Partea 1: Dinamica independentă a activităților EEG intracraniene spectrale de frecvență joasă, intermediară și înaltă în timpul formării memoriei umane

Contact: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Victoria S. Marksa, Krishnakant V. Saboob, Çağdaş Topçuc,d,e, Michal Lechc,d,e,

Theodore P. Thayibf, Petr Nejedlye,g, Vaclav Kremen,h, Gregory A. Worrell, I,

Michal T. Kucewiczc,e,i,∗

o Școală Absolventă de Științe Biomedicale, Clinica Mayo, SUA

bDepartamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare, Universitatea din Illinois, Urbana-Champaign, IL, SUA

c Departamentul de Sisteme Multimedia, Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Informatică, Centrul BioTechMed, Universitatea de Tehnologie Gdansk, Gdansk, Polonia d Institutul Nencki de Biologie Experimentală, Academia Poloneză de Științe, Varșovia, Polonia

Departamentul de Neurologie, Clinica Mayo, Rochester, MN, SUA

Departamentul de Inginerie Calculatoare, Iowa State University, Ames, Iowa, SUA

g Academia Cehă de Științe, Institutul de Instrumente Științifice, Brno, Republica Cehă

h Robotică și cibernetică, Institutul Ceh de Informatică, Universitatea Tehnică Cehă din Praga, Praga, Republica Cehă

Departamentul de Fiziologie și Inginerie Biomedicală, Clinica Mayo, SUA

Cistanche poate îmbunătăți memoria

a b s t r a c t

Un spectru larg de ritmuri cerebrale este implicat în cortexul uman în funcțiile cognitive. Cum sunt coordonate ritmurile diferitelor game de frecvență în spațiul cortexului uman și în timpulmemorieprelucrarea este neconcludentă. Ele pot fi fie coordonate împreună de-a lungul spectrului de frecvență în același loc și timp cortical, fie induse independent în anumite benzi. Am folosit un set mare de date de electroencefalografie intracraniană umană (EEG) pentru a analiza dinamica spațio-temporală a activităților spectrale induse în timpul formării amintirilor verbale. Codificarea cuvintelor pentru rechemarea liberă ulterioară activată de joasă frecvență teta, frecvență intermediară alfa și beta și putere gamma de înaltă frecvență într-un model mozaic de situsuri corticale discrete. Majoritatea locurilor corticale au înregistrat activitate doar în una dintre aceste frecvențe, cu excepția cortexului vizual, unde puterea spectrală a fost indusă pe mai multe benzi. Fiecare bandă de frecvență a arătat dinamica caracteristică a puterii induse specifice zonei corticale și emisferei. Puterea activităților de frecvență joasă, intermediară și înaltă s-a propagat în secvențe independente în zonele corticale vizuale, temporale și prefrontale în fazele ulterioare alememoriecodificare. Rezultatele noastre oferă un model holistic, simplificat al activităților spectrale implicate în formarea omuluimemorie, sugerând un mozaic distribuit anatomic și temporal de ritmuri cerebrale coordonate.

1. Introducere

Se crede că ritmurile creierului susținmemorieși funcțiile cognitive prin coordonarea activităților neuronilor conectați în interacțiuni sincrone (Singer, 1999; Buzsaki, 2006; Fries, 2015; Klimesch, 1996; Fell și Axmacher, 2011). Spectrul de activități ritmice implicate în aceste interacțiuni include teta (3–9 Hz) și gamma.

(30–120 Hz) benzi de frecvență cu roluri specifice propuse pentru activitățile de joasă și înaltă frecvență înmemorieprocesare (Düzel și colab., 2010; Sauseng și colab., 2010; Fries și colab., 2007; Tallon-Baudry și Bertrand, 1999; Nyhus și Curran, 2010; Lisman și Jensen, 2013; Herweg și colab., 2020) . Benzile de frecvență intermediară alfa (9–12 Hz) și beta (12–25 Hz) au fost, de asemenea, asociate cu procese necesare funcțiilor de memorie (Klimesch și colab., 2007; Hanslmayr și colab., 2011; Spitzer și Haegens 2017; Schmidt și colab., 2011; al., 2019; Michalareas et al., 2016). Cum funcționează aceste ritmuri diferite în funcție la o scală de timp definită, implicând doar un subset al activităților spectrale într-un interval de frecvență dat. De exemplu, numai ritmurile theta ar fi induse la un loc dat. Ambele scenarii sunt de acord că activitățile creierului la intervale de frecvență definite pot fi conceptualizate ca „amprente digitale spectrale” care sunt supuse unor procese perceptuale sau cognitive specifice la o scară temporală corespunzătoare a interacțiunilor neuronale (Siegel et al., 2012; Hanslmayr și Staudigl, 2014) . Rezolvarea cu acuratețe a dinamicii acestor amprente spectrale în spațiul anatomic și în timp este esențială pentru a testa aceste ipoteze și pentru a oferi un model holistic al activităților neuronale angajate în timpul sarcinilor cognitive.

