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動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)的應用--γ震蕩波參與CRS模型抑郁樣行為自發(fā)緩解
更新時間:2019-07-02   點擊次數(shù):2270次

抑郁癥是常見的情緒障礙之一,許多研究表明抑郁癥影響不同腦區(qū)的功能,并且抑郁癥表現(xiàn)出的癥狀和神經(jīng)網(wǎng)絡傳遞紊亂有關。有趣的是,有一些抑郁癥患者在沒有任何治療的情況下會自發(fā)緩解。腦電(EEG)信號作為反映人或者動物大腦信號連接和傳遞直接的指標,并且腦內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡中功能連接異常的腦電數(shù)據(jù)作為抑郁癥治療的一個標志指標。      然而,功能連接性與抑郁癥的自發(fā)性緩解之間的關系仍知之甚少。同時關于抑郁癥自發(fā)緩解的神經(jīng)網(wǎng)絡信號傳遞的腦電研究至今未見報道。因此,今天分享一篇來自BMC Neuroscience上的研究論文,該研究的亮點是利用行為學和嚙齒類動物EEG的互相驗證,證明抑郁癥自發(fā)緩解的電生理機制

 

目前研究中關于抑郁癥的模型有很多,如學習無助模型(Learned helplessness),慢性不可預測性應激模型(chronic unpredictable mild stress),社會挫敗應激模型(social defeat stress),慢性束縛應激模型(chronic restraint stress)等等。理想的抑郁癥動物模型應該滿足三個共同點,那就是:(1)表面效度(face validity)應激能否引起動物出現(xiàn)抑郁樣行為變化,這是測定行為學實驗的理論基礎;(2)構造效度(construct validity),引起行為學的病因是否和抑郁癥患者一致;(3)預測效度(predictive validity),常見的抗抑郁劑能否逆轉因應激引起的抑郁樣表型的改變,這也是實驗設計陽性對照組的理論來源。每種模型都有其理論基礎,都已被證實過,模型成功與否,通過特定的行為學實驗檢測,常見的有高架十字迷宮實驗(檢測焦慮),曠場實驗(檢測運動活動,和探索能力),強迫游泳實驗(大鼠和小鼠,放棄行為)和懸尾實驗(小鼠,放棄行為),以及測學習記憶的水迷宮實驗,和社交活動的社會交互實驗。諾達思信息技術有限責任公司專注行為學研究20余年,自主研發(fā)的動物運動軌跡追蹤系統(tǒng)Ethovison可以追蹤平面或者三維空間的任何運動軌跡,在特定實驗要求的宮體環(huán)境下,可以自動識別全自動追蹤,進行以上所有的實驗。

 

同時現(xiàn)代科學研究表明,人的大腦在工作時,會自發(fā)性產(chǎn)生電化學反應,這些生理活動以腦電流形式表現(xiàn)出來。在腦電研究中發(fā)現(xiàn),腦電波有不同的波段,不同的波段有不同的意義γ神經(jīng)震蕩是一種高頻波,頻率在30-100HZ之間,存在于動物和人類大腦的各個區(qū)域,如嗅球,丘腦,體感皮層和海馬等部位,在各個尺度上都能被檢測到。

 

文章中作者利用CRS1周或3周誘導的小鼠抑郁模型的EEG信號來分別研究左右兩個半腦前額葉皮層、體感皮層、頂葉皮層和視覺皮層的八個腦區(qū)的神經(jīng)網(wǎng)絡腦活動。利用Ethovision軟件(Noldus Information Technology, Wageningen, Netherlands)對行為數(shù)據(jù)進行自動記錄與分析,集合EEG數(shù)據(jù)互相驗證結果。所有的結果如下:

 

