Kortikalni talasi tokom NREM spavanja i buđenja kod ljudi, 2. deo

Detekcija talasa. Srednja središnja frekvencija talasanja hipokampusa u devet studija bila je: 85 Hz kod ljudi (Bragin et al., 1999; Staba et al., 2004; Clemens et al., 2007; Axmacher et al., 2008; Le Van Quyen et al., 2008; Staresina et al., 2015; Jiang et al., 2019b; Norman et al., 2019; Vaz et al., 2019), dok je kod glodara frekvencija oštrih talasa-talasa;120-140 Hz ( Buzsáki, 2015.).

Detekcija talasa je tehnologija koja mjeri aktivnost ljudskog mozga. On hvata električnu aktivnost neurona u mozgu postavljanjem elektroda na vlasište i pretvara signal u elektroencefalogram snimljen na kompjuteru. Posljednjih godina, uz dubinsko proučavanje ljudskog mozga, detekcija mreškanja postala je artefakt za proučavanje kognicije, učenja, emocija itd., i postepeno je ušla u naš svakodnevni život.

Što se tiče pamćenja, istraživanja pokazuju da talasasta aktivnost ljudskog mozga igra ključnu ulogu u formiranju i održavanju sjećanja. Kada ljudski mozak obavlja zadatke učenja i pamćenja, može proizvesti talase specifičnih frekvencija između moždane kore, kao što su theta valovi i gama valovi. Ovi valovi mogu poboljšati kodiranje i pohranjivanje memorije, a također mogu pomoći u naknadnom pronalaženju i prisjećanju prošlosti. pohranjene informacije. Stoga se detekcija talasanja može koristiti za proučavanje mehanizma pamćenja ljudskog mozga i ima potencijal za kliničko liječenje kognitivnih poremećaja i poremećaja pamćenja.

Osim toga, detekcija valovitosti nam također pomaže da proširimo naše metode učenja. Kada učenici učestvuju u nastavi u učionici, oni mogu naučiti o individualnim karakteristikama učenja i preferencijama predmeta tako što snimaju talasaste aktivnosti mozga tokom procesa učenja, kako bi naučili i poboljšali se na ciljaniji način. Pored toga, pri učenju, odgovarajuća muzika i zvuci takođe imaju veliki uticaj na efekat učenja. Putem detekcije talasa mogu se odrediti reakcije različitih grupa ljudi na različite tonove i jačinu zvuka, tako da nastavnici ili učenici sami mogu odabrati najprikladniju muziku i zvukove za poboljšanje efekata učenja.

Ukratko, otkrivanje mreškanja igra veliku ulogu u našem životu i proučavanju. Mjerenjem talasne aktivnosti na određenim frekvencijama ljudskog mozga, možemo bolje razumjeti svoje karakteristike kognicije, učenja i pamćenja i pomoći nam da poboljšamo efekte učenja i kvalitetu života. Kako se nivo tehnologije poboljšava, detekcija talasanja će nastaviti da produbljuje svoja istraživanja kognitivne neuronauke i neuroloških bolesti, donoseći nam više izgleda i mogućnosti. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a Cistanche deserticola može značajno poboljšati pamćenje, jer i Cistanche deserticola može regulisati ravnotežu neurotransmitera, kao što je povećanje nivoa acetilholina i faktora rasta. Ove supstance su veoma važne za pamćenje i učenje. Osim toga, meso može poboljšati protok krvi i promovirati isporuku kisika, što može osigurati da mozak dobije dovoljno hranjivih tvari i energije, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.

Kliknite na saznajte 10 načina za poboljšanje memorije

Kod ljudi, hipokampalne mrlje od 90 Hz imaju isti karakterističan odnos prema oštrim valovima, intrahipokampalnoj lokalizaciji, modulaciji prema stadiju spavanja i odnosu prema kortikalnim valovima spavanja kao kod glodara, a javljaju se u hipokampusima koji nemaju znakove epileptičke uključenosti. Nadalje, u hipokampusu glodavaca, razlika između više frekvencijskih g rafala i talasa nije uvijek oštra, što dovodi do sugestije da se zbog jednostavnosti oboje nazivaju "mrebanjem" (Stark et al., 2014.), što ovdje slijedimo. .

