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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,工作记忆障碍(Working Memory Dysfunction,WMD)是老年性痴呆,又称阿尔兹海默病(Alzheimer’s Disease,AD)的主要临床表现。研究改善老年性痴呆工作记忆障碍的方法及机制具有重要的科学意义和临床应用价值。重复经颅磁刺激(repetitive Transcranial Magnetic Stimulation,r TMS)是一类无创的神经调控技术,目前国内外已有大量文献报道高频r TMS能够增强工作记忆功能,然而低频r TMS能否提高工作记忆功能是神经调控研究领域关注的热点。据此,本论文从工作记忆行为学、局部场电位(Local Field Potentials,LFPs)的gamma振荡和网络功能连接三个层次,研究低频r TMS对正常对照组和WMD组大鼠工作记忆的调控作用及其脑网络连接增强机制,为应用低频r TMS改善老年性痴呆的工作记忆障碍提供理论研究和方法学上的支持。研究方法1.动物分组:2.5月龄雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠随机分为4组:正常对照组(Con)、正常对照施加r TMS刺激组(Con+r TMS)、工作记忆障碍组(WMD)、工作记忆障碍施加r TMS组(WMD+r TMS)。2.工作记忆障碍组大鼠的制备和筛选:在大鼠双侧海马注射孵育36h的Aβ1-425μl,通过大鼠在Y迷宫中的工作记忆行为学实验筛选工作记忆障碍大鼠。3.对Con+r TMS组和WMD+r TMS组大鼠施加低频r TMS:低频r TMS(1Hz)连续进行14天,每日1次,每次400个脉冲刺激。4.大鼠在Y迷宫中的工作记忆行为学分析:记录分析4组大鼠在Y迷宫中工作记忆行为学结果:行为学正确率和从起始点到终点所需的完成时间。5.大鼠工作记忆过程中前额叶皮层16通道LFPs的获取:应用清醒动物在体植入式微电极阵列记录技术记录4组大鼠在Y迷宫工作记忆过程中前额叶皮层神经电活动信号,应用500Hz低通滤波获得16通道LFPs,进行预处理。6.工作记忆gamma振荡分析:应用短时傅里叶变换计算4组大鼠工作记忆gamma频段的时频分布,应用时变频谱相干计算4组大鼠工作记忆gamma频段的相干系数,从能量密度和频谱相干两方面描述工作记忆gamma振荡的特征模式。7.工作记忆gamma网络的功能连接分析:应用Granger因果分析方法计算4组大鼠在工作记忆gamma频段的定向传递函数(directed transfer function,DTF),分析工作记忆gamma网络的功能连接特性。研究结果1.Y迷宫工作记忆行为学结果:以工作记忆行为学正确率为反应大鼠工作记忆行为学能力的主要指标,4组大鼠在Y迷宫工作记忆的行为学正确率分别为:WMD组73.98±1.66%、WMD+r TMS组83.13±2.98%、Con组92.20±1.99%、Con+r TMS组97.75±1.13%,其中WMD组较Con组显著降低,Con+r TMS组较Con组显著提高,WMD+r TMS组较WMD组显著提高。2.基于时频分布和频谱相干的工作记忆gamma振荡分析结果:时频分析结果显示,工作记忆过程中Con组大鼠LFPs的gamma频段能量先增大后减小,在行为学参考点前0.5s左右达到最大,峰值前后1s内平均能量密度为16.8257±0.5149μV2/Hz。WMD组大鼠LFPs的gamma频段能量密度在工作记忆过程中变化不大,平均能量密度为5.8569±0.4134μV2/Hz,显著低于Con组。Con+r TMS组的能量密度变化趋势与Con组类似,平均能量密度为20.0425±0.4369μV2/Hz,显著高于Con组。WMD+r TMS组的能量密度变化趋势同样Con组类似,平均能量密度为8.5434±0.4320μV2/Hz,显著高于WMD组。频谱相干分析结果显示,工作记忆过程中Con组大鼠LFPs在gamma频段的频谱相干先增大后减小,在行为学参考点前0.5s左右达到最大,峰值前后1s平均相干系数为0.5281±0.0183。WMD组大鼠LFPs在gamma频段的频谱相干在工作记忆过程中变化不大,平均相干系数0.3217±0.0212,显著低于Con组。Con+r TMS组的频谱相干变化趋势与Con组类似,平均相干系数0.6018±0.0168,显著高于Con组。WMD+r TMS组的频谱相干变化趋势同样Con组类似,平均相干系数0.4658±0.0179,显著高于WMD组。3.工作记忆gamma网络的功能连接结果:工作记忆过程中Con组大鼠gamma网络的功能连接先增大后减小,在行为学参考点前1.2s左右达到最大,峰值前后1s内的平均DTF为0.0905±0.0029。WMD组大鼠gamma网络的功能连接在工作记忆过程中变化不大,平均DTF为0.0631±0.0040,显著低于Con组。Con+r TMS组gamma网络的功能连接在行为学参考点前1.2s左右达到最大,平均DTF为0.1025±0.0032,显著高于Con组。WMD+r TMS组gamma网络的功能连接同样在行为学参考点前1.2s左右最大,平均DTF为0.0832±0.0023,显著高于WMD组。结论1.大鼠海马内Aβ沉积会导致大鼠工作记忆障碍:WMD组比Con组在Y迷宫中工作记忆的行为学能力降低:正确率降低、完成时间增加,工作记忆gamma振荡的缺失,以及工作记忆障碍的gamma网络连接缺损机制。2.低频r TMS提高正常对照组大鼠的工作记忆功能:Con+r TMS组比Con组工作记忆行为学能力提高:正确率提高,gamma振荡的增强,以及低频r TMS增强正常对照组gamma网络功能连接的机制。3.低频r TMS提高WMD组大鼠的工作记忆功能:WMD+r TMS组比WMD组工作记忆行为学能力提高:正确率提高、完成时间降低,gamma振荡增强,以及低频r TMS增强WMD组gamma网络功能连接的机制。