Înregistrările electroencefalografice intracraniene (EEG) prezintă o oportunitate unică de a sonda cu rezoluție înaltă scara largă a activităților neuronale angajate în timpul funcțiilor cognitive și a altor funcții ale creierului în zone distincte ale cortexului uman (Lhatoo et al., 2019; Johnson et al., 2020; Jacobs și Kahana 2010; Engel și colab., 2005). Semnalele EEG sunt prelevate din contactele electrozilor implantate fie direct pe suprafața neocortexului, fie în straturile mai profunde și structurile subcorticale ale acestuia. Astfel, activitățile spectrale generate de populațiile neuronale locale și înregistrate de la mai multe contacte separate pot fi urmărite în zone corticale discrete în timpulmemorieprelucrare. Studiile iEEG anterioare au folosit în mod obișnuit puterea spectrală indusă în intervale de frecvență gamma înalte (60-120 Hz) pentru a urmări procesarea corticală înmemorieși sarcini cognitive (Jerbi și colab., 2009; Lachaux și colab., 2012; Crone și colab., 2006; Lundqvist și colab., 2018). Theta (Sheehan et al., 2018; Lin et al., 2017) și alfa (Staresina și colab., 2016) au fost, de asemenea, investigate anterior. S-a demonstrat că activitățile oscilatorii în frecvențele theta și alfa se propagă ca unde locale, independente, care călătoresc în zone corticale discrete în timpulmemorieprocesare (Zhang et al., 2018), dar dinamica relativă spațio-temporală a acestor oscilații de joasă frecvență și activitățile mai rapide beta și gamma în timpul procesării memoriei rămân în mare parte neexplorate.

Aici, am profitat de un set mare de date iEEG de 164 de participanți care codifică liste de cuvinte pentru reamintirea verbală gratuită ulterioară. Studiile anterioare cu această sarcină au dezvăluit o rețea distribuită de regiuni ale creierului asociate cu procesarea senzorială și cu declarații de ordin superior.memoriefuncții (Burke și colab., 2013; Burke și colab., 2014a; Kucewicz și colab., 2019). Puterea gamma mare indusă a fost observată mai întâi în zonele vizuale ale cortexului occipitotemporal și apoi în mai multe zone anterioare ale cortexului prefrontal, inspirând un model în două etape dememoriecodificarea cu o etapă senzorială timpurie și o etapă târzie de asociere (Burke și colab., 2014a).

O secvență similară de ordine posterior spre anterioară a puterii induse a fost, de asemenea, observată în banda de frecvență theta (Burke și colab., 2013) și confirmată în activități dincolo de intervalul de frecvență gamma (Kucewicz și colab., 2014). Studiul nostru recent a găsit secvența puterii gamma ridicate induse în timpulmemoriecodificarea să fie continuă cu latențe crescânde de-a lungul unei ierarhii de zone de asociere de ordin superior treptat (Kucewicz și colab., 2019), culminând cu cortexul prefrontal anterior până târziu în codificarea cuvintelor. Studiile iEEG anterioare ale procesării memoriei verbale s-au limitat fie la seturi de date mai mici de înregistrări ale participanților cu acoperire rară a electrozilor neocortexului, fie s-au concentrat doar pe benzile de frecvență selectate. Prin urmare, puterea spectrală din diferite benzi ar fi fie mediată spațial pe mai multe locații de electrozi ale regiunilor corticale mai mari, pierzând astfel rezoluția și granularitatea site-urilor individuale, fie nu ar fi studiată în activitățile cerebrale theta, alfa și beta și gamma.

Având în vedere sfera largă a spectrului de frecvență și a zonelor cerebrale analizate colectiv în studiile anterioare, am emis ipoteza că activități spectrale specifice sunt induse într-un model granular de cortical discret.

locatii. Prin urmare, agregarea activității din mai multe locații ar da naștere la o înclinare a puterii în bandă largă pe întregul spectru (Kilner și colab., 2005), care ar putea fi compus din „amprente digitale spectrale” multiple, specifice (Fellner și colab., 2019) . Localizarea exactă a diferitelor amprente ar fi fie comună pentru aceleași locuri corticale de înregistrare a electrozilor, fie ar fi distribuită într-un mozaic de locuri anatomice distincte. De asemenea, în termeni de sincronizare, activitățile spectrale de frecvență joasă, intermediară și înaltă ar fi induse în momente diferite dememoriecodificare sau toate în același timp. În plus față de activitățile theta și gama, ritmurile alfa și beta erau de așteptat să fie induse în locuri și momente corticale distincte.memoriecodificare. În general, am testat dinamica spațio-temporală independentă a activităților spectrale induse în timpul formării verbale umane.memorieurme. Scopul nostru a fost să oferim un model holistic de ritmuri cerebrale implicate într-o gamă largă de frecvențe, anatomie corticală și faze de codificare a memoriei.

