Stimularea talamică anterioară îmbunătățește memoria de lucru Precizia judecăților

Pentru mai multe informatii:ali.ma@wecistanche.com

abstract

Context: Nucleul anterior al talamusului (ANT) a fost sugerat ca un sistem hipocampal extins. S-a demonstrat pe scară largă că circuitul ANT și hipocampus este asociat cu funcția de memorie. Ambele leziuni ale fiecărei regiuni și perturbarea fluxului de informații interregional pot induce afectarea memoriei de lucru. Cu toate acestea, rolul acestui circuit în precizia memoriei de lucru rămâne necunoscut.

Obiectiv: Pentru a testa rolul căii hipocampo-talamice anterioare în precizia memoriei de lucru, am furnizat stimulare electrică intracraniană ANT. Emitem ipoteza că stimularea ANT poate îmbunătăți precizia memoriei de lucru.

Metode: Pacienții cu epilepsie prechirurgicală cu electrozi de adâncime în ANT și hipocampus au fost recrutați pentru a efectua o sarcină de memorie de lucru de reamintire a culorii. Participanții au fost instruiți să sublinieze culoarea pe care ar trebui să o amintească făcând clic pe un punct de pe roata de culori, în timp ce datele EEG intracraniene au fost înregistrate sincron. Pentru jumătățile de încercări selectate aleatoriu, a fost furnizată o stimulare electrică bipolară electrozilor ANT.

Rezultate: Am constatat că, în comparație cu studiile fără stimulare, judecățile de precizie ale memoriei de lucru au fost îmbunătățite semnificativ pentru studiile de stimulare. Stimularea electrică ANT a crescut semnificativ puterea spectrală a oscilațiilor gamma (30e100 Hz) și a scăzut descărcările epileptiforme interictale (IED) în hipocamp. Mai mult, puterea gamma crescută în timpul perioadei de pre-stimul și de recuperare a prezis îmbunătățirea judecăților de precizie a memoriei de lucru.

Concluzie: stimularea electrică ANT poate îmbunătăți judecățile de precizie a memoriei de lucru și poate modula activitatea gama hipocampală, oferind dovezi directe asupra rolului axei talamice anterioare a hipocampului uman în precizia memoriei de lucru.

Introducere

Memoria de lucru este o funcție cognitivă critică [1] în susținerea multor comportamente zilnice, inclusiv învățarea [2], luarea deciziilor [3] și înțelegerea limbajului [4]. Studii recente sugerează că hipocampul a fost implicat în memoria de lucru [5e8]. Conform modelului tampon de multiplexare, conținutul memoriei de lucru este reprezentat de ansambluri neuronale sincronizate în oscilații gamma blocate la faze specifice ale oscilațiilor de joasă frecvență [9e11]. În concordanță cu aceasta, mai multe studii au găsit o activitate gamma hipocampală crescută cu încărcarea memoriei de lucru [6,7] și cuplare proeminentă theta-gamma în hipocamp atunci când sunt reținute mai multe elemente [5]. Un studiu la rozătoare a raportat că memoria de lucru de succes a fost legată de oscilațiile gamma sincronizate în formarea hipocampului [8]. Mai mult, un studiu EEG intracranian uman a dezvăluit că puterea gama hipocampală în timpul recuperării memoriei era predictivă pentru precizia memoriei [12].

Click pentru cistanche tubulosa beneficii și efecte secundare pentru memorie

Cu conexiuni dense și reciproce cu hipocampul [13e15] și implicarea acestuia în funcția cognitivă [15e17], nucleul anterior al talamusului (ANT) a fost sugerat ca un sistem hipocampal extins [18e20]. Un studiu la rozătoare a constatat că întreruperea fluxului de informații între hipocamp și ANT a afectat performanța memoriei de lucru spațiale [21]. Stimularea electrică direcționată direct către hipocampus poate perturba performanța memoriei [22,23]. Având în vedere dovezile că stimularea unui nod critic într-o rețea funcțională poate modula funcția rețelei [24], țintirea proiecțiilor aferente hipocampale poate fi o strategie mai eficientă pentru a conduce structura din aval pentru a modula performanța memoriei [25]. Astfel, este posibilă modularea performanței memoriei de lucru prin stimularea electrică a ANT.

