基于深部经颅磁刺激的局部场电位特征分析及网络调控机制研究

Magnetic stimulation has wide spread application value and prospect in the field of brain cognition, brain-behavior relations research and various neurologic and psychiatric disorders rehabilitation. However, the mechanism of neuromodulation based on magnetic stimulation is still an unsolved scientific problem at present. In this project, the magnetic stimulation is combined with multi-channel recording of electrophysiological methodto investigate the electronic activity of nervous system and explore modulatory mechanism of brain network. Deep transcranial magnetic stimulation (dTMS) is used to stimulate the whole brain region of rats at various frequency, intensity and duration of action and implantable microelectrode arrays in vivo are used to record the local field potentials of 16 channelsin rats’ brain.The modulation mechanisms of neural excitability, inhibition and neuroplasticity are explored by analyzing the time-frequency feature and nonlinear dynamic of LFPs, as well as studying the brain connectivity.The project is looking forward to provide supports for further investigations on the neuromodulatory mechanisms of transcranial magnetic stimulation, which has important theoretical significances and application prospects.

磁刺激在探索大脑高级认知功能、脑与行为间的关系及神经精神疾病临床康复领域展示出非常有潜力的应用价值，但其调节大脑神经的作用机制仍是尚未解决的科学问题。本项目将磁刺激与多通道电生理记录技术相结合，研究磁刺激作用下的脑神经电活动特征与网络调控机制。主要采用深部经颅磁刺激(dTMS)实现对全脑域及脑深部组织刺激，以磁场作用下的模型鼠和对照组大鼠为研究对象，应用在体植入式微电极阵列记录技术，记录大鼠在不同频率、不同强度、不同作用时间刺激下的16通道局部场电位(LFPs)，分析LFPs的时频特性、非线性动力学特性、复杂网络特性等，研究模型组与对照组大鼠的LFPs信号特征，构建动态脑网络连接，探索非侵入性神经调控技术dTMS作用对大脑神经兴奋性与可塑性的调控机制，为深入了解磁刺激对脑活动的调节机制提供依据。.本项目期望在dTMS对神经调节作用机制探索方面取得突破，具有重要的研究意义和应用前景。

磁刺激在探索大脑高级认知功能、脑与行为间的关系及神经精神疾病临床康复领域展示出非常有潜力的应用价值，但其调节大脑神经的作用机制仍是尚未解决的科学问题。本项目以Wistar大鼠为研究对象，制备不同刺激频率的重复经颅磁刺激（rTMS）模型组，应用在体植入式微电极阵列记录技术，记录大鼠在磁刺激下的16通道局部场电位信号(LFPs)，从时频特征、频率编码以及网络协同编码等角度研究了不同参数rTMS刺激对大脑学习记忆相关神经的调节作用机制。研究结果表明：（1）大鼠每天的平均正确率随着训练时间的增加呈上升趋势，各组大鼠达到“学会”标准的训练天数差异具有统计学意义，rTMS组大鼠比Control组更早“学会”T迷宫任务规则；（2）大鼠达到“学会”标准后执行工作记忆任务经过选择点时，LFPs信号θ和γ频段的能量显著升高，rTMS组θ频段和γ频段能量都高于Control组，且15Hz的rTMS对提高大鼠θ频段和γ频段的能量效果最明显；（3）正确执行工作记忆任务时LFPs信号θ-γ调制指数明显高于错误执行，表明LFPs信号θ-γ协同编码与工作记忆任务中能否正确执行延时交替选择密切相关。高频rTMS增强了大鼠前额叶脑区LFPs信号的θ-γ耦合连接，提高了前额叶脑区的信息交流和传递效率，进而增强了前额叶中的神经元对执行工作记忆任务的协同编码作用；（4）高频rTMS作用能增强大鼠工作记忆过程中前额叶皮层神经元频率编码，同时改善大鼠工作记忆中LFPs-spike在θ和γ频段上的协同编码活动。且在一定程度上，rTMS频率越高对LFPs-spike两种模式信号的协同编码增强效果越好。项目按计划顺利完成了各项研究内容，共发表课题相关学术论文18篇，其中SCI检索期刊论文10篇。培养博士毕业1人，博士在读4人，硕士毕业3人，举办或承办相关学术会议6次，参加国内、外相关学术会议30余人次。