基于动态因果模型的睡眠剥夺对大鼠工作记忆影响的研究

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睡眠是维系生命相关生理过程的重要环节,而如今睡眠不足逐渐成为人群中普遍存在的现象。研究表明,睡眠不足可能会对生物体的工作记忆(WM)等认知功能造成负面影响,但其具体神经生理机制仍有待进一步探索,而从脑网络角度分析脑区以及脑区之间的连通作用方式,能够更全面地体现出脑内神经信息的传输。因此,本论文拟应用动态因果模型(DCM)算法,从WM相关脑区神经信号连接特征变化的角度,探索睡眠剥夺(SD)对大鼠WM功能的影响及其相关机制。主要研究内容如下:应用在体神经信号记录技术,在大鼠执行T迷宫WM任务过程中,同步采集WM主要责任脑区腹侧海马(v HPC)和内侧前额叶皮层(m PFC)的局部场电位(LFPs)信号;采用轻柔刺激的方式制备SD动物模型;对经过SD后的大鼠,继续T迷宫任务,同步采集LFPs信号。应用DCM算法,基于LFPs信号构建WM任务中v HPC-m PFC、v HPC内部、m PFC内部的DCM基本模型,并应用贝叶斯估计进行模型选择。结果显示两脑区之间及其各自内部均存在双向的有效连接。随后,从脑区间神经信息传递的角度研究了SD对WM的影响。对SD前后WM任务中v HPC-m PFC间有效连接的变化进行分析。结果显示,SD前大鼠正确执行WM任务时,选择阶段中v HPC-m PFC间的有效连接强度高于起始阶段,错误执行时则较低;SD后WM任务中,选择阶段中的有效连接强度低于起始阶段;此外,SD后WM起始阶段与选择阶段中有效连接强度均低于SD前。表明选择阶段中海马和前额叶皮层之间的信息传递在WM任务的正确执行中发挥了重要作用,而SD不仅抑制了WM任务选择阶段v HPC-m PFC间连接增强的趋势,还使WM任务中起始阶段和选择阶段v HPC-m PFC间的连接强度均低于SD前。最后,从v HPC、m PFC脑区内信息传递的角度研究了SD对WM的影响。对比了SD前后,WM对应任务阶段中v HPC和m PFC内部连接特性的变化。结果显示,SD后两个脑区内起始阶段与选择阶段的连接强度均低于SD前。研究结果表明,SD作用会使大鼠T迷宫WM功能检测任务的正确率降低,对WM功能造成负面影响。相关神经信息传递机制可能是:SD作用使WM功能相关脑区海马、前额叶皮层内部及之间的连接强度降低,从而影响了神经信息的有效传递。本研究在一定程度上为揭示SD作用影响WM等认知功能的机制提供了理论依据,并有望为发展SD负面影响的对抗方法提供新的思路。
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