Jiali Liu a, b, 1, Tao Yu c, d, 1, Jinfeng Wu a, b, Yali Pan a, Zheng Tan a, b, Ruobing Liu a, b, Xueyuan Wang c, d, Liankun Ren c, d, Liang Wang a, b, *

a CAS Cheie Laborator de Sănătate Mintală, Institutul de Psihologie, Beijing, China b Departamentul de Psihologie, Universitatea din Academia Chineză de Științe, Beijing, China c Institutul de Neurochirurgie Funcțională din Beijing, Spitalul Xuanwu, Universitatea Capital Medical, Beijing, China d Epilepsie cuprinzătoare Centrul din Beijing, Laboratorul cheie de neuromodulare din Beijing, Departamentul de Neurologie, Spitalul Xuanwu, Universitatea de Medicină Capitală, Beijing, China

Studiul actual a fost de a examina dacă stimularea electrică directă a ANT poate modula precizia memoriei de lucru. O paradigmă clasică de rechemare a culorii [26,27] a fost efectuată de pacienții epileptici rezistenți la medicamente cu electrozi de adâncime implantați, în timp ce o stimulare electrică bipolară a fost furnizată electrozilor ANT pentru jumătate din studii. Având în vedere dovezile că conexiunile funcționale și anatomice extinse între hipocamp și ANT și hipocamp joacă roluri importante în memoria de lucru, am emis ipoteza că stimularea electrică ANT poate îmbunătăți judecățile de precizie a memoriei de lucru.

Materiale și metode

Participanții

În studiul curent, au fost recrutați opt pacienți cu epilepsie refractară a lobului temporal din punct de vedere medical, care au implantat stereotactic electrozii de adâncime a electroencefalografiei stereo (SEEG) pentru a identifica zonele epileptogene la spitalul Xuanwu. Informațiile demografice pentru fiecare pacient au fost prezentate în Tabelul 1. Toți pacienții au raportat o acuitate vizuală normală sau corectată la normal și vedere normală a culorilor. Consimțământul informat a fost obținut de la toți subiecții și procedurile de studiu au fost aprobate de comitetul de etică al Spitalului Xuanwu, Universitatea de Medicină Capitală.

Localizarea electrozilor

CT postoperator a fost co-înregistrat la RMN preoperator folosind FreeSurfer Software Suite [28] (http://surfer.nmr.mgh. harvard.edu) și FMRIB Software Library [29]. Electrozii implantați au fost reconstruiți folosind un software de localizare stereotactică [30]. Apoi toți electrozii au fost mapați pe un spațiu MNI standard. Toate contactele hipocampale (56 de contacte de la 8 pacienți, cercuri roșii) din spațiul MNI au fost vizualizate folosind vizualizatorul BrainNet [31].

Înregistrări electrofiziologice și preprocesare a datelor

Datele EEG intracraniene au fost înregistrate de sistemul de înregistrare Blackrock Neuroport în timpul experimentului, cu o frecvență de eșantionare la 2000 Hz. Perioadele artefactelor au fost identificate prin inspecție vizuală și respinse din semnalele brute. Re-referința bipolară a fost folosită pentru a reduce conducția de volum, precum și interacțiunile confuze dintre contactele vecine. Datele rezultate au fost împărțite în epoci legate de evenimente pentru o analiză ulterioară.

