经颅磁声电刺激对大鼠工作记忆局部场电位gamma节律的影响

张 帅 党君武 焦立鹏 武健康 王艺潇 徐桂芝＃

1(河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130)

2(河北工业大学天津市生物电工与智能健康重点实验室，天津 300130)

引言

大脑的认知是人或动物从外界获得信息、由大脑对信息加工处理及运用的过程，包括感觉、学习、记忆、思考等多种活动[1]。其中，记忆的形成与巩固是各种高级认知活动的基础，在个体的生存和发展中发挥不同的作用[2]。工作记忆(working memory，WM)是大脑为完成某种任务操作而暂时性存储和处理信息，以用于后续复杂决策的认知行为过程，是动物行动计划、思维和决策等认知功能的基础[3]。

局部场电位(local field potentials，LFPs)是电极附近神经元兴奋性或抑制性突触后电位的总和，可以记录大脑周期性的振荡神经活动[4-5]，反映神经元集群的规则化、同步化情况[6]。目前，在人类、非灵长类动物中发现的与记忆相关的神经振荡频段主要集中在theta(4～8 Hz)、alpha(8～13 Hz)、beta(13～30 Hz)和gamma(>30 Hz)[7-8]。其中，gamma节律参与认知、注意力和记忆等大脑的高级功能[9]，被认为是执行认知与记忆功能的黄金节律，在工作记忆的提取、形成中发挥关键作用[10]。阿尔兹海默病、精神分裂症等神经精神疾病与认知、行为等功能异常有关，患者常表现出记忆功能障碍、gamma 节律紊乱等症状[11]。

经颅磁声电刺激(transcranial magneto- acousticelectrical stimulation，TMAES)是一种新型无创的神经调控技术，利用静磁场与超声的耦合效应，在神经组织中产生感应电流，进而影响相应脑区的神经活动，具有较高的空间分辨率和穿透深度[12]。经颅磁声电刺激的概念最早源于Stephen J Norton 2003年提出的在磁场作用下通过超声传播刺激皮质组织的方法[13]。袁毅基于不同神经元模型，分别讨论经颅磁声刺激中不同刺激参数对神经元放电节律、放电频率适应性以及神经元去同步的影响[14-17]。有学者通过动物实验发现，磁声耦合刺激能有效调节小鼠海马黑质神经，提高其突触可塑性，提高小鼠的学习记忆、运动能力[18-20]。张帅等发现，低频率、脉冲超声的经颅磁声电刺激能显著提高神经元集群的兴奋性，且超声参数的改变对LFPs 功率谱和神经元锋电位的平均发放率产生重要影响[12，21]。

以上研究证明了TMAES 调节神经电活动的有效性，但关于TMAES 如何参与调节大脑功能的神经电生理机制尚不清楚。因此，针对不同的刺激条件，研究TMAES 对大脑神经节律的影响，对进一步探索其神经作用机制具有重要意义。通过在体多通道微电极，可采集到清醒动物在认知过程中相应脑区的神经电信号。结合时频分析和互信息法，对工作记忆任务中的LFPs 信号进行分析，能够反映记忆相关脑区神经元集群的同步化放电活动以及神经元之间的信息交互情况，多角度、深层次地揭示大脑的神经振荡机制和认知加工过程。

本课题旨在研究TMAES 对大鼠工作记忆中神经元集群gamma 节律振荡活动的影响，以健康成年Wistar 大鼠为研究对象，将其随机分为刺激组和对照组，应用在体多通道微电极记录技术，采集两组大鼠在正确执行T 迷宫任务期间前额叶皮层的LFPs 信号，比较分析不同刺激参数的TMAES 对大鼠行为学、神经电生理信号能量以及通道间信号相关性的影响，为深入探究TMAES 对认知、注意、记忆等大脑高级功能的调控提供重要参考。