2. Materiale și metode

2.1. Subiecte

Setul de date de înregistrări EEG de la un total de 164 de participanți supuși evaluării chirurgicale a epilepsiei rezistente la medicamente a fost preluat dintr-un studiu colaborativ multicentric amplu (toate datele de-identificate sunt disponibile la http://memory.psych.upenn.edu/Electrophysiological{ {3}}Date).

Înregistrările au fost colectate de la următoarele centre: Clinica Mayo, Spitalul Universitar Thomas Jefferson, Spitalul Universității din Pennsylvania, Centrul Medical Dartmouth-Hitchcock, Spitalul Universitar Emory, Centrul Medical de Sud-Vest al Universității din Texas și Spitalul Universitar Columbia. Un protocol comun de cercetare a fost aprobat de Consiliul de evaluare instituțional respectiv la fiecare centru și a fost obținut consimțământul informat de la fiecare participant. Pentru cei 139 de pacienți incluși în analiza finală, informațiile referitoare la numărul de studii cu cuvinte finalizate și zona de debut al convulsiilor sunt rezumate în Suppl. Tabelul 1. Debutul crizei a fost localizat în emisfera dreaptă la 46 de pacienți, în emisfera stângă la 55, bilateral la 26 și nedeterminat la 12. Informațiile demografice precum vârsta și sexul au fost disponibile doar pentru 85 de pacienți (vârsta medie 35,6 ani). cu abatere standard de 11,6 ani; 43 de femei la 42 de bărbați, tabelul suplimentar 1) din cauza accesului limitat la informațiile sensibile de asistență medicală din mai multe centre clinice care au colectat setul de date agregate. Înregistrările electrofiziologice au fost colectate de la electrozi clinici standard subdurali și de profunzime (AdTech Inc., PMT Inc.) implantați pe suprafața corticală și, respectiv, în parenchimul cerebral. Contactele electrozilor subdurali au fost aranjate fie într-o configurație de grilă, fie într-o bandă cu o separare de 10 mm, iar contactele de electrozi de adâncime au fost separate cu 5 până la 10 mm. Amplasarea electrozilor a fost determinată de o echipă clinică pentru a localiza focarele convulsive pentru o eventuală intervenție chirurgicală de epilepsie sau implantarea unui dispozitiv pentru stimularea electrică a creierului terapeutic.

2.2. Localizare anatomică și cartografiere a suprafeței creierului

Parcelațiile suprafeței corticale au fost generate pentru fiecare participant din scanări RMN preimplantare (secvențe volumetrice T1-ponderate T) - cu software-ul Freesurfer (RRID: SCR_001847). Hipocampul și regiunile corticale înconjurătoare au fost delimitate separat pe baza unei scanări T2-coronale suplimentare de 2 mm grosime folosind metoda de segmentare multi-atlas de segmentare automată a subcampurilor hipocampului (ASHS). Coordonatele de contact ale electrozilor derivate din scanările CT post-implant co-înregistrate au fost apoi mapate la scanările RMN pre-implant pentru a determina locațiile anatomice ale acestora. Pentru benzile și grilele subdurale, contactele electrozilor au fost proiectate suplimentar pe suprafața corticală folosind un algoritm de minimizare a energiei pentru a ține cont de schimbarea postoperatorie a creierului. Locațiile de contact au fost revizuite și confirmate pe suprafețe și imagini transversale de către un neuroradiolog. Scanările RMN ponderate T1-au fost înregistrate și la creierul standard MNI152 pentru a permite compararea locurilor de înregistrare într-un spațiu comun între subiecți. Locațiile anatomice ale locurilor de înregistrare, inclusiv zonele Brodmann, au fost obținute prin conversia coordonatelor MNI în spațiul Talairach și interogarea demonului Ta-Talairach (www.talairach.org).

2.3. Înregistrări electrofiziologice

Semnalele EEG au fost înregistrate folosind unul dintre următoarele sisteme clinice de achiziție electrofiziologică (în funcție de instituția de colectare a datelor): Nihon Kohden EEG-1200, Natus XLTek EMU 128 sau Grass Aura-LTM64. În funcție de sistemul de achiziție și de preferința echipei clinice, semnalele au fost prelevate fie la 500, 1000 sau 1600 Hz și au fost raportate la un contact comun plasat fie intracranian, pe scalp, fie pe procesul mastoid. Pentru analiză, toate înregistrările care utilizează rate de eșantionare mai mari au fost filtrate de un filtru de antialiasing și eșantionate în jos la 500 Hz. Un montaj bipolar comun a fost calculat post-hoc pentru fiecare subiect prin scăderea seriilor temporale de tensiune măsurată pe toate perechile de contacte adiacente spațial. Acest lucru a dus la N-1 semnale bipolare în cazul electrozilor penetranți și al electrozilor de bandă și N=(i − 1)∗j plus (j − 1)∗I, unde i și j sunt numărul de contacte din dimensiunile verticale și orizontale ale rețelei. Pentru analiza datelor din acest studiu, un „electrod” se referă la semnalul bipolar de la o pereche de contacte bipolare. Este important de reținut că contactele pot fi utilizate pentru mai mulți electrozi, astfel încât nu toate semnalele sunt cu adevărat independente.