Detekcija talasanja izvedena je na isti način za sve strukture i stanja i bazirana je na prethodno opisanoj metodi detekcije talasa hipokampusa (Jiang et al., 2019a,b). Zahtjevi za uključivanje i kriteriji za odbijanje određeni su korištenjem iterativnog procesa među pacijentima, strukturama i državama. Podaci su prvo propušteni na 60-120 Hz (Batterworth filter šestog reda sa pomakom nulte faze), a detektovani su gornji 20% od 20 ms pokretnih korijenskih srednjih kvadrata pikova.

Nadalje se zahtijevalo da maksimalni z rezultat analitičke amplitude 70-100 Hz propusnog opsega bude .3 i da postoje najmanje tri različita ciklusa oscilovanja u niskopropusnom signalu od 120 Hz, određena pomjeranjem prozora od 40 ms u koracima od 5 ms preko 650 ms u odnosu na srednju tačku talasa i zahtijeva da barem jedan prozor ima najmanje tri vrha. Susedni talasi unutar 25 ms su spojeni. Centri talasa su određeni kao vrijeme maksimalnog pozitivnog vrha u 70-100 Hz propusnom opsegu.

Počeci i pomaci talasa su identificirani sa svake strane središnjeg vrha kada je {{0}} Hz analitička amplituda pala ispod 0,75z rezultata. Da bi se odbacile epileptiformne aktivnosti ili artefakti, talasi su isključeni ako je apsolutna vrijednost z rezultata visokog prolaza od 100 Hz premašila 7 ili ako se dogodila unutar 2 s od promjene od 3 mV/ms u širokopojasnom LFP-u. Talasanje je također isključeno ako je palo unutar 6500 ms navodnih IIS-ova, otkrivenih na način opisan u nastavku.

Da bismo isključili događaje koji bi mogli biti povezani preko kanala zbog epileptiformne aktivnosti, isključili smo događaje koji su se poklopili s navodnim IIS-om na bilo kojem kortikalnom ili hipokampalnom SEEG kanalu uključenom u analize. Događaji u SEEG snimcima koji su imali samo jedan istaknuti ciklus ili otklon u širokopojasnom LFP-u koji se manifestirao kao više ciklusa iznad praga detekcije u pojasu 70-100 Hz bili su isključeni ako je najveća apsolutna amplituda od doline do vrha ili od vrha do doline u širokopojasnom LFP-u bio je 2,5 puta veći od trećeg po veličini.

Za svaki kanal, srednji LFP sa zaključanim talasima i srednji opseg talasa su vizuelno ispitani kako bi se potvrdilo da postoji više izraženih ciklusa na frekvenciji talasanja (70-100 Hz), a dijagram srednje vremenske frekvencije je ispitan kako bi se potvrdilo da je došlo do jasnog povećanja snage unutar 70-100 Hz opsega. Pored toga, vizuelno su ispitani višestruki pojedinačni talasi u širokopojasnom LFP-u i 70-100 Hz bandpass sa svakog kanala kako bi se potvrdilo da je postojalo više ciklusa na frekvenciji talasanja bez kontaminacije artefaktima ili epileptiformnom aktivnošću. Kanali koji nisu sadržavali talase koji su ispunjavali ove kriterije isključeni su iz studije.

Treba napomenuti da je nedavna studija identifikovala mreškanje na osnovu ovih kriterijuma kod pacijenata bez epilepsije (Rubin et al., 2022). Frekvencija oscilovanja svakog talasa izračunata je prvo brojanjem broja 70-100 Hz prelaza nulte frekvencije (svako predstavlja pola ciklusa) tokom događaja talasanja i dodavanjem bilo kojeg preostalog djelomičnog poluciklusa (tj. preostalog faznog ugla preko p). Broj poluciklusa u talasu podeljen je sa 2 da bi se izračunao ukupan broj ciklusa tokom talasa. Konačno, frekvencija oscilacije u Hertzima izračunata je kao broj ciklusa podijeljen s trajanjem talasanja u sekundama.

Oduzimanje jediničnih skokova od LFP-ova. Jedan izazov u otkrivanju visokofrekventnih oscilacija, kao što su talasi u LFP-u koje snima amikroelektroda, je da jedinični šiljci mogu "prokrvaviti" u microLFP (Ray, 2015), što rezultira otkrivanjem lažnih odnosa između talasa i jediničnih šiljaka. Iako su jedinični skokovi brzi događaji, jednostavno smanjenje uzorkovanja (koje zahtijeva prvo nisko prolazno da bi se spriječilo aliasing) možda neće u potpunosti ukloniti utjecaj akcionog potencijala na mikro-LFP.