Stimulare electrică

Stimularea electrică a fost furnizată suplimentar operativ de un stimulator extern (CereStim R96, Blackrock Microsystems) în timp ce participanții au îndeplinit sarcina. Stimularea a fost introdusă la contactele vecine pereche din ANT folosind impulsuri dreptunghiulare bifazice cu o lățime de 300 ms și o amplitudine de 0.2 mA la frecvența de 5{ {20}} Hz (Fig. 1B). Pat2 primește stimulare de 50 Hz la amplitudinea de 0,5 mA (Tabelul 1). Paradigma experimentală Sarcina de memorie de lucru a fost prezentată pe un 14-monitor de laptop la o distanță de vizualizare de aproximativ 60 cm cu un fundal gri. O încercare a început cu afișarea unei cruci de fixare albă (0,3 ) în centrul ecranului, care durează 4,2e5,2 s (Fig. 1A). Două pătrate colorate au fost afișate central și secvențial, fiecare dintre ele a durat 0,3 s și a fost urmată de un interval de 0,4-0,5 s în care doar crucea de fixare a fost afișată central. Cele două culori au fost alese la întâmplare dintre nouă culori preselectate, fiecare dintre ele fiind distanțată la cel puțin 40 pe o roată de culori care cuprinde un subset de culori cu gradient circular. După aceea, o cifră arabă indicată (1 sau 2) a fost afișată uniform timp de 0,55 s, indicând ce culoare trebuie reamintită ulterior. Cue-ul a fost urmat de un alt interval de 2,5e3 s numai cu cruce de fixare. Apoi a fost afișată o roată de culori și a constat din culori continue (o grosime de 1,5 și o rază de 9,5). Participanții au fost instruiți să sublinieze culoarea pe care ar trebui să o amintească folosind un mouse pentru a face clic pe un punct de pe roata de culori. Pentru a elimina contribuția memoriei spațiale, roata de culori s-a rotit aleatoriu de-a lungul încercărilor. O a doua stimulare electrică a fost implementată în studiile selectate aleatoriu în toate cele 10 blocuri (90 de studii pentru studiile de stimulare, 90 de studii pentru studiile fără stimulare). Fiecare bloc a fost compus din 18 probe iar participanții se pot odihni în intervalul blocurilor. Primul și ultimele 4 încercări (8 încercări) din toate cele 180 de încercări nu au conținut stimulare. Studiile anterioare care aplică stimularea în timpul sarcinilor perturbă în general memoria [22e24]. Stimularea exogenă ar putea perturba activitățile cognitive organizate în curs din interiorul creierului. Mai multe studii au arătat că activitatea neuronală pre-stimul este importantă pentru sarcina ulterioară [32e36]. Prin urmare, stimularea electrică a fost aplicată începând cu 2.2e2.7 s înainte de debutul primului pătrat de culoare, încercând să moduleze starea mentală în timpul fixării pre-stimul, așa cum sa menționat în studiul recent [25]. Subiecții nu au fost informați care studii au conținut stimulare și, de asemenea, nu pot raporta apariția stimulării. Înainte de experimentul formal, am testat inițial parametrul utilizat de stimulare electrică. Am întrebat pacienții dacă au simțit vreo diferență atunci când stimularea electrică a fost furnizată în tăcere sau nu. Niciunul dintre pacienți nu a raportat că simte ceva diferit atunci când a fost administrată stimularea electrică.

Fig. 1. Proiectarea sarcinilor. (A) Încercările au început cu o cruce albă de fixare în centrul ecranului. Două pătrate colorate au fost afișate secvenţial. Apoi o cifră arabă indicată (1 sau 2) a fost afișată uniform și aleatoriu, indicând ce culoare trebuie reamintită ulterior. După un interval, participanții au fost instruiți să sublinieze culoarea pe care ar trebui să o amintească folosind un mouse pentru a face clic pe un punct de pe roata de culori. Stimularea electrică a fost aplicată începând cu 2.2e2.7 s înainte de debutul primului pătrat de culoare (bara roșie). (B) Un exemplu de electrod (cercuri pline cu negru) este afișat pentru Pat 3. Cel mai medial contact este situat în ANT (săgeata neagră). (C) Un răspuns exemplar (bară neagră) a fost reprezentat pe roata de culori. (D) Modelul swap a fost utilizat pentru a se potrivi performanței în care există trei surse de răspuns posibile: distribuția Von Mises centrată pe culoarea țintă, o altă distribuție von Mises cu aceeași concentrație, dar centrată pe culoarea nețintă și o probabilitate fixă ​​de a ghici pur și simplu Aleatoriu. (Pentru interpretarea referințelor la culoare din legenda acestei figuri, cititorul este trimis la versiunea web a acestui articol.)