2.4. Sarcină de rechemare gratuită

O paradigmă clasică pentru sondarea formării episodice verbalememoriea fost angajat (Kahana, 2014), în care subiecților li s-au arătat liste de cuvinte pentru reamintirea liberă ulterioară. Participanții au fost instruiți să studieze liste de cuvinte prezentate pe ecranul unui laptop pentru un test întârziat de reamintire vocală. Listele au fost compuse din 12 cuvinte alese la întâmplare și fără înlocuire dintr-un grup de substantive de înaltă frecvență în limba maternă a subiectului (fie engleză, fie spaniolă; http://memory.psych.upenn.edu/WordPools). Fiecare cuvânt a apărut pe ecran timp de 1600 ms, urmat de un jitter aleatoriu de 750 până la 1000 ms interval gol între stimuli. La sfârșitul fiecărei liste de cuvinte, subiectul executa o sarcină de distracție. Această sarcină a durat 20 s și a fost compusă dintr-o serie de probleme simple, aritmetice, de format A plus B plus C, unde A, B și C erau numere întregi aleatorii, dintr-o singură cifră, între 1 și 9. După sarcina de distragere, participanților li sa dat 30 de secunde pentru a-și aminti cât mai multe cuvinte din listă, în orice ordine (Fig. 1). Răspunsurile vocale au fost înregistrate digital de laptop și au fost ulterior notate manual pentru analiză. Doar subiecții care și-au amintit cel puțin 15 la sută din cuvinte și au finalizat cel puțin 12 liste ale sarcinii au fost incluși în analize ulterioare (Long et al., 2014). Acest lucru a lăsat 139 din cei 164 de subiecți inițiali pentru un total de 14.219 de electrozi utilizați în acest studiu. Înregistrările logice de electroliză au fost sincronizate cu apariția stimulului pe ecran printr-un generator de impulsuri electrice operat de laptopul de activitate, care a trimis impulsuri către un canal de eveniment desemnat în sistemul de achiziție clinică. Evenimentele au fost marcate de timp după sesiunea de înregistrare folosind coduri MATLAB personalizate și au fost folosite pentru a extrage epoci specifice de interes în jurul prezentării cuvintelor. Fiecare epocă înregistrată a avut o lungime de 3000 ms și a inclus 1600 ms de prezentare a cuvântului pe ecran cu 700 ms de ecran gol al intervalului interstimul înainte și după fiecare prezentare a cuvântului.

Puterea spectrală medie a semnalelor EEG din epoci de prezentare a cuvântului (un cuvânt per încercare) a fost integrată în întreaga epocă și utilizată ca o caracteristică pentru a clasifica electrozii activi care înregistrează din regiunile creierului implicate în verbalmemoriecodificare. Electrozii activi au fost clasificați independent în șase benzi de frecvență ale spectrului EEG utilizând estimări normalizate ale schimbării puterii (transformarea scorului z). Procedura de clasificare a folosit o metodă nesupravegheată bazată pe modelul de amestec gaussian (Saboo et al., 2019). Observați activitatea indusă în toate cele șase benzi de frecvență în exemplul de spectrograma reprezentată grafic din activitatea medie de probă de la un electrod localizat în cortexul occipital.

2.5. Analiza datelor

Am analizat epocile de înregistrare iEEG în timpul prezentării cuvântului pentrumemoriecodificare. Fiecare epocă de prezentare a fost filtrată FIR (2000- ordin Barlett-Hanning cu filtrare cu distorsiune de fază zero, trecere de bandă cu limite de frecvență specificate pentru fiecare bandă de frecvență) înainte de a fi descompusă spectral, normalizat și împărțit independent în benzi de frecvență distincte între 2 și 120 Hz: theta scăzut (2–4 Hz), theta ridicat (5–9 Hz), alfa (10–15 Hz), beta (16–25 Hz), gamma scăzut (25–55 Hz) și ridicat gamma (65–115 Hz). Limitele pentru aceste benzi de frecvență au fost determinate pe baza intervalelor nesuprapuse și continue care au crescut în lățime de-a lungul spectrului de frecvență. Limita superioară de 115 Hz a fost aleasă pentru a asigura cel puțin 4 probe pe ciclu având în vedere frecvența de eșantionare de 500 Hz și pentru a evita armonica zgomotului de linie de 60 Hz. Pentru a converti semnalele filtrate într-o spectrogramă cu a