1 材料和方法

1.1 实验动物与材料

选择20 只健康成年雄性Wistar 大鼠，6～8 周龄，体重230～250 g，SPF 级，购自北京华阜康生物科技股份有限公司，许可证号SCXK(京)2020－0004。实验期间饲养于河北工业大学动物实验室，饲养环境保持恒温24℃、恒湿50 %，食物与水自由获取。准备10 %水合氯醛溶液、精细剪、精细镊、义齿基托树脂粉、义齿基托树脂液、棉球、双氧水、消毒酒精等实验用品。

1.2 实验设备

经颅磁声电刺激实验设备:磁铁、超声换能器(P20FG，汕头超声电子，中国)、任意波形发生器(33500B Series，Keysight，美国)、射频功率放大器(Model 150A100C，AR，美 国)、数 字 示 波 器(TDS3014，Tektronix，美国)等。动物实验相关设备:在体多通道神经信号采集系统(Plexon，美国)、脑立体定位仪(51670，Stoelting，美国)、16 通道植入式微电极阵列(HKP，美国)、电动颅骨钻(68605，中国)、动物麻醉机(MSS-35，上海任谊生物科技，中国)、手术显微镜、T 型迷宫等。

1.3 实验方法

1.3.1 微电极阵列植入手术

术前对实验大鼠腹腔注射戊巴比妥钠(300 mg/kg)麻醉，待大鼠完全麻醉后置于脑立体定位仪，将两根耳杆插入大鼠耳道，以固定头部。去除大鼠头皮等组织，参考Wistar 大鼠脑立体定位图谱，使用电动颅骨钻在前额叶皮层区域上方(以前囟为原点，向前2.5～4.5 mm，向右旁0.2～1.0 mm)开一个2.0 mm×0.8 mm 矩形窗，利用精密电动推进器以0.02 mm/min 速度，向下推进微电极阵列至深度2.5～3.0 mm 的位置。在微电极阵列植入过程中，对大鼠神经元电活动信号进行持续监控。待电极到达目标脑区后，用牙科水泥固定电极，并做消毒处理。术后饲养大鼠一周左右，使其恢复。实验所用微电极阵列由16 根直径为35 μm镍铬合金丝组成，电极以2×8 的方式排布，如图1所示。

图1 微电极阵列排布示意图Fig.1 Diagram of microelectrode array arrangement

1.3.2 经颅磁声电刺激实验

将术后恢复良好的20 只Wistar 雄性大鼠随机分为对照组和刺激组，其中对照组8 只，不进行刺激。刺激实验开始前使用4.0%浓度的异氟烷对大鼠诱导麻醉，在将大鼠固定于与麻醉机相连的固定架后，改用1.0%浓度的异氟烷，待大鼠进入稳定的轻度麻醉状态时，开始刺激实验。如图2所示，在刺激过程中，将大鼠置于脑立体定位仪，动物麻醉机提供混合氧气，磁铁分别位于大鼠两侧，超声探头贴合大鼠头皮，由波形发生器和功率放大器产生超声波，经超声换能器进入大鼠脑部前额叶皮层。在实验中，所用磁铁的参数分别为0.05、0.10、0.15 T。超声刺激参数:基频为500 kHz，基波幅值分别为0.1、0.2、0.5、0.8、1.0 V，空间峰值脉冲平均强度Isppa分别为1.33、2.66、6.65、10.64、13.33 W/cm2，基波周期数NC/p 为100，脉冲重复频率PRF 为1.0 kHz，脉冲重复个数NTB 为100，脉冲超声序列参数之间的关系如图3所示。每只大鼠每天刺激2 次，每次刺激时长为1.0 min，两次刺激实验间隔8～10 h，持续10 d[18]。每次刺激结束后，待大鼠从麻醉状态清醒，恢复正常，再进行工作记忆行为学训练实验。

图2 经颅磁声电刺激实验Fig.2 Transcranial magneto-acoustic-electrical stimulation experiment