Prelucrarea datelor si analiza statistica

Precizia memoriei de lucru Am estimat precizia memoriei de lucru pe baza modelului Swap în care au fost măsurate trei răspunsuri: răspunsul țintă când participanții au raportat corect culoarea elementului sondat cu o oarecare variabilitate, răspunsul non-țintă când subiecții au raportat în mod eronat culoarea care a fost nu ar trebui să-și amintească (de exemplu, prin faptul că a doua culoare a fost marcată, prima culoare a fost rechemată) și răspunsul ghicit pentru elementul sondei nu este complet în memorie [37]. Atât răspunsurile țintă, cât și răspunsurile non-țintă se potrivesc unei distribuții Von Mises centrată pe valoarea culorii elementelor sondate și respectiv raportate greșit, cu aceeași abatere standard, deoarece culorile țintă și non-țintă vor fi stocate în medie cu aceeași precizie [37] . S-a presupus că răspunsul de ghicire este o distribuție uniformă, deoarece subiecții pot răspunde aleatoriu atunci când nu au fost memorate informații despre culoare (Fig. 1C și D).

Puterea oscilatoare

Calculăm puterea înainte de declanșarea stimulului după cum urmează. Am creat punctul de timp de stimulare simulată (2.2e2.7 s înainte de primul pătrat de culoare) pentru încercările fără stimulare în funcție de debutul stimulării electrice în încercările cu stimulare. Stimularea simulată a avut aceeași fereastră de timp ca și stimularea adevărată. Am măsurat puterea de oscilație în semnalele de potențial de câmp local (LFP) cu undele Morlet (numărul de undă ¼ 5) la 40 frecvențe distanțate între 1 și 200 Hz folosind Caseta de instrumente Fieldtrip [38]. Puterea (P) pe frecvență la fiecare moment de timp a fost transformată în log și corectată la puterea medie de bază (P0) în toate încercările (1,5 până la 0,5 s înainte de debutul stimulării electrice sau declanșarea stimulării electrice simulate) și timpul 10 pentru a obține puterea normalizată (dB) (adică, 10 log10(P/P0)). Puterea gamma (30e100Hz) a fost măsurată într-o fereastră de timp de 0,8 s (adică, 0,2 se1 s după compensarea stimulării pentru studiile cu stimulare, 0,2 se1 s după compensarea de stimulare simulată pentru teste fără stimulare).

Am examinat în continuare activitatea hipocampului în timpul primei codificări, celei de-a doua codificări și perioadei de recuperare. Datele hipocampale preprocesate au fost grupate în epoci legate de evenimente. Apoi am făcut descompunerea timp-frecvență și corecția liniei de bază exact în același mod ca mai sus. Fereastra de timp de corecție inițială a fost de 1,5 până la 0,5 s înainte de debutul stimulării electrice pentru studiile cu stimulare, 1,5 până la 0,5 s înainte de debutul simularii stimulării electrice pentru studiile fără stimulare. Puterea gamma (30e1{00Hz) a fost extrasă pentru prima codificare (adică, 0.25e{0.7 s după apariția primei culori ), a doua codificare (adică, 0.25e{0.7 s după a doua apariție a culorii) și regăsire (adică, 0.5e1.5 s după debutul tacului). Începutul ferestrei de codificare s-a bazat pe constatarea că activitatea evocată de stimul s-a dovedit a apărea în hipocamp la 0,25 s după debutul stimulului extern [12,39,40]. Am ales fereastra de timp de recuperare conform unui studiu recent care indică faptul că recuperarea memoriei a avut loc între 0,5 s și 1,5 s după prezentarea indiciului [41].