Rezoluție bin de frecvență de 2 Hz de la 2 Hz la 115 Hz, am folosit ferestre glisante de 500 ms cu lungimi de glisare de 5 ms și metoda multi-taper cu 1 conic din setul de instrumente cronice din MATLAB (http://chronux.org/; Mitra, 2007). Spectrogramele epoca de prezentare a cuvântului au fost analizate împreună după log-normalizare și o transformare z-score a fiecărui punct de timp-frecvență. Scorul Z a fost efectuat conform următoarei formule:

x(t, f) − μ

z(t, f)=σ

unde x este semnalul, t este intervalul de timp, f este intervalul de frecvență, f este media și f este abaterea standard pentru frecvența dată. Fiecare studiu a fost normalizat separat. Normalizarea log a fost implementată pentru a corecta efectul legii puterii 1/f al frecvențelor inferioare asupra estimării puterii în benzile de frecvență mai înalte, iar transformarea scorului z a fost efectuată pentru a oferi o scară normalizată a schimbării puterii pentru compararea semnalelor de la diferiți electrozi. , sesiuni și participanți (Kucewicz și colab., 2019, 2017; Saboo și colab., 2019). Această normalizare a scorului z produce modificări de putere pozitive și negative în raport cu puterea medie în cadrul oricărei epoci cu un singur cuvânt, în loc să utilizeze o perioadă „de referință”. Prin urmare, chiar și micile abateri pozitive sau negative ale puterii absolute ar fi efectiv mărite în raport cu media semnalului, așa cum s-a descris anterior (Kucewicz și colab., 2019; Alotaiby și colab., 2015). Artefactele marginilor din estimarea puterii au fost eliminate prin tăierea binelor de două ori de la fiecare capăt al spectrogramei finale pentru toate frecvențele. Pentru fiecare electrod și bandă de frecvență, am determinat puterea spectrală medie la fiecare interval de timp în toate epocile de prezentare a cuvintelor. Puterea globală indusă într-o bandă de frecvență dată în timpul perioadei de prezentare a cuvântului a fost cuantificată ca aria sub valoarea absolută a curbei corespunzătoare a seriei de timp, așa cum se arată în Fig. 1. Electrozii au fost apoi clasificați în „activ” și „inactiv” în fiecare bandă specifică folosind metoda noastră de grupare nesupravegheată bazată pe modelarea amestecului gaussian (GMM) pentru a-i identifica pe cei care au arătat modificări de putere induse de sarcină (Saboo et al., 2019). ). Această metodă realizează în esență o clasificare binară de învățare automată a canalelor active și inactive pe baza valorii puterii induse a fiecărui canal. Clasificarea a fost făcută separat pentru fiecare bandă de frecvență de interes. Întreaga procedură este rezumată în fig. 1.

Am ales o metodă bazată pe GMM pentru a ne asigura că vor fi permise diferite numere reflectorizante pentru grupurile de electrozi activi și electrozi inactivi. Numărul de clustere a fost setat la două deoarece clasificarea activ-inactiv a electrozilor este binară: modificarea puterii spectrale poate fi fie indusă (creștetă sau scăzută) fie nu în timpul perioadei de prezentare a cuvântului. Utilizarea unui GMM a permis, de asemenea, clasicificarea fără o cerință pentru datele adevărului de la sol. Electrozii au fost combinați între subiecți și apoi grupați pentru a identifica electrozii activi.

2.6. Maparea puterii induse

Majoritatea electrozilor activi au fost localizați în regiunile corticale asociate cu procesarea informațiilor vizuale și semantice, precum și cu declarații.memoriesi functii executive. Din 39 de zone Brod-Mann, majoritatea locațiilor electrozilor grupate în 9 re-regiuni ale creierului, fiecare cuprinzând zone Brodmann: vizuale (zonele Brodmann 18 și 19), temporal inferior (zonele Brodmann 20 și 37), precuneus (zonele Brodmann principale). 30 și 31), parietal lateral (zonele Brodmann 7 și 39), temporal mezial (zona Brodmann 28 și Hipocampus), temporal lateral (zonele Brodmann 21 și 22), zonele Broca (zonele Brodmann 44 și 45), prefrontal lateral (zonele Brodmann). 9 și 46) și stâlp frontal (zonele Brodmann 10 și 11). Dacă nu se precizează altfel, toate analizele ulterioare s-au concentrat asupra epocilor de cuvinte amintite, adică epocilor cu cuvinte codificate cu succes care au fost ulterior amintite liber, în aceste nouă regiuni corticale.