Da bismo ovo riješili, koristili smo modificiranu tehniku ​​oduzimanja valnog oblika jediničnih šiljaka (Pesaran et al., 2002). Konkretno, prosječni talasni oblik (500 do 1600 ms oko korita) svake jedinice oduzet je od nefiltriranog 30 kHz Utah Array mikro-LFP istog kanala usredsređenog na svaki šiljak. Podaci su zatim smanjeni na 1 kHz i detekcija talasa je izvedena kao što je gore opisano. Potvrdili smo da je ova metoda dovela do detekcije pravih oscilacija kroz opsežnu vizuelnu potvrdu događaja u mikro-LFP-ovima od 30 kHz.

IIS otkrivanje i odbacivanje. Talasanje i drugi talasi spavanja su isključeni ako su bili unutar 6500 ms od pretpostavljenog IIS-a otkrivenog na sljedeći način: Visokofrekventni rezultat je izračunat izravnavanjem 70-190 Hz analitičke amplitude s funkcijom boxcar od 20 ms, a rezultat je generiran spiketemplate izračunavanjem unakrsne kovarijanse sa šablonom IIS. Visokofrekventni skor je ponderisan sa 13, spikescore je ponderisan sa 25, a IIS je detektovan kada su ove ponderisane sume premašile 130. Kod svakog pacijenta, otkriveni IIS i interventne epohe su vizuelno pregledani iz hipokampalnih i kortikalnih kanala (kada su prisutni) da bi se potvrdilo visoka osjetljivost i specifičnost detekcije.

Detekcija pad stanja, gore stanje i vretena spavanja. Donja i gornja stanja su detektirana kao što je prethodno opisano (Jiang et al., 2019a,b), gdje je širokopojasni LFP sa svakog kanala propušten od 0.1-4 Hz (šesti red Butterworthov filter sa pomakom nulte faze) i odabrani su uzastopni prelazi nule razdvojeni sa 0.25-3 s. Odabrano je gornjih 10% vrhova amplitude, a polaritet svakog signala je invertiran ako je potrebno tako da donja stanja budu negativna, a gornja stanja pozitivna, osiguravajući da je prosječna analitička amplituda 70-190 Hz pojasnog propuštanja unutar 6100 ms oko vrhova veća za gornje nego donje države. Detektovano je ukupno 2,649,563 down stanja, sa prosječnom SD (po kanalima) gustinom (stopom pojavljivanja) od 12.9 6 4.7 min1 i amplitudom od 237.3 6 169.8 mV. Detektovano je ukupno 2,922,211 gornjih država sa gustinom od 14.6 6 4.7 min1 i amplitudom od 163.8 6 84.9 mV.

Vretena su detektirana kao što je prethodno opisano (Hagler et al., 2018), gdje su podaci proslijeđeni na 10-16 Hz, a zatim su apsolutne vrijednosti izglađene konvolucijom sa suženim Tukeyjevim prozorom od 300 ms i srednjim vrijednostima su oduzeti od svakog kanala. Podaci su normalizirani srednjim apsolutnim odstupanjem, a vretena su otkrivena kada su vrhovi premašili 1 za najmanje 400 ms. Počeci i pomaci su označeni kada su ove amplitude pale ispod 1. Pretpostavljena vretena koja su se poklopila sa velikim porastom snage nižeg (4-8 Hz) ili višeg (18-25 Hz) opsega su odbijena da bi se isključili širokopojasni događaji, kao i theta rafali, koji se može proširiti na donji kraj raspona vretena (Gonzalez et al., 2018). Detektovano je ukupno 694.168 vretena sa prosječnom i SD (preko kanala) gustinom od 3.0 6 3.0 min1, amplitudom 29.1 6 13.5 mV, frekvencijom oscilacija 12.{{19} },7 Hz i trajanje od 633.5 6 67.2 ms.