图3 脉冲超声序列参数之间的关系Fig.3 The relationship between parameters of pulsed ultrasonic sequence

1.3.3 工作记忆行为学实验

T 型迷宫实验是评价大鼠工作记忆能力的常用实验方法之一[22]。图4所示为T 型迷宫，实验迷宫的径长略长于两臂，有两个可上下移动的挡板可限制大鼠活动。实验迷宫的具体参数:纵向长度为90 cm，横向长度为85 cm，高度为20 cm，臂宽为15 cm。

图4 T 型迷宫示意Fig.4 Schematic diagram of T maze

在T 型迷宫训练任务开始前，安排大鼠适应迷宫，允许大鼠自由探索迷宫的各处，每天2 次，每次约30 min；适应3 d 后，将大鼠放置于T 型迷宫起始位置A 点，同时在B、C 位置放入奖励食物，打开挡板，任由大鼠到达B 或C 点，获得一次食物奖励，待其进食后重新回到起始位置A 点，关闭挡板；经5 s延迟时间后，打开挡板，再次让大鼠进行选择，到达B 或C 点，无论是否获得食物，都将回到A 点。大鼠的两次选择构成一次完整的工作记忆训练任务:若两次的选择方向不同，即大鼠两次得到食物奖励，则认为该次训练任务成功；反之，则认为该次训练任务失败。每只大鼠每天进行两组T 型迷宫工作记忆训练实验，每组包含25 次训练过程。当大鼠执行工作记忆训练任务的正确率连续3 d 不低于80%时，则认为其“学会”，达到工作记忆行为学训练要求。

1.4 信号采集与预处理

在大鼠行为学实验开始前，将大鼠头部的微电极阵列与多通道神经电生理信号采集系统连接，实时采集并记录训练过程中大鼠前额叶皮层的神经电信号。原始数据采样频率为40.0 kHz，神经电信号采样频率为1.0 kHz，获取的信号经0.3～300 Hz低通滤波得到原始的16 通道LFPs 数据。

受系统设备的影响以及信号本身的特点，所获得的LFPs 信号中噪声比较明显、信号波动性大，因此需要对原始LFPs 信号进行预处理。首先使用陷波滤波的方法去除50 Hz 工频干扰，然后应用曲线拟合方法去除基线漂移，最后利用带通滤波的方法提取与记忆相关的gamma 频段(30～80 Hz)分量。

1.5 数据分析

1.5.1 时频分析

短时傅里叶变换是最常用的时频分析方法之一，通过使用移动窗函数来计算不同时刻的时频信息。对于随时间变化的时域信号x(t) ∈L2(R)，L2(R) 是有限能量信号空间，该信号不同时刻的短时傅里叶变换(short time fourier transform，STFT)的集合STFTx(t，Ω) 为

式中，Ω表示相对连续信号的角频率，τ表示信号的输入时刻，t表示信号时间，窗函数g(τ) 应该选取对称的实函数，满足gt，Ω(τ)＝g(τ－ t)ejΩτ，而且‖gt，Ω(τ)‖＝1。

对式(1)两边分别取幅度的平方，有

式中，Sx(t，Ω) 是对应时域信号x(t) 的谱图，反映了信号能量随时间、频率的分布。

从预处理后的LFPs 信号中，截取经过选择点位置前后0.5 s(共1.0 s)的LFPs 数据，每组获取200 段16 通道的实验数据，运用式(2)计算每一通道的时频能量分布，将每组16 通道的时频分析结果进行叠加平均，得到每组大鼠gamma 频段的平均能量时频分布。时频能量分布反映了经过选择点位置前后大鼠gamma 频段信号的能量在时间、频率上的动态变化特性，以及不同刺激参数的经颅磁声电刺激对大鼠前额叶皮层神经元集群的作用。

