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研究目的工作记忆(Working Memory,WM)是重要的认知功能之一,当工作记忆负载增加到容量极限时,行为学错误增加。为什么达到容量极限以后工作记忆功能下降是神经科学关注的重要问题。本论文从神经信号因果连接的角度,以健康受试者在不同工作记忆负载下的因果连接为研究对象,研究当工作记忆负载增加,直至容量极限时,多通道脑电(multi-channel electroencephalographs,EEGs)因果连接的变化规律,为研究工作记忆容量极限的脑网络机制提供支持。研究方法1.实验数据:16名健康受试者,年龄在19-30岁,分别记录每名受试者在视觉工作记忆模式下负载从1到6的32通道EEGs和工作记忆行为学数据,每个工作记忆负载下16名受试者共208次实验数据。2.工作记忆行为学的分析:16名受试者在工作记忆负载1-6的反应时间、正确率,计算工作记忆容量极限。3.数据预处理:去除原始EEGs中的基线漂移、工频干扰、垂直和水平眼电造成的伪迹等。4.时频与空间分布分析:应用短时傅里叶变换对每个通道EEG进行时频分析,研究工作记忆的关键通道和特征频段。提取特征频段分量。计算特征频段能量的空间分布。5.计算工作记忆EEGsθ频段的定向传递函数(directed transform function,DTF):基于多变量频域Granger因果分析方法,分别计算16名受试者在工作记忆负载为1-6时工作记忆任务中,EEGsθ频段分量的定向传递函数DTF。6.构建因果网络,计算因果连接强度:基于DTF矩阵构建的因果网络,计算全脑的因果连接强度(DTFglobal);计算3个脑区(额区、中央区、顶区)内部、3个脑区之间的因果连接强度;计算因果连接强度的空间分布。7.统计学分析:采用单因素方差分析方法,分析工作记忆负载1-6下16名受试者的208次实验结果之间的差异,组间两两比较采用Student Newwan Keuls检验。研究结果1.工作记忆负载1-6的行为学结果工作记忆负载1到6的反应时间分别为:388.04±13.26 ms、476.99±6.89 ms、566.99±16.42 ms、643.08±9.69 ms、725.59±39.03 ms、803.48±29.78 ms(p<0.001)。工作记忆负载1到6的行为正确率分别为:97.78±0.94%、96.95±1.11%、95.77±0.51%、95.83±1.48%、85.56±2.17%、83.75±2.13%(p<0.001)。16名受试者的平均工作记忆容量极限为4.13±0.15。2.工作记忆负载1-6的EEGs时频与能量的空间分布在工作记忆延迟阶段,EEGs的能量主要集中于θ频段(4-8 Hz),主要集中于额叶,θ频段的能量会随着工作记忆负载从1到4而增加,负载从4到6而趋于平稳。3.工作记忆负载1-6的EEGsθ频段的因果连接3.1因果矩阵当工作记忆负载从1增加到4时,额-顶区和额区内部的因果连接增强,当工作记忆负载超过容量极限,从4到6时,因果连接减弱。3.2因果连接强度全脑的因果连接强度DTFglobal:工作记忆负载从1到6分别为0.0136±0.0007、0.0143±0.0005、0.0148±0.0004、0.0154±0.0004、0.0144±0.0006、0.0135±0.0005(p<0.001),工作记忆负载从1到4时,DTFglobal增加,在工作记忆负载为4时达到最大,工作记忆负载从4到6时,DTFglobal减小。额区内部的因果连接强度DTFFF:工作记忆负载从1到6分别为0.0182±0.0021、0.0197±0.0018、0.0213±0.0018、0.0276±0.0029、0.0236±0.0022、0.0236±0.0023(p<0.001),工作记忆负载从1到4时,DTFFF增加,在工作记忆负载为4时达到最大,工作记忆负载从4到6时,DTFFF减小。当工作记忆负载从1增加到6时,中央区、顶区内部的因果连接强度DTFCC、DTFPP均无显著变化(p>0.05)。工作记忆负载从1到6时额区到中央区、额区到顶区的因果连接强度(DTFCF、DTFPF)。DTFCF:工作记忆负载从1到6分别为0.0147±0.0017、0.0148±0.0019、0.0155±0.0017、0.0195±0.0025、0.0174±0.0019、0.0169±0.0018(p<0.001)。DTFPF:工作记忆负载从1到6分别为0.0112±0.0018、0.0128±0.0019、0.0136±0.0020、0.0186±0.0024、0.0156±0.0020、0.0153±0.0018(p<0.001)。DTFCF、DTFPF呈现出相同的趋势:在工作记忆负载从1到4时增加,在工作记忆负载为4时达到最大,在工作记忆负载从4到6时减小。3.3因果连接的空间分布:最强的因果连接主要集中于额叶中线区(Fz通道),且会随着工作记忆负载改变。结论1.从行为学结果计算,工作记忆容量极限为4,负载从4开始,行为学正确率显著下降。2.工作记忆的特征频段为θ频段,θ频段能量分布的关键脑区为额区。3.工作记忆EEGsθ频段在额区、额区到顶区之间存在明显的因果连接;工作记忆负载从1到4时因果连接增强,在容量极限达到最大值,当工作记忆负载超过容量极限时因果连接下降。因此,在达到容量极限以后,神经信号的DTF下降,网络的连接下降是工作记忆行为学错误增加的机制。