Mreškanje vremenskih odnosa. Izračunati su histogrami vremena perikortikalnog talasa kortikalnih talasa spavanja na istom kanalu. Brojevi događaja su pronađeni u binama od 50 ms za talase spavanja unutar 61500 ms oko centara kortikalnih talasa na t=0. Null distribucija je generirana miješanjem vremena događaja u odnosu na talase na t=0 unutar ovog prozora od 3 s po 200 puta. Pre-FDR p vrijednosti su izračunate poređenjem uočenih i nultih distribucija unutar svakog bina preko 61000 ms za kortikalne talase spavanja. Ove p vrijednosti su zatim FDR-korigirane za broj kanala među pacijentima pomnožen sa brojem binova po kanalu (Benjamini i Hochberg, 1995). Smatralo se da kanal ima značajnu modulaciju ako postoje tri ili više uzastopnih bina sa FDR-korigiranim p vrijednostima manjim od=0.05. Da li su događaji bili vodeći ili zaostali kortikalni talasi na t=0 izračunato je za svaki kanal sa dvostranim binomnim testom sa očekivanom vrijednošću od 0,5, koristeći broj događaja u 1000 ms prije naspram 1000 ms nakon t=0 za talasi sna. Ploče su imale 50 ms Gaussov izglađeni broj događaja sa binovima od 50 ms.

Uslovne vjerovatnoće mreškanja s obzirom na sljedeće valove spavanja ili su izračunate njihove sekvence: downstate, vreteno, upstate, downstate-vreteno i vreteno-upstate. Mreškanje dato vretenu (R|SS) je određeno ako se centar talasanja pojavio tokom vretena (prosječno trajanje vretena je 634 ms). Smatralo se da talasanje prethodi anupstate (R|US) ili prati niže stanje (R|DS) ako se centar talasa dogodio unutar 634 ms pre ili posle vrha gornjeg ili nižeg stanja, respektivno.

Detekcija jedinica, klasifikacija, kvalitet i izolacija. Detekcija i klasifikacija jedinica izvršena je prema našim objavljenim procedurama (Peyrache et al., 2012; Chan et al., 2014; Dehghaniet al., 2016; Le Van Quyen et al., 2016; Telenczuk et al. , 2017; Eichenlaub et al., 2020; Dickey et al., 2021). Podaci su propušteni na 300-3000 Hz i navodni šiljci jedinice su otkriveni kada je filtrirani signal premašio 5 puta procijenjeni SD pozadinskog šuma. Jedinice su k-means grupisane koristeći prve tri glavne komponente svakog šiljka. Prekriveni šiljci su pregledani vizuelno, a oni sa abnormalnim talasnim oblicima su isključeni. Na osnovu njihovih talasnih oblika, brzina paljenja i autokorelograma, akcioni potencijali su grupirani kao nastali iz navodnih PY ili IN. PY je imao stope skokova od;0.1-0.8 Hz, duge intervale od doline do vrha i poluširine, oštre autokorelacije i distribuciju bimodalnog interspike intervala (ISI), što odražava sklonost pucanju u rafalima.

Nasuprot tome, IN-ovi su imali stope skokova od;{{0}} Hz, kratke intervale od doline do vrha i pola širine, široke autokorelacije i pretežno unimodalnu ISI distribuciju. Pacijent Utah Array uključen u studiju imao je 69 PY sa ukupno 231,922 skokova, kao i 23 IN sa ukupno 462,246 skokova. Prosječna i SD PY amplituda od doline do vrha bila je 44.8 6 12.9 mV, brzina skokova bila je {{20}}.28 6 0.17 Hz, od doline do vrha širina je bila 0.49 6 0.5 ms, poluvršna širina je bila {{40}}.62 6 0.04 ms, a indeks pucanja je bio 0.03 6 0.02. Prosječna i SD IN od doline do vrha amplituda je bila 28.9 6 11.9 mV, brzina skokova bila je 1.67 6 1.63 Hz, širina od doline do vrha bila je 0.29 60. 05 ms, širina pola vrha bila je 0.34 6 0.05 ms, a indeks praskanja bio je 0.01 6 0.01. Amplituda od doline do vrha, brzina skokova, širina od doline do vrha, širina pola vrha i indeks pucanja su se značajno razlikovali između PY i IN (p, 0,0001, dvostrani t-test sa dva uzorka).