Analiza descărcărilor epileptiforme interictale Activitatea electrică anormală în intervalele interictale, adică descărcări epileptiforme interictale (IED), a fost găsită în hipocamp la pacienții cu epilepsie a lobului temporal [42] care poate afecta funcția memoriei [43,44]. În studiul actual, un algoritm de detectare automatizat dezvoltat într-un studiu anterior [45] a fost utilizat pentru a identifica IED pentru toți pacienții. Pe scurt, datele preprocesate au fost eșantionate la 200 Hz, apoi au fost filtrate trece-bandă de la 10 Hz la 60 Hz. Anvelopa instantanee a fiecărui canal a fost obținută prin calcularea valorii absolute a transformării Hilbert a datelor filtrate. Anvelopa semnalului a fost segmentată folosind ferestre glisante cu o lățime de 5 s și o suprapunere de 80 la sută. Pragul variabil în timp al lui k (Mod þ Median) a fost utilizat pentru a detecta IED, unde k a fost 5 în acest studiu, iar Mod și Median au fost obținute printr-o estimare a probabilității maxime a unei distribuții statistice log-normale a anvelopei semnalului în fiecare segment. Fiecare canal avea acum propriul său anvelopă și propria sa curbă de prag. Maximele locale la intersecțiile dintre curbele anvelope și prag au fost marcate ca IED detectate. Inițial, performanța detectorului automat a fost evaluată de neurofiziologi experimentați, care au arătat o sensibilitate ridicată a detectivului și o rată scăzută de fals pozitive [45]. Pentru a evita posibilitatea ca artefactele de stimulare (în studiile de stimulare) să afecteze variabilitatea semnalelor LFP, ceea ce poate reduce, în consecință, sensibilitatea detectării IED, am eliminat învelișul instantaneu atunci când a fost implementată stimularea electrică. Fereastra de timp eliminată a fost de la 0,2 s înainte de debutul stimulării la 0,2 s după compensarea stimulării. În studiul actual, pentru a examina efectul stimulării ANT asupra ratei de apariție a IED-urilor hipocampale în timpul sarcinii de memorie de lucru, am detectat IED în timpul întregii înregistrări. După aceea, numărul de IED detectate de la începutul primului pătrat de culoare până la acțiunea de răspuns a fost însumată și apoi împărțit la durata de timp pentru a calcula rata IED (număr/sec). Ulterior, rata IED a fost comparată între studiile cu și fără stimulare.

analize statistice

Analiza statistică a fost procesată folosind scripturi personalizate combinate cu cutii de instrumente open-source dezvoltate în MATLAB (Math-Works, Natick, MA, SUA). Testul Wilcoxon cu rang semnat a fost efectuat pentru a măsura efectul stimulării: diferența de precizie a memoriei a culorii sondate pentru studiile cu și fără stimulare. Compararea puterii gamma și a ratei IED a hipocampului între testele de stimulare electrică și non-stimulare a fost efectuată folosind modelul cu efect mixt liniar (LME). Modelul LME este un fel de model de regresie în care variația unei variabile dependente este modelată în funcție de efectele fixe și aleatorii [46]. Modelul LME este foarte potrivit pentru setul nostru de date, deoarece poate fi utilizat la nivel de grup, luând în considerare măsurătorile repetate de la o probă, care au avut loc pe măsură ce am testat efectele stimulării la același contact. În plus, modelul LME poate ține cont de eșantionarea neuniformă între condiții și grupuri. Această caracteristică a fost importantă pentru analiza noastră, deoarece participanții au avut un număr diferit de contacte în hipocamp.

Rezultate

Stimularea electrică a îmbunătățit judecățile de precizie ale memoriei de lucru

Pentru fiecare subiect, SD-ul de reamintire a fost calculat prin potrivirea distribuțiilor de eroare folosind modelul Swap, în care SD-ul de reamintire mai mic a indicat o precizie mai bună a memoriei [37] (Fig. 1D). Pentru a determina efectele comportamentale ale stimulării, am comparat rechemarea SD între studiile în care subiecții au primit și nu au primit stimulare folosind testul Wilcoxon de rang semnat. Am descoperit că stimularea electrică a îmbunătățit semnificativ performanța memoriei (z=2,24 0, p=0,025) (Fig. 2A). În plus, îmbunătățirile preciziei memoriei de lucru au fost foarte consistente între subiecți (7/8) (Fig. 2B). Aceste rezultate au indicat că stimularea furnizată ANT în timpul fixării pre-codării poate îmbunătăți evaluarea preciziei memoriei de lucru.

