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研究目的：发展了基于稀疏非负矩阵分解(Sparse Non-negative Matrix Factorization, SNMF)的稀疏编码和稀疏源分量的因果分析方法,研究SD大鼠工作记忆状态前额叶皮层(Prefrontal Cortex, PFC)多通道局部场电位(Local Field Potentials, LFPs)的0和γ频段的能量对工作记忆的编码,以及工作记忆状态LFPs及其稀疏源分量的功能连接特性,为研究工作记忆的编码和功能连接提供创新的思路和方法。研究方法：1.实验数据：本论文所用的实验数据为4只SD大鼠在Y迷宫工作记忆任务状态的PFC多通道LFPs,以及静息状态的PFC多通道LFPs。2.数据预处理：对原始记录的LFPs进行去工频干扰和去基线漂移等预处理。3. LFPs的短时傅里叶变换(Short-time Fourier Transform, STFT):应用STFT对预处理后的LFPs进行时频分析,获得LFPs的时频能量分布。4.应用SNMF对LFPs的时频能量分布进行稀疏分解,获得基矩阵A和稀疏源分量矩阵S。矩阵S的每一个行向量Si为时间序列。5. LFPs的θ和Y频段的能量对工作记忆的编码：根据稀疏源分量矩阵S的元素值确定工作记忆状态下LFPs能量集中的时间段,选取稀疏源分量能量在该时间段内明显增加的频段作为与工作记忆相关的稀疏源分量,应用SNMF逆变换,对工作记忆相关的稀疏源分量进行稀疏重构,获得与工作记忆相关的稀疏源分量的时频能量分布,根据时频能量分布计算于工作记忆相关的稀疏源分量的0和γ频段的能量。6.工作记忆状态LFPs及其稀疏源分量的功能连接：应用Granger因果分析,分别计算描述工作记忆状态和静息状态的LFPs及其稀疏源分量的因果关系的定量参数,包括：(1)因果密度(Causal Density, CD)计算每次LFPs及其稀疏源分量矩阵的因果密度值,为每只大鼠工作记忆状态的10次LFPs和10次稀疏源分量矩阵和静息状态的10次LFPs和10次稀疏源分量矩阵计算平均因果密度值,比较工作记忆状态和静息状态LFPs和稀疏源分量的功能连接。(2)因果流(Causal Flow, CF)计算LFPs的因果关系网络各节点的因果流值,由于LFPs的因果关系网络的节点与通道一一对应,为每只鼠工作记忆状态和静息状态各10次LFPs数据计算每个通道的平均因果流值,应用t检验,测定工作记忆状态和静息状态因果源(Causal Source)和因果汇(Causal Sink)对应的通道。计算每只大鼠每次试验稀疏源分量因果关系网络各节点的因果流值,对每一个节点进行因果源和因果汇的归类,应用稀疏重构,获得每一次数据因果源和因果汇的总时频能量分布,再计算10次数据因果源和因果汇的平均时频能量分布,从平均时频能量分布比较工作记忆状态和静息状态稀疏源分量功能连接的差异。研究结果：1. LFPs的0和γ频段的能量对工作记忆的编码：(1)大鼠在工作记忆任务过程中,LFPs能量在某特定时期会达到峰值,在能量最集中的1s时间段内工作记忆状态的0和γ频段的能量明显高于静息状态(t检验,p<0.01)。(2)在与工作记忆相关的稀疏源分量中,0频段能量显著大于γ频段的能量,而且两者都显著大于0(t检验,p<0.01)。2.工作记忆状态LFPs的功能连接：(1)因果密度第1号、第2号、第3号、第4号大鼠工作记忆状态LFPs的功能连接的因果密度值分别为：0.1467±0.0320、0.0971±0.0313、0.1721±0.0296、0.1496±0.0427；静息状态LFPs的功能连接的因果密度值分别为0.0353±0.0127、0.0462±0.0159、0.0784±0.0375、0.0904±0.0354。结果显示,工作记忆状态的因果密度值显著大于静息状态的因果密度值(t检验,p<0.01)。(2)因果流第1号大鼠工作记忆状态的因果源对应的通道有2个；因果汇对应的通道有6个。静息状态没有因果源；因果汇对应的通道有3个。第2号大鼠工作记忆状态的因果源对应的通道有2个；因果汇对应的通道有4个。静息状态因果源对应的通道有1个；因果汇对应的通道有2个。第3号大鼠工作记忆状态的因果源对应的通道有2个；因果汇对应的通道有4个。静息状态因果源对应的通道有4个；因果汇对应的通道有6个。第4号大鼠工作记忆状态的因果源对应的通道有3个；因果汇对应的通道有3个。静息状态因果源对应的通道有2个；因果汇对应的通道有3个。3.工作记忆状态稀疏源分量的功能连接：(1)因果密度第1号、第2号、第3号、第4号大鼠工作记忆状态稀疏源分量的的因果密度值分别为：0.2315±0.0452、0.1697±0.0331、0.1894±0.0360、0.2004±0.0485；静息状态稀疏源分量的因果密度值分别为：0.1456±0.0094、0.1177±0.0266、0.1098±0.0142、0.1423±0.0168。结果显示,工作记忆状态的因果密度值显著大于静息状态的因果密度值(t检验,p<0.01)。(2)因果流计算得到工作记忆状态和静息状态的因果源和因果汇的平均时频能量分布和频谱图,工作记忆状态稀疏源分量的因果关系网络的因果源的频率——幅值曲线波峰出现在0频段(4-12Hz),而且能量也主要集中在0频段上。结论：1. LFPs的0和Y频段能量的编码了大鼠工作记忆,0频段是编码大鼠工作记忆的主要频段。2.工作记忆状态大鼠LFPs和稀疏源分量的功能连接水平比静息状态高。3.工作记忆状态大鼠LFPs的稀疏源分量的功能连接水平比LFPs高。4.稀疏空间上工作记忆的能量编码和功能连接比原始空间上好。5. LFPs的0频段在大鼠工作记忆状态可能主要起着影响了其他频段的活动的作用。