1.5.2 互信息分析

局部场电位信号记录了大脑周期性的神经振荡活动，但非平稳性较强，使时频分析所得的结果有限。互信息法(mutual information，MI)作为一种常见的非线性分析方法，通过检测概率分布的差别来度量两个信号之间的统计相关性，既可以对信号间的线性或非线性关系进行评估，又可以衡量信号间的相互作用和信息传输的动态特性[23]。

互信息的概念源于自信息论[24-25]，以信息熵为基础，任意一个随机变量X＝{x1，x1，…，xn}的信息熵可表示为

式中，pX(xi) 表示xi出现的概率(i＝1，2，…，n，且

联合熵用来衡量两个随机变量含有的信息量之和。对于两个随机变量X和Y，其联合熵表示为

其互信息熵定义为

式中，PX(x)、PY(y) 分别为随机变量X、Y相互独立时的边缘概率分布，PX，Y(x，y) 为其联合概率分布。

互信息熵与信息熵、联合熵的关系为

从预处理后的LFPs 信号中，截取经过选择点位置前后0.5 s(共1.0 s)的LFPs 数据，每组获取200 段16 通道实验数据；考虑到实际中某些通道采集的信号包含噪声较多、信号幅值偏低等，去掉其中的1、8、9、13 通道，运用式(3)～(6)，计算其余12 通道LFPs 信号的信息熵和任意两通道间信号的互信息熵；将每组200 段互信息值计算结果进行叠加平均，得到各组大鼠gamma 频段12 通道信号间的平均互信息值矩阵图。互信息值反映了LFPs 信号振荡活动的强弱，由此可以判断刺激后大鼠电极周围神经元集群之间的信息交流和传递情况。

1.5.3 统计学分析

实验数据以均值±标准差(±s)形式表示。首先，采用Minitab18 软件对大鼠的行为学数据进行配对t检验，对比刺激组与对照组大鼠行为学的差异性；然后，根据时频分析与互信息分析结果，以组别为因素，分别对不同参数刺激组与对照组大鼠的时频能量值、互信息值作单因素方差分析，对比不同参数刺激组与对照组数据之间的差异性。当P<0.05 时，表示差异性显著。

2 结果

2.1 工作记忆行为学结果

统计实验中两组大鼠在每日训练任务中的正确率，以确定达到“学会”标准的天数。根据统计数据，对照组大鼠达到正确率标准的时间为(10.65±2.32)d，刺激组大鼠达到正确率标准的时间为(7.57±0.99)d。统计学分析结果显示，刺激组大鼠早于对照组大鼠达到“学会”标准(P<0.05)。

2.2 时频分析结果

图5所示为不同超声强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段LFPs 信号的平均时频分布。由图可见，在经过选择点位置前后，对照组时频能量主要分布在0～0.2、0.8～1.0 s 时间段的低gamma 频段(30～40 Hz)，能量值维持在较低水平；刺激组中除1.33 W/cm2组与对照组能量分布差异较小外，其他2.66～13.33 W/cm2这4 组的gamma 频段LFPs 信号能量整体上均高于对照组的相应值，gamma 节律能量主要集中在0.2～0.4 s、0.6～0.8 s 时间段的低gamma 频段；随着超声强度的增加，高gamma 频段(60～80 Hz)也出现能量连续、集中分布的情况，尤其在超声强度为10.64 和13.33 W/cm2时较为明显。Gamma 节律与工作记忆认知功能的实现密切相关，其中低gamma 节律(25～55 Hz)、高gamma 节律(65～100 Hz)分别参与工作记忆的提取与形成过程[10]。以上结果表明，经颅磁声电刺激能够促进大鼠在行为选择过程中相关记忆信息的提取与编码。

