工作记忆编码腹侧海马和内侧前额叶皮层局部场电位信号的相位同步分析

徐佳伟， 刘迢迢， 郑旭媛， 白文文， 田心， 徐新宇

(天津医科大学生物医学工程与技术学院， 天津 300070)

工作记忆(working memory，WM)是一系列复杂认知功能的基础，是对信息进行暂时编码、存储和提取的系统[1]。工作记忆可以分为3个信息处理过程，编码是将外界的信息进行表征形成记忆的过程，是工作记忆信息处理的最初阶段[2]。啮齿动物的研究表明，腹侧海马(ventral hippocampus，vHPC)和内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex，mPFC)是工作记忆编码的重要脑区[3-4]，现研究工作记忆编码vHPC和mPFC的相互作用机制。

神经振荡是促进大脑协调活动的重要机制[5]。神经元集群同步的、周期性的波动变化可以通过局部场电位(local field potential，LFP)进行记录。神经振荡包含频率、相位和振幅3个特征参数。然而，已有的研究主要集中在了振幅的相干性分析[6]、振幅和频率的联系[7]以及不同频率之间的耦合关系[8-9]，忽略了相位在认知活动中的作用。近年来，不断有研究发现，相位在任务信息的处理中发挥了重要的作用。Schyns等[10]利用互信息梳理了神经振荡的振幅、相位和频率3个参数在视觉信息编码中的不同贡献，发现相位比振幅编码更多的视觉信息，而且不同角度的相位与不同的视觉信息编码相关联。Zielinski 等[11]通过尖峰信号(spike)解码大鼠在迷宫中的空间位置信息时发现，结合theta振荡的相位信息进行解码显著地提高了解码的准确性。Oever等[12]在解码工作记忆内容和表现时发现，theta/delta频率范围内的相位调节了解码的准确性。这些研究突出了相位在脑区间信息协同处理中的作用。

神经信息的处理可以看作是在认知活动中由神经元集群活动所表示的信息变化。由于神经元的多样性和神经系统的复杂性，神经元集群之间主要以弱耦合的形式进行相互作用，很难实现完全同步。在这种情况下，相位信息就显得尤为重要[13]。神经振荡的相位决定神经元的兴奋程度，并影响集群中神经元的精确放电活动[14]。相位同步分析可以检测微弱的耦合作用，有助于揭示相位对认知过程中脑区间信息协同处理的作用[15-17]。加权相位滞后指数(weighted phase lag index，WPLI)是一种改进后的相位同步算法[18]，对于噪声具有更好的鲁棒性。现以大鼠在静息状态和执行Y迷宫工作记忆任务时vHPC和mPFC的LFPs为研究对象，计算两个脑区LFPs之间的WPLI值，分析两个脑区的相位耦合作用。研究相位在工作记忆编码vHPC和mPFC之间信息协同处理中的作用，为深入了解工作记忆信息协同处理机制提供支持。

1 方法

1.1 实验数据

实验数据来自津医科大学神经工程实验室，该数据记录了6只SD大鼠执行Y迷宫工作记忆任务期间和静息状态下腹侧海马和内侧前额叶皮层各16通道的局部场电位信号。

1.1.1 Y迷宫延迟交替选择任务

Y迷宫延迟交替选择任务是啮齿类动物典型的空间工作记忆范式，常用于工作记忆的测试[19]。如图1所示，Y迷宫由3条臂组成，每条臂与其他两条臂的夹角均为120°。竖直臂为起始臂，其在接近中央位置处设有一个红外线检测器，用于记录大鼠的工作记忆行为学参考点(reference point，RP)。剩下的两条臂为目标臂，其末端各有一个食槽可供大鼠获取食物奖励(reward，R)。行为学的每次实验包括自由选择、延迟和交替选择3个阶段，分别对应工作记忆的编码、存储和提取3个阶段。自由选择阶段：大鼠从起始位置出发，自由选择进入目标臂中的一个，均可获得食物奖励，大鼠吃完食物奖励后返回起始位置。延迟阶段：大鼠返回起始位置后，在起始位置等待5 s。交替选择阶段：大鼠再次从起始位置出发，然后选择进入一个目标臂，当选择进入与自由选择阶段相反的目标臂时，可以获得食物奖励，则本次实验为行为学正确，如图1(a)所示；当选择进入与自由选择阶段相同的目标臂时，不能获得食物奖励，则本次实验为行为学错误，如图1(b)所示。

图1 Y迷宫工作记忆行为学范式Fig.1 Schematic of the working memory task in Y-maze

1.1.2 数据的选取

选取了静息状态以及图1(a)中自由选择阶段的数据进行了相位同步性分析，共包含6只大鼠300次行为学正确和300次静息状态的有效实验数据。数据的采样频率为2 000 Hz。在获取符合条件的LFPs后，进行了0.5～250 Hz的带通滤波，之后进行了去除基线漂移和50 Hz工频干扰的数据预处理。以行为学参考点作为时间零点，每次实验截取保留了-1.5～1.5 s共3 s的数据进行后续的计算分析。

