研究目的工作记忆(Working Memory,WM)是重要的认知功能之一。海马和前额叶皮层是工作记忆的责任脑区,研究海马和前额叶皮层之间的信息传递是研究工作记忆机制的前沿问题。本研究以大鼠在Y迷宫中的工作记忆为研究对象,发展基于神经元集群编码的稀疏因果网络分析方法,构建海马-前额叶皮层动作电位稀疏因果网络,计算海马和前额叶皮层之间双向信息流,为研究工作记忆脑网络信息传递机制提供创新思路。研究方法1.实验动物:12-14周龄成年雄性SD大鼠,体重300-350g。2.大鼠在Y迷宫中的工作记忆行为学训练:Y迷宫延迟-交替选择任务,记录大鼠执行WM任务行为学的正确率和完成时间。3.实验数据:应用清醒动物在体微电极阵列记录技术,分别记录大鼠在(1)正确执行工作记忆任务,(2)错误执行工作记忆任务,(3)静息状态时,海马和前额叶皮层各16通道神经电活动;通过高通滤波(>500Hz)、阈值检测、锋电位分类,从原始记录信号中获取海马和前额叶皮层动作电位时空序列。4.基于神经元集群频率编码,构建动作电位稀疏空间。5.构建动作电位稀疏因果网络:应用极大似然估计因果分析方法,计算动作电位稀疏因果连接,分别构建海马、前额叶皮层、海马-前额叶皮层3个稀疏因果网络,分别计算每个稀疏因果网络的连接强度。6.计算海马-前额叶皮层稀疏因果网络双向信息流,表征海马到前额叶皮层,以及前额叶皮层到海马信息传递的大小。7.统计学分析:(1)应用单因素方差分析方法,分别统计分析:大鼠Y迷宫工作记忆训练过程中,工作记忆行为学指标在6天训练中的差异;在工作记忆过程中,海马因果网络连接强度随时间变化的差异;前额叶皮层因果网络连接强度随时间变化的差异;以及海马和前额叶皮层之间信息流随时间变化的差异。(2)应用配对t检验方法,分别统计比较:在工作记忆过程中,海马和前额叶皮层因果网络连接强度的差异;以及海马和前额叶皮层之间两个方向信息流的差异。(3)应用独立t检验方法,分别统计比较:海马和前额叶皮层之间信息流,在正确执行工作记忆任务和静息状态时的差异;以及在正确执行工作记忆任务和错误执行工作记忆任务时的差异。研究结果1.大鼠在Y迷宫中的工作记忆行为学指标:(1)正确率:大鼠在6天的工作记忆行为学训练中,工作记忆行为学正确率,从第1天的68.38±6.24%,逐天增加到第5天的92.22±2.45%和第6天的92.86±3.05%,达到“学会”工作记忆的标准。(2)完成时间:大鼠在6天的工作记忆行为学训练中,工作记忆行为学完成时间,从第1天的17.42±3.97s,逐天减小到第6天的3.07±0.23s。2.构建动作电位稀疏空间:6只大鼠分别获得海马16、21、18、19、19、17个神经元的动作电位和前额叶皮层15、17、21、21、15、18个神经元的动作电位;在海马和前额叶皮层各募集了5个神经元的动作电位构建稀疏空间。3.工作记忆过程中海马和前额叶皮层动作电位的稀疏因果网络连接强度:(1)海马和前额叶皮层稀疏因果网络连接强度峰值均在工作记忆行为学参考点RP之前。(2)工作记忆海马稀疏因果网络连接强度显著大于前额叶皮层,且海马稀疏因果连接强度峰值时刻点显著先于前额叶皮层(P<0.05)。4.工作记忆过程中海马-前额叶皮层稀疏因果网络的信息流:(1)海马和前额叶皮层之间两个方向信息流峰值均在工作记忆行为学参考点RP之前。(2)工作记忆海马到前额叶皮层信息流显著大于前额叶皮层到海马信息流,且海马到前额叶皮层信息流峰值时刻点显著先于前额叶皮层到海马信息流(P<0.05)。5.正确执行工作记忆任务时海马和前额叶皮层之间两个方向信息流均显著大于静息状态和错误执行工作记忆任务时(P<0.05)。研究结论1.工作记忆的脑网络机制:工作记忆海马和前额叶皮层均存在神经信息(动作电位)网络,网络连接强度的峰值先于工作记忆行为学参考点,且海马网络连接强度显著大于前额叶皮层网络连接强度,提示:工作记忆的海马和前额叶皮层脑网络机制,海马网络是大鼠(啮齿类)工作记忆的主要脑网络。2.工作记忆的信息传递机制:工作记忆海马和前额叶皮层两个脑区之间存在以信息流表征的信息双向传递,信息传递的峰值先于工作记忆行为学参考点,且从海马到前额叶皮层的信息传递显著大于从前额叶皮层到海马的信息传递,提示:工作记忆的海马-前额叶皮层信息传递机制,从海马到前额叶皮层方向的信息传递可能是大鼠(啮齿类)工作记忆信息传递的主要方向。3.海马-前额叶皮层之间的信息传递对工作记忆的必要性:正确执行工作记忆任务时海马和前额叶皮层之间两个方向的信息流显著大于错误执行工作记忆任务和静息状态时的信息流,提示:海马和前额叶皮层之间的信息传递对工作记忆是必要的。