基于电压敏感染料光成像方法研究大脑皮层兴奋波传播特性

Recently, more and more evidences suggest the electrical activities in neuronal assembly of cerebral cortex demonstrate a special spatiotemporal organizational structure-propagating waves. Using voltage-sensitive dye optical imaging technique, we have recorded a large amount of spontaneous propagating wave data during different phases of rats sleeping. Preliminary analysis shows the speeds of propagating waves in different sleeping phases have statistical significance. In this project, we plan to apply more sophisticated data processing methods, like wavelet multi-scale analysis, singular value decomposition, coherence analysis, etc., to deeply investigate the propagating characteristics (velocity, amplitude, frequency, phase, spatial coherence, etc.) differences when cerebral cortex was in different states. We hope to find the relationship between propagating waves and functional states of cortex, which will be beneficial to understand how propagating waves involve in cortical information processing. Furthermore, this project has important clinical application prospects for the diagnosis and classification of neurological system diseases (like sleeping disorders).

近年来越来越多的证据表明：大脑皮层的神经元群体电活动呈现一种独特的时空组织结构-兴奋波。在前期预实验中利用电压敏感染料光成像技术在大鼠视皮层记录了不同睡眠时相自发产生的大量兴奋波数据，初步分析发现在不同睡眠时相记录到的兴奋波传播速度有统计差异。本项目拟采用小波多尺度分析、奇异值分解、相干分析等方法深入研究大脑皮层处于不同状态时所产生的兴奋波的不同传播特性，如传播速度、幅度特性、频率特性、相位特性、空间相干性等，以期能初步揭示兴奋波和大脑皮层的功能状态之间的联系，这不仅有助于理解兴奋波参与大脑皮层信息处理过程的可能机制，而且对神经系统疾病的诊断和分类（如睡眠失调等）有重要的临床应用价值。

电压敏感染料（voltage sensitive dye, VSD）光成像记录可以对神经系统活动进行多位点、同步的记录，是在介观尺度（mesoscopic scale）上研究群体神经元活动的一种实用技术。与人的睡眠分期类似，大鼠的睡眠也可以粗略分为2个时相：非快速眼动睡眠（non-rapid eye movement, NREM）时相、快速眼动睡眠（rapid eye movement, REM）时相，NREM期中的脑电节律以δ波为主，REM期脑电节律以θ波为主。NREM睡眠中的慢波振荡（δ波中频率低于1Hz的成分）和REM睡眠中的θ波都被证明在不同解剖位置上会有不同的时延或相位，即具有动态的时空特性，是逐渐传播的兴奋波模式。本项目分析了大鼠皮层兴奋波的传播速度和不同睡眠状态之间的关系，初步证实了REM睡眠时相下兴奋波的传播速度高于NREM睡眠时相下兴奋波的传播速度的设想，提示不同睡眠状态下兴奋波的发生可能起源于大脑的不同部位。本项目还研究了兴奋波的其它传播特性如幅度特性、相位特性、空间相干性等，探讨了兴奋波时空模式的分类，研究兴奋波参与大脑皮层信息处理的可能机制等。本项目建立和完善了VSD 光学成像数据的显示、分析和处理平台，提出基于多尺度主分量分析去除电压敏感染料光成像记录噪声的去噪算法，这些工作为后续电压敏感染料光成像数据的分析和处理打下一个很好的基础。本项目对不同睡眠时相及对应大脑皮层群体神经元活动特性的研究有助于揭示很多睡眠及神经系统相关疾病的病因及发病机制，为睡眠相关疾病的临床治疗及新药开发提供有益的理论支持。