Kvalitet pojedinačnih jedinica i izolacija potvrđeni su prema ranije utvrđenim smjernicama (Kaminski et al., 2020). Provjereno je da šiljci jedinice znatno premašuju donji prag buke na osnovu velikih vršnih odnosa signal-šum (PY: 10.1 6 3.4;IN: 5.9 6 3.1). Budući da je refraktorni period neuronskih skokova ;3 ms, postotak ISI, 3 ms procjenjuje stepen kontaminacije jedne jedinice šiljcima iz različitih jedinica, koji je bio vrlo nizak među jedinicama uključenim u ovu studiju (PY: 0.{14 }}.15%; IN: 0.31 6 0.50%). Nadalje, pojedinačne jedinice otkrivene na istom kontaktu bile su visoko odvojive prema udaljenostima njihove projekcije (Pouzat et al., 2002) (PY: 49.{ {21}}.8 SD; IN: 50.9 6 28.6 SD). Konačno, potvrđena je vremenska stabilnost skokova jedinica tokom vremena na osnovu konzistentnosti oblika srednjeg talasnog oblika i amplitude svake jedinice kroz kvartile snimanja.

Analize skokova jedinice tokom talasanja. Jedinični skokovi su analizirani u vezi sa lokalnim talasima otkrivenim na istom kontaktu. Faze talasanja jediničnih skokova određene su pronalaženjem ugla Hilbertove transformacije 70-100 Hz propusnog signala (pomak nulte faze) u vremenima skokova. Kružna srednja faza talasanja određena je za svaku jedinicu prema Berensu (2009). Fazne analize su obavljene samo na jedinicama koje su imale najmanje 30 skokova tokom lokalnih talasa. Rayleighov test je korišten za procjenu unimodalnog odstupanja od uniformnosti kružnih srednjih faza po jedinicama. PY–PY i PY–IN jedinični par kospaljivanja unutar 5 ms procijenjena je na osnovu Dickey et al. (2021). Da bismo procijenili kofirmaciju kada je bilo mreškanja na jednoj ili obje lokacije u odnosu na osnovnu liniju kada se nije javljalo valovanje, nasumično smo odabrali epohe bez valovanja koje se po broju i trajanju podudaraju s valovima, ali tokom kojih nije bilo mreškanja otkrivenih ni na jednom kanalu. Zajedničko paljenje tokom talasa sa uočenim nasumičnim vremenima šiljaka izračunato je mešanjem vremena naleta svake jedinice unutar intervala talasa.

Dizajn eksperimenta i statističke analize. Svi statistički testovi su ocijenjeni sa=0.05. Sve p vrijednosti koje uključuju višestruka poređenja su FDR-korigirane prema Benjamini i Hochberg (1995). Korekcije FDR-a u parovima kanala urađene su za sve parove kanala od svih pacijenata uključenih u analizu. Grafikoni kutija i brkova pokazuju srednji, srednji i interkvartilni raspon, sa brkovima koji označavaju interkvartilni raspon od 1,5 sa izostavljenim odstupnicima. Grafikoni gustine jezgra izrađeni su metodom iz Bechtolda (2016). Statistika značajnosti i miješanja histograma vremena peri-ripple izračunata je kao što je gore opisano. Statistika povećanja jedinice izračunata je kako je gore opisano.

Statistička poređenja između karakteristika valovitosti obavljena su korištenjem dvostranog uparenog ili dvostranog dvouzorka t-testova između srednjih kanala. Razlike u karakteristikama talasanja između stanja (NREM ili budno) ili regija (korteks ili hipokampus) određene su korištenjem linearnih modela mješovitih efekata sa stanjem i regijom kao fiksnim efektima i pacijentom kao slučajnim efektom, prema sljedećem modelu:

Dostupnost podataka. Neidentifikovani neobrađeni podaci koji podržavaju nalaze ove studije dostupni su od odgovarajućih autora na razuman zahtjev pod uslovom da sporazum o razmjeni podataka i pristanak pacijenata to dopuštaju.

Dostupnost koda. Kod koji podržava nalaze ove studije dostupan je od odgovarajućih autora na razuman zahtjev.

