，WANDELL B A． Interpreting the BOLD signal［J］． Rev Physiol，2004，66:735 -769．

［7］ RAY S，HSIAO S S，CRONE N E，et al． Effect of stimulus intensity on the spike-local field potential relationship in the secondary somatosensory cortex［J］．J Neurosci，2008，28(29):7334 -7343．

［8］ KATZNER S． Local origin of field potentials in visual cortex［J］． Neuron，2009，61:35 -41．

［9］ HENRI E A，SHAPLEY R． LFP power spectra in V1 cortex:The graded effect of stimulus contrast［J］． J Neurophysiol，2005，94:479 -490．

［10］ BURNS S P． Comparisons of the dynamics of local field potential and multiunit activity signals in macaque visual cortex［J］． The Journal of Neuroscience，2010 ，30(41):13739 -13749．

［11］ALEXANDER K． Local field potentials and spikes in the human medial-temporal lobe are selective to image category［J］． Journal of Cognitive Neuroscience，2007，19:1 -14．

［12］ ANDREI B． Low-frequency local field potentials and spikes in primary visual cortex convey independent visual information［J］． The Journal of Neuroscience，2008，28(22):5696 -5709．