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研究目的抑郁症是常见的情绪障碍类疾病,严重影响患者正常生活并危害其身心健康。已有的研究表明前额叶皮层(prefrontal cortex,PFC)和杏仁核(amygdala)是抑郁的责任脑区,利用脑网络分析的方法有助于进一步了解抑郁病发的潜在机理。旷场实验(open field test)是研究动物探索行为的经典实验,也是评价动物抑郁状态的常用方法之一。以正常大鼠执行旷场探索任务时的内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex,mPFC)和基底外侧杏仁核(basolateral amygdala,BLA)局部场电位(local field potentials,LFPs)为研究对象,基于频域格兰杰(Granger)因果分析,分别构建内侧前额叶皮层和基底外侧杏仁核LFP网络,计算网络连接强度定量表征内侧前额叶皮层和基底外侧杏仁核神经活动;构建内侧前额叶-基底外侧杏仁核(mPFC-BLA)网络,计算信息流(information flow,IF)定量表征mPFC-BLA神经环路活动,研究正常大鼠探索行为的脑网络机制和信息传递机制,进而为抑郁的探索行为障碍神经环路机制研究提供支持。研究方法1.实验动物:6只雄性SD大鼠,SPF级,2-3月龄,体重280-330 g。2.将16通道微电极阵列分别植入到大鼠的mPFC和BLA两个脑区,记录大鼠在旷场自由探索10 min的mPFC和BLA神经电信号。使用巴特沃斯(Butterworth)低通滤波器(0.3-120 Hz)对原始神经电信号进行滤波,获得16通道LFPs。采用基线拟合和50Hz陷波器的方法去除LFPs信号中运动噪声等造成的基线漂移和工频干扰。3.应用实验动物行为学分析软件(Ethovision XT 8.5)解析大鼠旷场实验中的运动轨迹,定义大鼠从旷场边缘区走向中央区为一试次旷场探索任务(持续10s),以旷场探索任务中的LFPs作为研究对象。4.使用短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)对旷场探索任务中记录到的LFPs作时频分析,提取与大鼠执行任务相关的能量密度特征频段。其中主要频段划分为delta(1-4 Hz),theta(4-12 Hz),beta(12-30Hz),low-gamma(30-70 Hz)和high-gamma(70-120 Hz)。5.根据Granger因果分析方法,计算定向传递函数(directed transfer function,DTF),分析大鼠执行旷场探索任务时mPFC和BLA的LFPs,计算LFPs全频段的DTF值,绘制DTF-频率关系曲线,根据曲线确定旷场探索任务中mPFC、BLA和mPFC-BLA的网络特征频段。6.计算大鼠在旷场边缘区和中央区特征频段的DTF矩阵,分别构建mPFC-LFP网络和BLA-LFP网络,计算大鼠执行旷场探索任务时的LFP网络连接强度,定量表征mPFC和BLA的神经活动。7.构建mPFC-BLA特征频段网络,计算mPFC和BLA之间的双向信息流,表征mPFC到BLA,以及BLA到mPFC信息传递。8.统计学分析:使用t检验方法,统计比较大鼠在中央区和边缘区,其LFP网络特征频段的网络连接强度DTFmean,以及mPFC-BLA网络两个方向信息流。研究结果1.大鼠旷场探索行为学结果:6只大鼠在旷场实验中探索行为学数据:进入中央区的次数为6.167±0.703次;进入中央区的持续时间为43.78±3.9 s,占总时间的7.3±0.7%;进入中央区域的移动距离为430.1±56.2 cm,占移动总距离的18.8±1.1%。2.大鼠在旷场探索任务中的LFPs特征分量:1大鼠在旷场探索任务时mPFC和BLA的LFPs能量密度主要集中在theta(4-12 Hz)频段。2对mPFC-LPFs的时频分析发现,边缘区theta频段能量密度高于中央区。大鼠从旷场边缘区进入中央区时,theta频段能量密度降低。3对BLA-LPFs的时频分析发现,边缘区theta频段能量密度高于中央区。大鼠从旷场边缘区进入中央区时,theta频段能量密度降低。3.大鼠旷场探索任务时mPFC-LFPs、BLA-LFPs和mPFC-BLA网络的DTF特征频段:1计算大鼠旷场探索任务中mPFC-LFPs全频段的DTF值,发现theta频段最高,确定特征频段为theta频段。2计算大鼠旷场探索任务中BLA-LFPs全频段的DTF值,发现theta频段最高,确定特征频段为theta频段。3计算大鼠旷场探索任务中mPFC-BLA网络全频段的DTF值,发现theta频段最高,确定特征频段为theta频段。4.mPFC和BLA的LFP-theta网络因果连接强度:1 mPFC:旷场探索任务中theta频段边缘区的平均网络连接强度DTFmean为0.0245±0.0009,中央区的平均网络连接强度DTFmean为0.0180±0.0007,边缘区大于中央区,具有显著性差异(P<0.001)。2 BLA:旷场探索任务中theta频段边缘区的平均网络连接强度DTFmean为0.0265±0.0009,中央区的平均网络连接强度DTFmean为0.0176±0.0007,边缘区大于中央区,具有显著性差异(P<0.001)。5.mPFC-BLA双向信息流(theta频段):1 mPFC和BLA之间两个方向信息流峰值均在旷场探索任务中行为学参考点RP之前。2旷场探索任务中BLA到mPFC信息流0.0396±0.0008显著大于mPFC到BLA信息流0.0098±0.0009(P<0.001)。研究结论1.探索行为学结果表明正常大鼠在旷场中处于正常探索活动水平。2.大鼠执行旷场探索任务时,mPFC和BLA神经振荡的特征频段均为theta频段,且mPFC-theta和BLA-theta能量密度变化趋势相同,均在边缘区较强,中央区较弱。提示theta能量密度减小会使大鼠增加对中央区的探索。3.大鼠在旷场探索任务中mPFC和BLA两个脑区LFP网络的特征频段均为theta频段,且theta网络连接强度变化趋势相同,均在边缘区较高,进入中央区时减小。提示theta网络连接强度减小会使大鼠增加对中央区的探索。4.旷场探索任务中mPFC-BLA网络特征频段为theta频段,且mPFC和BLA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旷场探索任务行为学参考点,从BLA到mPFC的信息传递显著大于mPFC到BLA的信息传递。提示从BLA到mPFC方向是大鼠执行旷场探索任务时mPFC-BLA网络信息流的主要方向。