Rezultati

Talasanje je sveprisutno u svim stanjima i strukturama sa karakterističnom i žarišnom frekvencijom (;90 Hz) i trajanjem (;70 ms)

Mreškanje je otkriveno u intrakranijalnim kortikalnim i hipokampalnim SEEG snimcima od 17 pacijenata koji su podvrgnuti praćenju lokalizacije žarišta napadaja (Tabela 1). Bipolarne transkortikalne derivacije su osigurale mjerenje lokalno generiranih LFP-ova. Mreškanje je otkriveno isključivo iz nelezijskih, neepileptogenih regija i zahtijevalo se da imaju najmanje tri ciklusa povećane amplitude 70-100 Hz bez kontaminacije epileptiformnom aktivnošću ili artefaktima (slika 1A). Snimanje epoha i kanala sa mogućom kontaminacijom epileptiformnom aktivnošću su rigorozno odbačeni. Mreškanje je nađeno tokom buđenja i NREM-a u svim uzorkovanim oblastima kore (sl. 2A, B, E–J; tabela 3), kao i u hipokampusu (sl. 2C, D, K, L; tabela 3).

U svim stanjima i kortikalnim regijama, frekvencija talasa je bila izuzetno konzistentna na;90 Hz. Konkretno, srednja frekvencija kortikalnog talasanja unutar regije kretala se od 88.8-90.0 Hz tokom NREM i 89.2-89.8 Hz tokom buđenja (Tabela 3; Slika 3). Srednja frekvencija 6 SD talasa oscilacije na svim srednjim vrijednostima kortikalnih kanala tokom NREM-a bila je 89.1 6 0.8 Hz i tokom buđenja 89.5 6 0.7 Hz. Ovi podaci su takođe predstavljeni kao histogrami individualnih karakteristika talasa (amplituda, frekvencija, trajanje, povezane promene amplitude 0,200 Hz) na slici 4, kao i pojedinačni pacijenti na slici 5. Osnovne karakteristike kortikalnih talasa bile su veoma slične u dodatnoj analizi koja je samo uključeni kortikalni kanali bez IIS (slika 6A).

Frekvencija oscilacije nije bila samo vrlo konzistentna na;90 Hz preko talasa, već je povećana amplituda bila visoko koncentrisana tokom talasanja na;90 Hz u širokopojasnim snimcima, sa strmim padom amplitude na višim i nižim frekvencijama. Ovo povećanje žarišne snage, koje je posebno izraženo tokom NREM-a, može se vidjeti u primjerima kanala (Slika 2A, E–H), kao i na grafikonima velikog prosjeka vremenske frekvencije koji su prosječni za sve prosjeke kanala svih talasa (Slika 2I–L) .

Proveli smo dodatne analize kako bismo ispitali da li ova pravilnost i fokalnost frekvencije talasanja mogu biti posljedica našeg metoda njihovog otkrivanja. Prvo smo izvršili potpunu ponovnu analizu svih SEEG kanala i epoha koristeći dva različita opsega frekvencija za detekciju i selekciju talasa. Jedan je koristio propusni opseg detekcije od 70 do 100 Hz kao u našoj primarnoj analizi, a drugi je proširio opseg detekcije na 65-120 Hz. Srednja 6 SD NREM frekvencija talasastih oscilacija preko kanala (N=273) od svih SEEG pacijenata (S1-S17) je veoma sličan kada se koristi ili 70-100 Hz bandpass (prosječno 6 SD=89.1 60.8 Hz) ili 65-120 Hz propusni opseg (92.7 62.2 Hz) (slika 1B). Nadalje, potvrdili smo da 60 i 120 Hz zarezni filteri (za uklanjanje šuma linije) kao i 70-100 Hz bandpass nisu umjetno proizveli vršnu snagu na;90 Hz (slika 1C). Stoga se čini da je frekvencija talasastih oscilacija od;90 Hz fiziološka, ​​a ne da je vođena specifičnim metodama detekcije.

Prosečno trajanje talasanja je takođe bilo izuzetno konzistentno (;70 ms) u svim stanjima i kortikalnim regionima (Tabela 3). Trajanje i konzistentnost nisu objašnjeni zahtevom za detekciju od najmanje 3 ciklusa (koji na 90 Hz iznosi 33,3 ms), što sugeriše da je i ovo trajanje takođe fiziološka karakteristika. Ostale karakteristike, uključujući gustinu (NREM: 8.36 6 2.69 min1, buđenje: 5.77 6 3.42 min1), vršna amplituda (NREM: 5.10 6 2.25 mV, buđenje: 7.38 64.17 mV), i promjena amplitude od .200 Hz (NREM: 3.096 2.75%, buđenje: 33.02636.90%) su također bile veoma slične u svim kanalima (sl. 2, 3). Karakteristike talasanja su takođe bile konzistentne kod pacijenata (slika 5). Međutim, uočene su male, ali značajne razlike između regija, korteksa u odnosu na hipokampus, i NREM-a u odnosu na buđenje, koje su opisane u nastavku.

