基于多尺度融合的经颅磁刺激对学习记忆影响的机制研究

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has influence on the functions of learning and memory by invoking changes of neural excitability. However, the effects and mechanisms of TMS with various parameters are still not clear. In the project, SD rats with implanted micro-electrode arrays in the prefrontal cortex (PFC) and the hippocampus are treated by different parametric TMS. Then the local field potentials (LFPs) are recorded during Y maze learning and memory tasks. LFPs based complex networks are further established and analyzed to investigate the effects of TMS on learning and memory from the view of LFPs network connectivity patterns within and between PFC and hippocampus. Furthermore, from the perspective of ultrastructure morphological of synaptic plasticity, the alteration of synaptic transmission associated with learning and memory is investigated, and the regulation mechanism of neural function plasticity of learning and memory affected by magnetic stimulation is explored. Finally, the learning and memory related protein expression effected by TMS with different parameters is analyzed to explore the regulating effect of magnetic stimulation on related proteins..The project is looking forward to explore neural modulatory mechanisms using TMS with various parameters from the perspectives of behavior, electrophysiology, morphology and molecular biology, which has important academic value and application prospects.

经颅磁刺激（TMS）能够改变神经元兴奋性，进而影响中枢神经系统功能。学习记忆是重要的认知功能，若发生障碍，将对患者生活造成严重影响。TMS作用能改善学习记忆，但不同参数TMS作用效果和机理尚不明确。本项目拟制备不同参数TMS作用SD大鼠模型，以学习记忆相关脑区前额叶和海马为对象，基于在体多通道记录技术，获取大鼠Y迷宫学习记忆任务中多脑区局部场电位信号(LFPs)，构建LFPs网络，探索TMS作用对神经信息网络特征变化影响；基于突触形态超微结构，探索TMS作用对相关突触可塑性及传递效能的影响；基于学习记忆相关蛋白表达情况，探索TMS作用对蛋白表达的影响；基于行为-神经网络-突触可塑性-蛋白表达的多尺度融合，探索TMS作用对学习记忆功能影响的机制。本项目期望从行为学-电生理-形态学-分子生物学等多角度，研究不同参数TMS作用影响学习记忆的神经调节机制并取得突破，具有重要的学术价值和应用前景。

经颅磁刺激（TMS）技术作为一种神经调控技术在神经科学和疾病治疗等方面得到广泛应用，但其作用机制尚不明确。本项目从突触可塑性、蛋白表达、神经网络、行为学等多尺度研究了TMS对学习记忆的影响及调控机制。主要创新性工作如下：.1、将计算神经科学与非线性动力学相结合，构建电磁刺激作用下不同状态的神经元与神经网络模型，通过分析神经元的电磁特性及神经网络的动力学特性发现神经元在电磁刺激下的响应具有明显的状态依赖性，电磁作用可以实现对耦合神经网络同步性的调控，研究结果有助于揭示电磁作用下神经系统的响应机制，为磁刺激对学习记忆的影响提供理论支撑。.2、构建了膜片钳和在体光纤钙成像技术的微观电生理分析平台，研究TMS对小鼠神经元兴奋性、离子通道动力学特性、蛋白表达等影响。结果表明：高频rTMS能够增强颗粒细胞的神经兴奋性，有效上调BDNF-TrKB信号通路的蛋白表达水平，并能够显著改善年龄相关的认知障碍，从微观角度揭示TMS对认知功能的调控作用。.3、构建在体多通道神经元信息采集分析平台，从行为学、神经振荡同步及脑网络等多层次探究不同模式TMS对大鼠执行记忆任务时神经信号的时空特征及网络连接的调控作用。结果表明：高频rTMS和iTBS能够显著改善大鼠前额叶皮层θ和γ频段的神经振荡及网络连接，增强其信息交流能力，进而改善工作记忆，从介观层面揭示TMS对改善学习记忆相关神经网络的影响作用。.4、将脑电与TMS结合，通过脑电溯源和脑网络连接的特征分析，研究不同模式TMS对大脑神经元电活动的影响，发现iTBS对大脑神经活动的影响较为显著。在此基础上开展了TMS对帕金森疾病及阿尔茨海默患者学习记忆的临床试验研究，为磁刺激神经调控的临床应用提供参考。.5、项目执行期间，共发表论文35篇，已出版学术专著1部，正在编辑出版学术著作1部，申请专利8项，培养博士研究生6人，硕士研究生12人，青年教师4人；共主办学术会议10次，参加学术会议50余次。同时，项目研究成果推动了科研平台及学科建设发展。