图5 不同超声强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段的平均时频分布。(a)对照组；(b)1.33 W/cm2 组；(c)2.66 W/cm2 组；(d)6.65 W/cm2 组；(e)10.64 W/cm2 组；(f)13.33 W/cm2 组Fig.5 Mean time-frequency distribution in gamma band of rats stimulated by different ultrasonic intensities and control groups.(a) The control group；(b) The group with 1.33 W/cm2；(c) The group with 2.66 W/cm2；(d)The group with 6.65 W/cm2；(e) The group with 10.64 W/cm2；(f) The group with 13.33 W/cm2

将不同超声强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段的时频能量进行叠加平均，得到表1所示选择点位置前后0.5 s 内的平均时频能量值。对照组大鼠gamma 频段的平均能量值为(2.034±0.706)×10－3mV2，刺激组大鼠gamma 频段的能量值分别为(2.225±0.936)、(4.291±2.688)、(5.726±2.757)、(14.866±5.277)、(26.085±12.625)×10－3mV2。统计学分析结果显示，1.33 W/cm2组大鼠gamma 频段LFPs 信号的平均能量值与对照组大鼠的相应值无显著性差异(P>0.05)，而其他刺激组大鼠LFPs信号中gamma 频段的平均能量值均明显高于对照组大鼠的相应值(P<0.05)，具有显著性差异，且随着超声强度的增加，时频能量值呈现不断增加的趋势。

表1 不同超声强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段的平均时频能量值Tab.1 The average time-frequency energy values of gamma band in different ultrasound intensity stimulation group and control group rats

图6所示为不同磁场强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段LFPs 信号的平均时频分布。由图可见，在行为选择过程中，对照组大鼠gamma 频段能量较为分散地分布于30～40 Hz 频段，能量峰值出现在0.2 和0.9 s 附近；刺激组中0.05 T 组与对照组能量分布整体差异较小，能量峰值出现在0.3 和0.6 s 附近；0.10 和0.15 T 组大鼠LFPs 信号的gamma 频段能量整体上高于对照组与0.05 T 组的相应值，gamma 节律能量较为集中地分布在0.2 和0.8 s 时刻附近的低gamma 频段；在0.15 T 刺激组的高gamma 频段，能量也呈现较为连续集中的分布。

图6 不同磁场强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段的平均时频分布。(a)对照组；(b)0.05 T 组；(c)0.10 T组；(d)0.15 T 组Fig.6 Mean time-frequency distribution in gamma band of rats stimulated by different magnetic field intensities and control group.(a) The control group；(b) The group with 0.05 T；(c) The group with 0.10 T；(d) The group with 0.15 T

将不同磁场强度刺激组、对照组大鼠gamma 频段的时频能量进行平均，得到经过选择点位置前后0.5 s 内的平均时频能量值(单位为10－3mV2)，如表2所示。对照组大鼠gamma 频段的平均能量值为(2.034±0.706)×10－3mV2，刺激组大鼠gamma 频段的平均能量值分别为(2.225±0.936)×10－3、(5.478±2.265)×10－3、(15.255±6.637)×10－3mV2。统计学分析结果显示，0.05 T 刺激组大鼠gamma 频段LFPs 信号的平均能量值与对照组大鼠的相应值无显著性差异(P>0.05)，而0.10、0.15 T 组大鼠gamma 频段LFPs 信号的平均能量值明显高于对照组大鼠的相应值(P<0.05)，具有显著性差异，且随着磁场强度的增加，时频能量值呈现不断增加的趋势。

表2 不同磁场强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段的平均时频能量值Tab.2 Average time-frequency energy of gamma band in different magnetic field intensity stimulation group and control group rats

2.3 互信息分析结果

图7所示为不同超声强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段12 通道信号间的平均互信息值矩阵。横纵坐标表示12 个通道，每个方框表示两个通道间的平均互信息值，对角线为通道自身与自身间的平均互信息值，将其设置为0，颜色深浅代表平均互信息值的大小，颜色越深表示平均互信息值越大，反之则表示越小。将以上各组大鼠gamma 频段12 通道信号间的平均互信息值叠加平均，得到如表3所示的不同超声强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段12 通道信号的平均互信息值。