1.2 加权相位滞后指数

在n次实验中，从vHPC的通道x和mPFC的通道y中获取的数据为x(τ)=[x1(τ),x2(τ),…,xn(τ)]和y(τ)=[y1(τ),y2(τ),…,yn(τ)]。通道x和通道y之间WPLI的计算公式为

(1)

式(1)中：I(·)为取虚部；Ci(t,f)为第i次实验的数据xi(τ)和yi(τ)之间的交叉谱，t为时频数据的时间，f为时频数据的频率，τ为原数据的时间。

(2)

信号a(τ)的短时傅里叶变换公式为

(3)

式(3)中：a(τ)为信号xi(τ)和yi(τ)；h(τ)为汉明窗函数。根据每次实验保留的数据长度选取计算STFT的窗口长度为250 ms，窗口移动步长为50 ms，频率分辨率为1 Hz。

WPLI的取值范围为0～1。如果一个信号的瞬时相位一致地超前或滞后于另一个信号的瞬时相位，则认为相位是锁定的，WPLI=1；如果两个信号的相位超前或滞后关系是随机的，则WPLI将是低的。如果两个信号之间没有相位差，则WPLI=0。WPLI值越高，表明两个信号之间的相位同步性越高。

对0.5～100 Hz的频率范围进行了不同频段的划分，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个频段。随后分别计算了这5个频段的WPLI，然后进行了统计分析。

1.3 统计学分析

使用SPSS 19.0软件对WPLI的结果进行了双因素方差分析，双因素分别为组别因素(行为学正确与静息状态)和频段因素，两两之间的统计比较进行了Bonferroni法检验水平的校正。所有结果以均值±标准误的形式表示。统计学差异用P值表示：*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001。

2 结果

2.1 WPLI的时频分析

图2为一只大鼠静息状态和正确执行工作记忆任务编码阶段的WPLI时频结果示例，图中颜色从蓝色到红色表示WPLI值由低到高，红色表明vHPC和mPFC之间存在强烈的相位同步，白色虚线为行为学参考点。如图2(a)所示，在行为学参考点前0.5 s左右WPLI出现了峰值，峰值出现的频段为theta频段，而图2(b)中则没有出现明显的WPLI峰值。图2的结果表明在正确执行工作记忆任务的编码阶段，vHPC和mPFC之间的相位同步选择性地增强，而theta频段是这种相位同步主要发生的频率范围。

图2 一只大鼠行为学正确和静息状态的WPLI时频结果Fig.2 Time frequency of WPLI in correct behavioral performance and rest state of one rat

随后对6只大鼠在theta频段的WPLI进行了平均，得到如图3所示的WPLI随时间变化的曲线。图3中蓝色曲线为正确执行工作记忆任务编码阶段的WPLI曲线，黑色曲线为静息状态下的WPLI曲线，阴影部分表示6只大鼠WPLI的标准误。可以看出，在行为学参考点前0.5 s左右[(-0.483±0.045) s]，正确执行工作记忆任务的编码阶段，theta频段WPLI出现了一个明显的峰值(0.206±0.061)，而静息状态下的WPLI则没有明显峰值的出现，表明theta频段相位的同步增强可能是工作记忆编码阶段信息处理的一个作用机制。

图3 6只大鼠theta频段平均的WPLI曲线Fig.3 Curves of WPLI averaged in 6 rats in theta band

2.2 WPLI的统计分析

对于行为学参考点前1 s至行为学零点这段时间的WPLI按照不同的频段和不同的行为状态分别进行了计算，然后进行了统计分析，统计结果如图4和图5所示。如图4所示，在静息状态下，各频段的WPLI之间没有显著性差异(n.s.)，而在正确执行工作记忆任务的编码阶段，theta频段的WPLI(0.107±0.013)显著高于其他各频段的WPLI(P<0.001)，而其他频段的WPLI之间没有显著性的差异。图5为正确执行工作记忆任务的编码阶段和静息状态的各频段的WPLI统计比较。结果显示在正确执行工作记忆任务的编码阶段，theta频段的WPLI(0.107±0.013)与静息状态下的WPLI(0.052±0.004)相比显著性升高(P<0.001)，而其他各频段之间均没有显著性的差异(n.s.)。

以上的结果显示WPLI的显著性升高只出现于正确执行工作记忆任务的编码阶段，且仅限于theta频段，而出现的位置在行为学参考点前0.5 s左右。这表明vHPC和mPFC之间theta频段的相位同步增强是工作记忆编码阶段任务信息处理的一种作用机制。

***P<0.001图4 行为学正确和静息状态不同频段WPLI的比较Fig.4 Comparison of WPLI between different frequency bands under correct behavioral performance and rest state

***P<0.001图5 不同频段下行为学正确与静息状态WPLI的比较Fig.5 Comparison of WPLI between correct behavioral performance and rest state in different frequency bands