Mreškanja pokazuju male, ali značajne razlike između korteksa i hipokampusa

Ljudski hipokampalni talasi su prethodno odabrani različitim metodama (za pregled, vidi Jiang et al., 2019c). U našim prethodnim studijama, tražili smo da se talasi nametnu na oštre talase (karakterističan za prednji hipokampus) (Jiang et al., 2019a) ili vretena (karakterističan za zadnji hipokampus) (Jiang et al., 2019b). U trenutnoj studiji, ponovo smo analizirali ove podatke koristeći iste kriterijume i procedure koje smo koristili za detekciju i selekciju kortikalnih talasa, kako bismo izbegli bilo kakve metodološke nejasnoće; to jest, nismo zahtijevali prisustvo ili odsustvo bilo kakvog povezanog nižefrekventnog LFP potpisa.

Koristeći iste kriterije detekcije, otkrili smo da kortikalni i hipokampalni talasi dijele iste osnovne karakteristike s relativno malim razlikama. Osnovne karakteristike talasanja hipokampusa bile su vrlo slične u dodatnoj analizi, koja je uključivala samo hipokampalne kanale bez IIS-a (slika 6B). Tokom NREM-a, hipokampalni talasi su imali dijagrame prosečne vremenske frekvencije (sl. 2C, K) koje su ličile na odgovarajuće kortikalne dijagrame (sl. 2A, E–I) koje su imale koncentrisanu oscilatornu aktivnost na; 90 Hz, ali su se razlikovale po tome što su postavljene na vrhunac lokalni oštar talas – talasanje umesto da se javlja neposredno pre lokalnog gornjeg stanja kao što se vidi u korteksu. Tokom buđenja, dijagrami srednje vremenske frekvencije hipokampalnog (sl. 2D, L) i kortikalnog (sl. 2B, J) talasanja ponovo pokazuju koncentrisanu oscilatornu aktivnost na; 90 Hz, ali i sa aktivnošću koja se proteže na više frekvencije kao što je gore navedeno.

Statističke analize (slika 3) otkrile su nekoliko razlika koje su, iako male, ipak bile značajne, koje se mogu pripisati velikom broju kanala. Konkretno, u poređenju sa kortikalnim talasima, talasi hipokampusa su bili u proseku: nešto manje gusti tokom NREM-a, a gušći tokom buđenja; nešto niža frekvencija, posebno tokom NREM (ali ipak, razlika od 3 Hz); duže trajanje, posebno tokom NREM (ali, 10 ms razlika); veća amplituda (za;2,5); i praćen manjim, ali i dalje značajnim povećanjem amplitude od 0,200 Hz tokom buđenja u poređenju sa NREM. Osim toga, karakteristike kortikalnog talasa nisu bile značajno povezane sa gustinom povezivanja hipokampusa sa njihovom lokalnom parcelom (slika 7). Sve u svemu, kortikalni i hipokampalni talasi izgledaju vrlo slični, osim u svojim amplitudama i povezanim sporijim talasima tokom NREM (Slika 2; Sl. 8A–F).

Talasanje se može razlikovati od visokofrekventnih limbičkih oscilacija

Oscilatorna aktivnost na .60 Hz kod ljudi je prethodno proučavana, uglavnom u hipokampusu epilepsije. Le Van Quyen et al. (2010) izvještavaju o vjerovatnoj nepatološkoj aktivnosti, uglavnom s parahipokampalnih girusnih mjesta. Oni su nametnuli minimalno trajanje od 100 ms, što bi eliminisalo ogromnu većinu događaja koje smo proučavali (slike 3D, 4), i duže je od onih koji su prethodno prijavljeni za ljudske hipokampalne mreške (Jiang et al., 2019c), ljudske kortikalni talasi (Vaz i sur., 2019.) i talasi glodavaca (Buzsáki, 2015.).