Modificările de putere induse în fiecare bandă de frecvență au fost reprezentate grafic de la toți electrozii activi pe o suprafață medie a creierului pentru fiecare punct de timp al epocii cuvântului, folosind un cod MATLAB personalizat pentru o tehnică de cântărire dependentă de locația electrodului. Suprafața creierului a fost creată ca o plasă, în care fiecărui element al plasei i-a fost atribuită o culoare în funcție de puterea indusă a electrozilor din jur cântărite de distanța relativă la element (greutate mai mare la electrozi mai proximali). Pentru fiecare element de plasă al suprafeței creierului reprezentat, au fost luate în considerare numai efectele electrozilor într-un prag de 10 mm de punctul central al elementului. Prin urmare, puterea indusă a fost mediată de la toți electrozii din raza pragului care au fost ponderați liniar prin apropierea lor conform următoarei formule:

IP1∗ (prag− r1) plus IP2∗ (prag− r2) plus … plus IP ∗ (prag− rn )

(prag− r1 ) plus (prag− r2 ) plus … plus (prag− rn )

unde IP este valoarea de schimbare a puterii induse pentru un electrod și r este distanța dintre electrod și elementul ales al rețelei de suprafață a creierului.

2.7. Statistici

Testele ANOVA cu corecții de comparație multiple pentru efectele benzii de frecvență, ale regiunii creierului (Zona Brodmann) și ale emisferei au fost utilizate pentru a analiza procentul de electrozi într-o zonă etichetată ca „ac-time (Fig. 2). Diferențele temporale între emisfere. au fost cuantificate folosind o statistică de test t cu două cozi, nepereche, cu corecție Bonferroni (Fig. 3A). Apoi am împărțit fiecare epocă a cuvântului în faze de pre-codificare, codificare timpurie, codificare târzie și faze de post-codificare (Burke et al. , 2014; Kucewicz et al., 2019) și au folosit măsuri repetate ANOVA (faza de codificare ca factor în cadrul subiecților) cu testul posthoc Tukey-Kramer pentru a analiza efectele benzii de frecvență, regiunii creierului și emisferei asupra puterii induse în timpul fiecărei faza verbaluluimemoriesarcină (Fig.3B). Latența de vârf pentru fiecare bandă de frecvență și zonă a fost determinată ca interval de timp cu vârful pozitiv maxim al puterii induse. Orașele latine au fost comparate utilizând măsuri repetate ANOVA (faza de codificare ca factor în cadrul subiecților) și teste de comparație multiplă Tukey-Kramer post-hoc (Fig. 4). Testul de corelație al lui Pearson a fost utilizat pentru a evalua efectul poziției de-a lungul fiecărei axe a creierului asupra timpului de latență a puterii de vârf (Fig.5B). Valoarea alfa pentru toate testele a fost setată la 0,05.

3. Rezultate

3.1. Activitățile spectrale induse în timpul codificării memoriei sunt distribuite eterogen în cortexul uman

Am identificat mai întâi un subset de electrozi din zonele corticale activate în timpulmemoriecodificare. În acest scop, puterea spectrală în bandă în șase intervale de frecvență care nu se suprapun (theta scăzut: 2–4 Hz, theta ridicat: 5–9 Hz, alfa: 10–15 Hz, beta: 16– 25 Hz, gamma scăzută: 25–55 Hz, gamma ridicată: 65–115 Hz) a fost utilizată ca caracteristici pentru clasificarea automată a electrozilor activi (Saboo et al., 2019) independent în fiecare bandă (Fig. 1). Din totalul de 14.219 electrozi implantați la toți participanții, 4738 (33,3 la sută) au arătat puterea spectrală indusă în cel puțin una dintre benzile de frecvență. Prin urmare, un loc tipic de electrod a arătat putere indusă într-un interval definit de benzi de frecvență joasă, intermediară sau înaltă (Fig.2A). În acord cu rezultatele noastre anterioare (Kucewicz et al., 2019; Alotaiby et al., 2015), acești electrozi activi au fost distribuiți pe scară largă în 39 de zone Brodmann care au fost definite în toți lobii corticali (Fig.2B). Proporția relativă de electrozi din fiecare zonă Brodmann care au variat în mod activ de la 4,3% la 75%, în funcție de locația din lobii limbic, frontal, prefrontal, parietal, temporal sau occipital (ANOVA F=99.21, p. < 0,001,="" df="5)," cu="" electrozi="" semnificativ="" mai="" activi="" găsiți="" în="" zonele="" vizuale="" senzoriale="" ale="" cortexului="" occipital="" și="" parietal="" (posthoc="" tukey="" kramer,="" p="">< 0,05).="" în="" fiecare="" zonă,="" s-au="" observat="" proporții="" similare="" în="" fiecare="" bandă="" de="" frecvență,="" inclusiv="" banda="" alfa="" și="" beta,="" fără="" diferențe="" semnificative="" pe="" tot="" spectrul="" (anova="" n-cai="" f="0.17," p="0.9747" ,="" df="5)." în="" rezumat,="" indiferent="" de="" banda="" de="" frecvență="" analizată,="" cel="" puțin="" 4%="" din="" locațiile="" electrozilor="" din="" oricare="" dintre="" zonele="" corticale="" analizate="" au="" evidențiat="" putere="" indusă="" semnificativ="" în="" timpul="">