从图7、表3中可以看出，在经过选择点位置前后，对照组大鼠gamma 频段12 通道信号间的平均互信息值整体较低，大多在0.2～0.3 之间，通道间的相关性较弱；刺激组中除1.33 W/cm2组与对照组差异较小外，其他4 组的平均互信息值均大于对照组的值，较多通道间互信息值超过0.5，尤其以6.65、10.64、13.33 W/cm2组与对照组间差异较为显著(P<0.05)；在2.66～13.33 W/cm2组中，随着超声强度的增加，12 通道信号的平均互信息值变大，信号间相关性变强，尤其以1、2、3、7、9 这5 个通道间的变化最为明显。此外，空间位置上相邻的电极间平均互信息值明显高于非相邻电极间的平均互信息值，信号间相关性更强，在10.64 W/cm2组中非相邻电极间的平均互信息值也出现显著增加。

表3 不同超声强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段12 通道信号的平均互信息值Tab.3 The average mutual information values of gamma-band 12-channel signal in rats of different ultrasonic intensity stimulation groups and the control group

图7 不同超声强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段12 通道信号间平均互信息值矩阵图。(a)对照组；(b)1.33 W/cm2 组；(c)2.66 W/cm2 组；(d)6.65 W/cm2 组；(e)10.64 W/cm2 组；(f)13.33 W/cm2 组Fig.7 The matrix of the mean mutual information value between the gamma band channels of rats stimulated by different ultrasonic intensities and the control group.(a) The control group；(b) The group with 1.33 W/cm2；(c) The group with 2.66 W/cm2；(d) The group with 6.65 W/cm2；(e) The group with 10.64 W/cm2；(f) The group with 13.33 W/cm2

图8、表4所示分别为不同磁场强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段12 通道信号间的平均互信息值矩阵图，以及对应12 通道的平均互信息值。从图8、表4中可以看出，对照组大鼠gamma 频段12通道信号间的平均互信息值整体较低，0.05 T 组大鼠gamma 频段12 通道信号间的平均互信息值与对照组的差异性较小，不存在明显差异(P>0.05)；0.10 T 组、0.15 T 两组信号间平均互信息值较高，明显大于对照组(P<0.05)，通道间的相关性更强；随着磁场强度的增加，通道信号间的平均互信息值出现明显增加，信号间相关性增强，以1～3、4～6、7～9相邻通道信号间的变化最为明显；在磁场强度为0.15 T 时，相邻、非相邻电极信号间的平均互信息值均出现较为明显的增加。

表4 不同磁场强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段12通道信号的平均互信息值Tab.4 The average mutual information values of gammaband 12-channel signal in rats of different magnetic intensity stimulation groups and control group

图8 不同磁场强度刺激组和对照组大鼠gamma 频段12 通道信号间平均互信息值矩阵图。(a)对照组；(b)0.05 T 组；(c)0.10 T 组；(d)0.15 T 组Fig.8 The matrix of the mean mutual information between the gamma band channels of rats stimulated by different magnetic field intensities and the control group.(a) The control group；(b) The group with 0.05 T；(c) The group with 0.10 T；(d) The group with 0.15 T

3 讨论

大鼠工作记忆行为学数据表明，相较于未接受刺激的正常大鼠，接受经颅磁声电刺激的大鼠能够更快地达到“学会”标准，说明经颅磁声电刺激可以有效提高大鼠的工作记忆行为学能力。但是，关于这种提升效果是否具有时效性，是否与刺激参数(超声强度、磁场强度等)存在一定关联，还有待于进一步研究。