Creșterea activității gama a hipocampului

Având în vedere că hipocampul a fost propus implicat în procesarea preciziei memoriei [12], am analizat modificările neuronale ale 56 de contacte hipocampale (Fig. 3A) legate de stimularea ANT. Studii recente au descoperit că stimularea electrică a permis inducerea activității de înaltă frecvență și că activitatea gamma indusă a fost asociată cu performanța memoriei [47]. În studiul actual, puterea gamma pre-stimul (3{{10}}e1{0{0Hz) în studiile de stimulare a fost comparată cu cea din studiile fără stimulare folosind Modelul LME. Analiza a arătat o putere gamma crescută în hipocamp după stimularea ANT în timpul fixării pre-stimul (b ¼ 0,155, t(110) ¼ 3,447, p <0.{ {39}}01)="" (fig.="" 3b="" și="" c).="" de="" asemenea,="" am="" constatat="" că="" puterea="" gamma="" a="" hipocampului="" a="" fost="" mai="" mare="" în="" timpul="" primei="" codificări="" (b="" ¼="" 0,101,="" t="" (110)="" ¼="" 2,990,="" p="" ¼="" 0,003,="" fig.="" 1b="" suplimentară),="" a="" doua="" codificare="" (b="" ¼="" 0,101,="" t="" (110)="" ¼,="" p.="" 3.="">< 0,001,="" fig.="" 1d="" suplimentară)="" și="" regăsire="" (b="" ¼="" 0,104,="" t="" (110)="" ¼="" 3,471,="" p="">< 0,001)="" în="" studiul="" cu="" stimulare="" (fig.="" 3f).="" cu="" toate="" acestea,="" puterea="" theta,="" alfa="" și="" beta="" nu="" au="" fost="" diferențe="" semnificative="" între="" studiile="" cu="" și="" fără="" stimulare="" în="" diferite="" etape="" (toate="" valorile="" p=""> 0,05, figurile suplimentare 1AeD).

Scăderea ratei IED în hipocamp

IED a fost recunoscut ca biomarker al țesutului epileptogen și IED hipocampal poate provoca tulburări cognitive [42,43]. Având în vedere că subiecții recrutați în studiul actual au fost pacienți cu epilepsie a lobului temporal, am examinat în continuare dacă stimularea electrică a îmbunătățit precizia memoriei prin reducerea descărcărilor de epilepsie. Am calculat incidența IED pentru fiecare contact hipocampal în studii cu și fără stimulare. Folosind modelul LME, am găsit o reducere fiabilă statistic a ratei IED ca urmare a stimulării electrice (b ¼ 0.010, t (110) ¼ 2,782, p ¼ 0,006) (Fig. 4).

Corelația dintre activitatea electrofiziologică și performanța comportamentală

Apoi, am efectuat analiza corelației dintre activitatea electrofiziologică (putere gamma și IED) și performanța comportamentală. Nu am găsit că modificarea ratei IED hipocampale a fost legată de modificarea preciziei memoriei de lucru (IED: r ¼ {{0}}.262, p ¼ 0.536). Cu toate acestea, corelația dintre modificarea puterii gamma a hipocampului pre-stimul și modificarea preciziei memoriei de lucru a fost semnificativă (rho=0,738, p={{10}}.046). (Fig. 3D). În plus, puterea gamma crescută în timpul perioadei de recuperare a fost, de asemenea, corelată cu îmbunătățirea memoriei de lucru (rho=0,881, p=0,007) (Fig. 3E). Puterea gamma crescută în timpul primei codificări și al celei de-a doua codificări nu a fost corelată cu îmbunătățirea memoriei de lucru (toate p > 0,05).

Discuţie

Studiul actual a arătat că stimularea electrică țintită către ANT a fost eficientă în îmbunătățirea preciziei memoriei de lucru. Într-adevăr, am descoperit că stimularea ANT poate crește puterea gama hipocampală și poate scădea rata de apariție a IED în hipocamp. Puterea gamma crescută a hipocampului s-a corelat semnificativ cu judecățile de precizie a memoriei de lucru, care au oferit rolul cauzal al axei talamice hipocampal-anterior în precizia memoriei de lucru.