3 讨论

相位同步是不同脑区之间进行动态交互的重要方式[20]，相位同步分析有助于揭示工作记忆的机制。传统的相位同步分析方法，如锁相值等容易受到噪声的影响，从而导致虚假的估计结果。加权相位滞后指数是一种改进后的相位同步分析方法，对噪声具有更好的鲁棒性，灵敏度高，能够很好地反映相位同步的真实变化，被广泛用于脑电图[21](electroencephalogram，EEG)和脑磁图[22](magnetoencephalography，MEG)的分析中。将WPLI应用于LFPs中，分析工作记忆编码的vHPC和mPFC之间的相位同步，为工作记忆研究提供新的思路。

大脑是一个弱耦合作用的系统[13]，具有高度动态性。研究表明，不同频段的神经振荡与不同的认知过程有关。基于WPLI对6只大鼠在工作记忆编码阶段和静息状态下的相位耦合作用进行了时频分析，发现在行为学参考点前，vHPC和mPFC在theta频段出现WPLI峰值，而静息状态下没有强烈的相位耦合作用。O’Neill等研究发现vHPC和mPFC的theta振荡受到空间工作记忆任务的调节，并且两个脑区之间的theta振荡显著地相干。Liu等[6]研究表明大鼠只有在正确执行工作记忆任务时，vHPC和mPFC的theta振荡才存在显著的相关性。许多研究都表明，海马和前额叶皮层之间的相互作用是工作记忆的重要机制[23-26]，本研究的结果进一步支持了该观点。vHPC和mPFC之间存在单突触直接连接[27]，Spellman等[4]通过光遗传技术抑制该回路的通信发现，只有在编码阶段进行光抑制才会导致空间工作记忆表现受损，表明空间工作记忆编码需要vHPC和mPFC的协同作用。与该发现一致，本研究发现在工作记忆编码阶段，vHPC和mPFC的theta相位同步增强。

此外，研究发现在工作记忆编码阶段，vHPC和mPFC的theta振荡和gamma振荡均存在较强的相干性[28]。然而，上述的研究主要是基于神经振荡的振幅展开的线性分析。振幅反映了脑区局部的变化，相较而言，相位更能反映脑区之间的协同交流，并且包含了更多信号动态变化的特征。通过相位同步分析发现，vHPC和mPFC的theta相位同步在工作记忆编码阶段增强，表明相位和振幅可能反映了不同的功能机制。因此，对神经振荡的相位进行分析为研究工作记忆机制提供了新的见解。

LFPs反映了电极附近的神经元集群的放电活动，而记忆的本质是神经元网络的同步放电活动。在同步的神经元网络中，振荡相位决定神经元的兴奋程度，并影响网络中细胞的精确放电时间[14]。不同脑区之间的相位关系会影响这些区域神经元放电的相对时间。相位同步可以通过使多个突触输入同时到达突触后神经元来支持神经通信。这种一致的突触输入使快速去极化得以发生，使突触后膜电位增加到放电阈值以上，导致神经元的放电活动。此外，相位同步还为两个或多个大脑区域之间的最佳通信提供了时间窗口[14]。而海马和前额叶皮质之间的theta相位同步可能在适合的时间窗内诱导海马可塑性，导致神经元集群同步放电从而对刺激信息进行编码。一项对颅内EEG的研究表明，新的、意想不到的信息会增加海马和前额叶皮层之间的theta相位同步，并且这种theta相位同步的增加与成功的记忆形成有关[16]。此外，研究表明啮齿动物海马的位置细胞以一种相位进动的方式对空间位置信息进行编码[29]，而这种编码机制是由theta振荡的相位所介导的。Zielinski等[11]研究表明，theta振荡介导大鼠海马和前额叶皮层的神经元集群对动物当前空间位置信息的协同编码。本研究发现，在接近Y迷宫的分支点时，vHPC和mPFC之间的theta相位同步显著性升高，表明theta相位同步可能是介导两个脑区协同编码空间位置信息的一种机制。

综上所述，海马和前额叶皮层之间的相位同步反映了两个脑区之间的远程通信。在工作记忆编码阶段，vHPC和mPFC之间的theta相位同步在行为学参考点前增强，这可能与大鼠对特殊空间位置信息的编码有关。而theta振荡的相位在其中发挥了重要作用。Liu等[6]和Xia等[23]研究发现，在正确执行空间工作记忆任务中，海马的活动引导前额叶皮层的活动。然而，本研究无法对两个脑区相位耦合作用的方向进行分析，需要进一步的定向连通性分析加以确定。

4结论

正确执行工作记忆任务需要正确的信息编码作为支持，而静息状态下不涉及对信息的编码。基于加权相位滞后指数，对比信息编码正确和静息(不编码)两个状态下vHPC和mPFC多通道LFPs的相位同步性，阐明了工作记忆编码两个脑区theta振荡同步机制。结果发现，工作记忆编码阶段vHPC和mPFC之间的theta相位同步在行为学参考点前增强，而静息状态下则没有。研究表明，这种theta相位同步的增强与工作记忆的信息编码相关，其可能促进vHPC和mPFC协同编码工作记忆信息。因此，theta相位同步是工作记忆编码的一个重要机制。