通过对大鼠工作记忆过程中gamma 频段LFPs信号进行时频分析，发现在经过选择点位置前后，除“1.33 W/cm2、0.05 T”刺激组外，其他参数刺激组大鼠前额叶皮层神经元集群gamma 频段的能量均明显高于对照组大鼠的相应能量(P<0.05)，且主要集中分布在时间点0.2、0.8 s 附近低gamma 频段(30～40 Hz)；随着刺激参数的增加，高gamma 频段(60～80 Hz)也出现能量连续、集中分布的情况，如图5(e)～(f)和图6(d)。LFPs 信号反映了电极附近神经元集群的放电活动，gamma 频段是工作记忆的特征频段之一[26-27]，前额叶皮层LFPs 的gamma频段神经节律反映了工作记忆过程中神经元的放电特征[28]。gamma 节律是与工作记忆极其相关的神经节律，可分为低gamma(25～55 Hz)和高gamma(65～100 Hz)节律，分别在记忆的提取[29]和形成[10]中发挥重要作用。在工作记忆行为学训练任务中，2.66～13.33 W/cm2组、0.10～0.15 T 组大鼠gamma 频段的能量增强，尤其在选择点位置前后(对应于时频分布的0.2、0.8 s 时刻)，能量分布比较集中。这表明，经颅磁声电刺激提高了工作记忆过程中大鼠前额叶皮层的兴奋性，同时增强了神经元集群gamma 节律振荡模式的放电活动，进而影响了大鼠前额叶皮层中与记忆认知功能相关的神经信息的形成、巩固和提取；在采用较高的超声强度或磁场强度时，经颅磁声电刺激对大鼠工作记忆功能的调控效果更显著，能够更明显地促进与工作记忆相关的信息编码和信息提取。

记忆本质上是由细胞集群合作完成，而非单个细胞独立进行的分散性活动[31]，互信息衡量了两组神经信号之间的相互关联程度，若LFPs 信号之间在某一频段的互信息值较高，则说明脑区之间或同一脑区中神经元集群的信息交流活动频繁[25]。gamma 节律在海马区－前额叶皮层网络的信息传递中扮演重要角色，其中低gamma 节律往往能够在较长的距离内实现神经网络同步，而高gamma 节律可以实现局部网络的活动同步[32]。从互信息分析结果来看，在行为选择过程中，相较于对照组，6.65～13.33 W/cm2组、0.10～0.15 T 组大鼠前额叶皮层神经元集群gamma 频段通道信号间的平均互信息值明显更大(P<0.05)，信号间的相关性更强；随着超声强度的增加，通道信号间的平均互信息值出现明显增加，信号间的相关性增强，以1、2、3、7、9 这5个相邻通道间的变化最为明显(见图7(d)～(f))；而在0.15 T 刺激组中，相邻、非相邻电极信号间的平均互信息值均出现较为明显增加(见图8(d))。以上结果说明，经颅磁声电刺激通过影响gamma 节律神经振荡，调节神经元放电活动，促进了前额叶皮层神经元集群之间的信息交流与传递，进而影响大鼠在工作记忆任务中注意、决策、记忆等大脑功能的实现。此外，经颅磁声电刺激不仅使大鼠前额叶皮层内空间距离较短的神经元集群之间有了更多的信息交互，同时也加强了空间距离较远的神经元集群之间的协同作用，从而促进了工作记忆任务中大鼠前额叶皮层神经元集群的“同步化”活动。

4 结论

本研究基于在体多通道微电极记录技术，采集健康大鼠在T 迷宫工作记忆任务中的电生理信号，分别运用统计学方法、时频分析法和互信息法，对大鼠行为学数据和LFPs 信号进行分析，从动物认知行为和神经电活动的角度，着重探究经颅磁声电刺激对大鼠工作记忆任务中前额叶皮层神经放电活动的影响。结果表明，经颅磁声电刺激能够提高大鼠前额叶皮层gamma 节律振荡活动，促进神经元集群之间的信息交流与协同，在一定程度上提高大鼠工作记忆能力，有助于揭示gamma 节律在记忆认知活动中的作用机制，对神经退行性疾病的辅助治疗具有指导意义。