To investigate whether these various low and high-frequency spectral activities were induced on the same electrodes, we summarized the over-lap across the six frequency bands for nine cortical regions of interest (ROI; each composed of two Brodmann areas with >18 active electrodes from >8 participanți; vezi tabelul 1). Un electrod poate fi activ în una sau mai multe benzi. Am descoperit că cea mai mare proporție de electrozi a fost activă doar în una (43,12 la sută) sau două (22,94 la sută) benzi și proporțional mai puține în mai mult de două benzi, cu doar o minoritate (5,4 la sută) active în toate cele șase (Fig. 2C). Cea mai mare suprapunere a puterii spectrale induse în mai mult de două benzi a fost observată pentru electrozii din zonele vizuale senzoriale posterioare ale cortexului occipital (Fig. 2C; roșu), unde 4-5 benzi au fost activate în medie per electrod în timpul codificării cuvântului. Alte zone vizuale ale cortexului temporal și parietal au prezentat, de asemenea, distribuții relativ mari ale electrozilor cu mai mult de două benzi activate, spre deosebire de zonele anterioare de procesare de ordin superior din cortexul temporal și prefrontal, unde electrozii erau activi în 1-2 benzi de frecvență. (Fig. 2C; negru). În general, majoritatea zonelor electrozilor au arătat puterea spectrală redusă în una sau două benzi de frecvență specifice, ceea ce sugerează că diferitele activități au fost segregate spațial în cortex.

Fig. 2. Activitățile spectrale induse în timpul codificării memoriei verbale sunt distribuite neuniform în creierul uman. (A) Exemple reprezentative de spectrograme cu medie de probă în timpul codificării cuvintelor de la electrozii activi arată schimbările de putere induse limitate independent la fiecare dintre cele trei grupuri de frecvență din diferite locații anatomice. (B) Proporțiile electrozilor activi în șase benzi de frecvență studiate (theta scăzut: 2–4 Hz, theta ridicat: 5–9 Hz, alfa: 10–15 Hz) beta:

16–25 Hz, gamma scăzută: 25–55 Hz, gamma ridicată: 65–115 Hz) prezintă diferențe semnificative (ANOVA) în distribuția anatomică (asteriscuri roșii; p < 0.05="" test="" post-hoc="" tukey="" kramer="" ),="" dar="" nu="" peste="" benzile="" de="" frecvență,="" așa="" cum="" este="" rezumat="" în="" diagramele="" de="" casetă="" introduse.="" (c)="" distribuția="" electrozilor="" activi="" în="" una="" sau="" mai="" multe="" benzi="" de="" frecvență="" relevă="" cea="" mai="" mare="" suprapunere="" în="" zonele="" posterioare="" ale="" cortexului="" vizual="" occipital="" și="" parietal,="" care="" scădea="" treptat="" în="" zonele="" corticale="" mai="" anterioare,="" așa="" cum="" se="" arată="" în="" graficul="" suprafeței="" medii="" a="" creierului.="" și="" rezumatul="" desenului="" animat="" al="" tuturor="" electrozilor="" activi="" (punctele="" colorate="" conform="" diagramei="" cu="" bare)="" și="" în="" diagramele="" de="" vioară="" (liniile="" negre="" și="" roșii="" indică="" media="" și="" mediana,="" respectiv="" (hoffmann,="" 2015)).="" (d)="" distribuția="" tuturor="" electrozilor="" activi="" în="" benzile="" gamma="" (frecvență="" înaltă),="" alfa/beta="" (frecvență="" intermediară)="" și="" theta="" (frecvență="" joasă)="" diferă="" în="" nouă="" regiuni="" corticale="" de="" interes="" selectate="" (v="" -="" vizual;="" it="" -="" temporal="" inferior;="" pre="" -="" precuneus;="" par="" -="" parietal="" lateral;="" mtl="" -="" lob="" temporal="" mezial;="" lt="" -="" temporal="" lateral;="" br="" -="" zona="" lui="" broca;="" pfc="" -="" cortex="" prefrontal;="" fp="" -="" pol="" frontal)="" cu="" relativ="" mai="" multi="" electrozi="" prefrontali="" activi="" in="" ​​benzile="" gamma="" (rosu)="" si="" mai="" multi="" electrozi="" în="" zonele="" vizuale="" active="" pe="" toate="" benzile="" (negru)="" așa="" cum="" se="" arată="" în="" graficul="" suprafeței="" medii="" a="" creierului,="" rezumatul="" desenului="" animat="" și="" graficul="" viorii.="" observați="" că="" majoritatea="" electrozilor="" în="" general="" erau="" activi="" în="" doar="" una="" sau="" două="" benzi="" de="" frecvență="" fie="" dintre="" frecvențele="" joase,="" intermediare="" sau="" înalte,="" cu="" excepția="" zonelor="" vizuale="" cu="" mai="" mult="" de="" două="" benzi="" de="" frecvență="" active="" pentru="" fiecare="" electrod="" (pentru="" interpretarea="" referințelor="" la="" culoare="" în="" acest="" legenda="" figurii,="" cititorul="" este="" trimis="" la="" versiunea="" web="" a="" acestui="">