1. CRS誘導的行為異常在CRS后時期(3周)自發(fā)恢復。在1周(CRS1W組)和3周(CRS3W組)(圖1A)后,進行強迫游泳實驗(FST)和曠場實驗(OFT)。FST中,CRS1 W組與對照組相比顯著升高(191.76±6.27 vs. 155.82±6.20s,p<0.05,圖1b),而CRS3W組的不動時間(144.40±10.83s)恢復至對照組水平。在OFT中,CRS1W組與對照組相比移動距離小(2929.67±115.75 vs. 3415.68±113.16s;Mann-Whitney U-test p<0.05,圖1c),中心區(qū)停留時間短(42.67±3.39 vs. 84.42±12.26s;Mann-Whitney U-test p<0.05,圖1d)。然而,CRS3 W組移動距離(3664.45±278.77s)(圖1c)和中心區(qū)停留時間(77.65±10.76s)(圖1d)恢復至對照組水平。

 

圖1 抑郁樣行為的自發(fā)恢復

 

2. CRS1W組和CRS3W8個腦區(qū)中記錄腦電信號,并分析區(qū)域腦電活動(圖2a),對左右半腦區(qū)進行交叉相關性分析(圖2b),結果表明與對照組相比,CRS1W組在許多不同區(qū)域的所有頻帶相關系數(shù)值都增加(圖2c)。但是在CRS3W組中,對照組與CRS1W組之間觀察到的δ和γ頻帶的所有差異都檢測不到了(圖2C)。這就說明了經(jīng)過了3周后的CRS3 W組,部分神經(jīng)連接中斷的功能已恢復正常。

 

圖2 交叉相關性分析

 

3.下來,使用多尺度神經(jīng)網(wǎng)絡分析法,做腦網(wǎng)絡的持續(xù)性同源分析,在網(wǎng)絡層面上研究腦電信號傳遞。單聯(lián)矩陣表明,與對照組相比,CRS1W組在不同頻帶的腦電波上存在功能性距離減小,這表明了CRS1W組中的功能連接性增加。CRS1W組中θ,α和β帶的減少距離在CRS3W組中沒有恢復。但是令人興奮的是對照組和CRS3W組之間的γ頻帶的差異消失了(圖3a)。這就說明了經(jīng)過了3周后的CRS3 W組,γ頻帶的腦電波和行為自發(fā)緩解有關系。

 

4. 知道了行為自發(fā)緩解與γ頻帶的腦電波有關系后還不夠,還要做后一步驗證網(wǎng)絡信號傳輸。利用γ震蕩波產(chǎn)生的進化神經(jīng)網(wǎng)絡編碼和層次聚類圖進行驗證,CRS1W(ε=0.6827)比對照組(ε=0.6971)有更低的終過濾值,表明神經(jīng)網(wǎng)絡整體連通性增加。然而,CRS3W組中的神經(jīng)網(wǎng)絡進化明顯恢復至對照組水平,并且兩組中的終過濾值相似CRS3W,ε=0.7000)(圖3b)。

 

子網(wǎng)絡層次聚類的樹狀圖結果表明:CRS1W組軀體感覺與額葉皮質(zhì)之間的功能距離明顯減小,而CRS3W組則不明顯。圖中線的顏色表示,每個連接的組件到所有區(qū)域都連在一起的終組件的距離(圖3c)。

 

在大腦連接網(wǎng)絡圖中,CRS1W組的體感和額葉皮層在ε=0.55時子神經(jīng)網(wǎng)絡的聯(lián)系消失了。在ε=0.75時,CRS1W組與對照組相比,體感皮質(zhì)與額葉皮質(zhì)之間的功能距離減?。üδ苓B接性增加),CRS3W組恢復正常。不同的顏色條代表功能距離的不同強度(圖d)。

 

圖3 利用持久網(wǎng)絡拓撲結構研究γ頻帶的神經(jīng)網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)

 

后得出結論:雙線性相關和多尺度腦網(wǎng)絡的γ振蕩參與抑郁相關行為的自發(fā)緩解,并且這些γ振蕩的信號與體感和額葉皮質(zhì)之間的功能網(wǎng)絡連接相關。參與γ振蕩的神經(jīng)元高精度同步調(diào)節(jié)它們的放電,給予時間整合。因此,γ振蕩促進神經(jīng)元之間的通訊連接,并在皮層整合和知覺/認知中發(fā)揮關鍵作用,為抑郁癥的病理生理機制提供新的研究思路。

 

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