Fig. 3. Stimularea ANT crește activitatea gama hipocampului. (A) Toate contactele hipocampale (56 de contacte de la 8 pacienți) sunt delimitate în spațiul MNI. (B) Putere gamma pre-stimul (încercări cu stimulare vs încercări fără stimulare). Pana de curent (0e1 s) este durata stimulării electrice. (C) Puterea gamma (30e1{00Hz) a fost semnificativ mai mare pentru studiile cu stimulare decât pentru studiile fără stimulare în timpul fixării pre-stimul pe baza modelului LME (b¼ {{ 21}},155, t(110) ¼ 3,447, p < 0.001)="" (d)="" corelația="" dintre="" modificarea="" puterii="" gamma="" (adică="" gamma="" putere="" pentru="" încercări="" cu="" stimulare="" electrică="" -="" putere="" gamma="" pentru="" încercări="" fără="" stimulare="" electrică)="" în="" timpul="" fixării="" pre-stimul="" și="" rememorării="" modificării="" sd="" (adică="" sd="" pentru="" încercări="" cu="" stimulare="" electrică="" -="" sd="" pentru="" încercări="" fără="" stimulare="" electrică)="" (rho="" ¼="" 0="" .738,="" p="0,046)." (e)="" corelație="" semnificativă="" între="" modificarea="" puterii="" gamma="" în="" timpul="" recuperării="" (de="" exemplu,="" puterea="" gamma="" pentru="" încercări="" cu="" stimulare="" electrică="" -="" puterea="" gama="" pentru="" încercări="" fără="" stimulare="" electrică)="" și="" schimbarea="" sd="" de="" rechemare="" a="" memoriei="" (adică="" sd="" pentru="" încercări="" cu="" stimulare="" electrică="" -="" sd="" pentru="" încercări="" fără="" stimulare="" electrică)="" stimulare)="" (rho="0,881," p="0,007)." fiecare="" cerc="" colorat="" desemnează="" un="" pacient.="" (f)="" puterea="" gamma="" a="" crescut="" semnificativ="" în="" timpul="" recuperării="" în="" studiile="" cu="" stimulare="" bazată="" pe="" modelul="" lme="" (b="0,104," t="" (110)="3,471," p="">< 0,001).="" ***p=""><>

Fig. 4. Stimularea ANT scade rata IED din hipocamp. (A) Rata medie a IED de la debutul din primul pătrat de culoare până la acțiunea de răspuns este semnificativ scăzută pentru studiile cu stimulare electrică în comparație cu încercările fără stimulare electrică (b ¼ 0.010, t(110) ¼ 2,782, p=0,006). (B) Două exemple de IED (marcate în cercuri roșii) sunt detectate de un algoritm de detectare automată. (C) Graficul raster al IED-urilor detectate de-a lungul încercărilor fără stimulare (sus) și cu stimulare (inferioară) pentru pacientul 2. Fiecare bară roșie verticală denotă un IED detectat la un moment specific. (Pentru interpretarea referințelor la culoare din legenda acestei figuri, cititorul este trimis la versiunea web a acestui articol.)

Un număr mare de studii au încercat să îmbunătățească memoria prin stimularea electrică furnizată structurilor legate de hipocamp și au dat rezultate inconsistente [22,23,25,48]. Studiul actual a aplicat stimularea electrică la ANT, una dintre componentele primare din circuitul Papez. Circuitul Papez a fost propus ca bază anatomică a memoriei [49]. Cercetătorii au propus că modularea activității neuronale în acest circuit poate afecta activitatea hipocampului și, astfel, poate modifica performanța memoriei. În concordanță cu aceasta, am descoperit că stimularea electrică a îmbunătățit precizia memoriei de lucru, care poate fi prezisă prin puterea gamma crescută a hipocampului. Rezultatele noastre au susținut consensul tot mai mare că stimularea electrică directă poate modula activitatea unei rețele distribuite conectată la locul de stimulare [24,50]. Această inferență a fost în conformitate cu perspectiva din stimularea neinvazivă utilizată pentru a investiga dinamica și organizarea rețelei cerebrale [51].

Am furnizat stimulare electrică către ANT și am constatat că stimularea îmbunătățește precizia memoriei de lucru. Deoarece acest rezultat indică implicarea axei talamice hipocampal-anterior, există două posibilități pentru îmbunătățirea preciziei memoriei de lucru. În primul rând, stimularea ANT în sine poate îmbunătăți memoria în mod direct, deoarece este o componentă critică a sistemului hipocampal extins care susține memoria [19,20]. Mai mult, sa raportat că ANT joacă un rol vital în atenția ghidată de memorie [16,17,52]. Mai mult, un studiu recent a relevat mecanisme neuronale comune între atenție și memoria de lucru [53]. În al doilea rând, precizia memoriei de lucru a fost îmbunătățită de activitatea modulată în hipocamp. ANT este dens conectat la hipocamp [13,15]. Un studiu recent sugerează că este esențială modularea funcției cognitive prin stimularea unuia dintre nodurile conectate care cuprind o rețea funcțională [24]. Într-adevăr, am descoperit că stimularea ANT poate crește puterea gamma hipocampală, iar puterea gamma crescută a fost predictivă pentru precizia îmbunătățită a memoriei de lucru. S-a sugerat că hipocampul este implicat în procesarea memoriei de lucru, fie atunci când au fost menținute mai multe elemente, fie când obiectele au fost prezentate secvenţial [5,54]. Atât studiile pe oameni, cât și pe animale au arătat că memoria de lucru este legată de activitatea gama din hipocamp [5,6,8]. Astfel, activitatea modulată din hipocamp poate contribui la îmbunătățirea memoriei de lucru.