Apoi am întrebat dacă activitățile spectrale care au fost induse la orice loc de electrod se suprapun în intervale de frecvență similare. Am grupat activitățile în grupuri de frecvență joasă, intermediară și înaltă (theta, alfa/beta și, respectiv, gamma) și am comparat proporțiile de electrozi activi cu diferite combinații de grupuri. Mai mult de jumătate din toți electrozii activi au arătat că puterea indusă este exclusiv în benzile de frecvență joasă, intermediară sau înaltă (Fig.2D). Electrozii cu suprapunere mare în toate grupurile au fost localizați predominant în zonele vizuale posterioare (Fig.2D; negru). Locurile de electrozi rămase care au arătat putere indusă într-unul dintre cele trei grupuri de frecvență au fost distribuite uniform în cortex, cu proporții similare în fiecare ROI, în afară de zonele prefrontale în care au fost prezente relativ mai multe activități gamma de înaltă frecvență în timpul codificării memoriei (Fig. .2D; roșu). Rezultatele noastre au arătat că activitățile dintr-un anumit interval de frecvență au fost induse mai ales la anumite locuri corticale, formând un model de distribuție asemănător mozaicului, în concordanță cu noțiunea de „amprente spectrale” (Siegel și colab., 2012).

3.2. Efectul de lateralitate al puterii induse este specific anumitor frecvențe și zone corticale

Următoarea noastră întrebare a fost dacă puterea totală în bandă indusă în timpul codificării cuvântului (Fig. 1) a fost diferită în funcție de locația anatomică, banda de frecvență sau emisfera. Electrozii activi individuali pot prezenta magnitudini similare ale puterii induse, în ciuda distribuției eterogene în regiunile corticale (Fig. 2). În general, a existat un efect semnificativ al benzii de frecvență asupra puterii induse (măsuri repetate ANOVA F=1346.99,p < 0.001,="" df="" {="" {8}}).="" regiunea="" creierului="" (anova="" f="38.21," p="">< 0,001,="" df="37)" și="" a="" locației="" emisferei="" electrodului="" (anova="" f="17.4," p="">< 0,001,="" df="" {{{="" 18}}).="">

Fig. 3. Profile temporale ale puterii induse în timpul codificării efectelor lateralității relevate în anumite frecvențe și zone corticale. (A) Fiecare panou afișează schimbările de putere medie de probă în timpul prezentării cuvântului (fond gri) estimate de la toți electrozii activi dintr-o bandă de frecvență dată și o regiune a creierului reprezentate separat pentru emisfera stângă și dreaptă (roșu și albastru, respectiv) . Graficele zonelor gri din fundal rezumă diferența statistică (statistica t) dintre cele două emisfere în intervale de timp de 50 ms, cu gri închis care indică semnificativ mai mare (valori t pozitive) sau mai puțin (valori t negative) putere în emisfera stângă (linii punctate orizontale; test t Student, p < 0.05).="" observați="" că="" efectul="" de="" lateralitate="" semnificativ="" este="" localizat="" în="" benzi="" de="" frecvență="" specifice="" într-o="" anumită="" regiune="" a="" creierului.="" (b)="" comparație="" sumară="" a="" puterii="" totale="" induse="" (măsuri="" repetate="" anova)="" din="" toate="" benzile="" de="" frecvență="" din="" cele="" nouă="" regiuni="" ale="" creierului="" (vezi="" fig.="" 2="" pentru="" etichete)="" și="" patru="" etape="" de="" codificare="" a="" memoriei="" -="" factorul="" în="" interiorul="" subiecților="" (asteriscurile="" roșii="" indică="" o="" diferență="" semnificativă).="" testul="" tukey-kramer,="" p="">< 0,05).="">MemorieEfectul a fost cel mai mare în cortexul prefrontal stâng (indicat de săgeata dublă neagră), în timp ce, MTL a arătat cel mai mare efect în zonele emisferei drepte (Pentru interpretarea referințelor la culoare în această legendă a figurii, cititorul este trimis la web versiunea acestui articol.).

analiza de grup (Tukey-Kramer, p < 0.05)="" a="" confirmat="" o="" putere="" semnificativ="" mai="" mică="" cu="" frecvențele="" crescânde="" ale="" benzilor,="" cu="" excepția="" benzilor="" gamma="" joase="" și="" înalte="" (fig.="" 1="" suplimentară).="" electrozii="" din="" lobul="" occipital="" au="" arătat="" o="" putere="" indusă="" semnificativ="" mai="" mare="" decât="" în="" ​​orice="" altă="" zonă,="" în="" acord="" cu="" studiul="" nostru="" anterior="" al="" activităților="" gamma="" înalte="" (kucewicz="" et="" al.,="">