Este posibil ca stimularea electrică furnizată ANT să schimbe starea mentală a pacientului prin creșterea vigilenței sau a atenției înainte de intrarea stimulului. Mai multe studii au arătat că activitatea neuronală pre-stimul poate explica variabilitatea test-cu-probă în performanța perceptivă și cognitivă [32e35]. În concordanță cu aceasta, puterea gamma hipocampală crescută pre-stimul a fost corelată cu îmbunătățirea memoriei. În plus, puterea gamma în timpul perioadei de codificare și recuperare a fost, de asemenea, îmbunătățită prin stimularea electrică. Puterea gamma crescută în timpul recuperării a fost, de asemenea, predictivă pentru îmbunătățirea memoriei. Rezultatele noastre au fost în concordanță cu studiul anterior conform căruia puterea gamma a hipocampului era necesară pentru execuția memoriei de lucru [8]. Luate împreună, este posibil ca stimularea electrică furnizată ANT să crească vigilența sau atenția pacientului în timpul etapei pre-stimul și să afecteze în continuare codificarea și recuperarea ulterioară a memoriei.

De asemenea, am observat că stimularea ANT poate suprima descărcarea patologică a hipocampului, în conformitate cu studiul nostru clinic anterior [14]. Cu toate acestea, scăderea IED nu poate prezice îmbunătățirea memoriei de lucru, deși mai multe studii au demonstrat că IED hipocampal a fost asociat cu performanța memoriei [43,44,55]. Este posibil ca IED să afecteze în primul rând memoria pe termen lung, mai degrabă decât memoria de lucru.

Există patru limitări ale acestui studiu. În primul rând, dimensiunea eșantionului a fost relativ mică. Confirmarea efectului de stimulare observat a necesitat investigații suplimentare prin recrutarea unui număr mare de participanți. De asemenea, această dimensiune mică a eșantionului ne-a limitat la investigarea în continuare a efectului de lateralitate al stimulării ANT. În al doilea rând, toți indivizii din prezentul studiu au fost pacienți cu epilepsie rezistentă la medicamente. Prin urmare, generalizarea rezultatelor actuale la alte grupuri ar trebui tratată cu prudență. Pe de altă parte, mulți pacienți cu epilepsie au raportat deficite de memorie, iar îmbunătățirea memoriei pentru ei este în esență un scop terapeutic. În al treilea rând, acest studiu a constatat că stimularea ANT poate îmbunătăți precizia memoriei de lucru la oameni. Cu toate acestea, nu se știe dacă alți parametri de stimulare, cum ar fi intensitatea, durata și perioada de stimulare, pot, de asemenea, modula performanța memoriei de lucru. În al patrulea rând, este posibil ca stimularea electrică furnizată ANT să crească vigilența sau atenția pacientului în timpul etapei pre-stimul și să afecteze în continuare codificarea și recuperarea ulterioară a memoriei. Cu toate acestea, în acest studiu, nu putem determina care etapă este mai importantă pentru îmbunătățirea memoriei de lucru. Studiile viitoare pot testa direct acest lucru prin furnizarea de stimulare electrică în diferite etape separat.

Concluzie

Acest studiu a arătat că stimularea electrică intracraniană a nuclearului anterior al talamusului poate îmbunătăți precizia memoriei de lucru și poate crește activitatea gama hipocampului. Activitatea gama crescută a hipocampului în timpul pre-stimulului și recuperării a fost predictivă pentru îmbunătățirea preciziei memoriei de lucru. Aceste rezultate sugerează rolurile critice ale axei talamice hipocampo-anterior în precizia memoriei de lucru.