Osim toga, u prosjeku je7 duži od događaja koje ovdje opisujemo, onih koje su opisali Le Van Quyen et al. (2010) se također razlikuju po tome što sadrže nekoliko oscilatornih frekvencija (dok su one koje su ovdje opisane snažno centrirane na;90 Hz) i imaju veće amplitude. Njihovi događaji su slični, međutim, po tome što su povezani sa gornjim državama i u modulirajućem paljenju jedinica (vidi dolje). Stoga smo bili zainteresovani za određivanje odnosa između uglavnom parahipokampalnih događaja opisali LeVan Quyen et al. (2010) i ovdje opisani rasprostranjeni kortikalni događaji.

Odabrali smo naše parahipokampalne kanale (N {{0}} kanala od 5 pacijenata) i implementirali ove kriterije odabira koje su opisali Le Van Quyen et al. (2010): podaci su bili propusni na 40-120 Hz, minimalno trajanje događaja je bilo 100 ms, a inače su događaji otkriveni kako je opisano u materijalima i metodama. Koristeći ove kriterije odabira, pronašli smo vrlo male gustine događaja. Prosječna gustina talasa parahipokampalnih kanala tokom NREM-a prema našim kriterijima bila je 9,08 min1 (raspon: 7.23-10,77 min1), dok je korištenjem Le Van Quyen et al. (2010) kriterijumi detekcije bili su samo 0,40 min1 (opseg: 0-1,53 min1). Dakle, ovdje opisani događaji ne odgovaraju onima koje su prethodno izvijestili Le Van Quyen et al. (2010).

Mreškanja pokazuju male, ali značajne razlike između primarnog senzorno-motornog i asocijacijskog korteksa

Prethodni rad na pacovima koji spavaju (Khodagholy et al., 2017.) i budnim ljudima (Vaz et al., 2019.) otkrili su da su kortikalni talasi češći u asocijacijskim područjima nego u ranim senzornim i motoričkim regijama gdje su bili odsutni ili su bili rijetki. Nasuprot tome, otkrili smo da su gustina mreškanja, amplituda i prateća amplituda od 200 Hz (zastupnik za aktiviranje jedinice) (Mukamel et al., 2005.) u primarnom korteksu bili značajno veći nego u asocijacijskim područjima, što pokazuje pozitivna korelacija sa indeksom mijelinizacije (Slika 8G–I) (Rosen i Halgren, 2021). Frekvencija i trajanje oscilacija nisu bili u korelaciji sa indeksom mijelinizacije (slika 9). U nekim slučajevima, ovaj efekat je bio mali, na primer, objašnjavajući samo 1,7% varijanse u gustini tokom buđenja i 4,4% tokom NREM. U drugim slučajevima, efekat je bio značajan, na primer, objašnjavajući 19,4% varijanse u amplitudi tokom NREM. Upoređujući NREM i buđenje, u NREM-u je postojala značajno jača korelacija između indeksa mijelinizacije i gustine (p=0.02, t=2.1), amplitude (p=8 104,t {{19 }}.2), i modulacija .200 Hz (p=2 106, t=4.7; jednostrani upareni r test; MATLAB: r_test_ upareni) (Steiger, 1980). Sve u svemu, čini se da su ljudski kortikalni talasi skromno brojniji i robusniji u senzornim i motoričkim nego asocijacijskim područjima.

Talasanje pokazuje male, ali značajne razlike između NREM-a i buđenja

Većina karakteristika kortikalnog i hipokampalnog talasa bile su slične između NREM-a i buđenja (Slika 3; Tabela 3), ali zbog velikog broja događaja, čak i male razlike su bile značajne. Uzimajući u obzir samo razlike od 0,10%, gustina kortikalnog talasa je bila 31% veća, a amplituda 43% niža tokom NREM-a nego buđenja. Trajanje talasanja bilo je 13% duže u korteksu i 20% duže u hipokampusu tokom NREM-a nego buđenja. Najupečatljivije razlike bile su procentualne promjene srednje amplitude od 200 Hz tokom talasa u poređenju sa baznom linijom od 2 do 1 s (slika 3E), koja je povećala 969% od NREM do buđenja u korteksu i 304% u hipokampusu.

Vidi se da je ova razlika širokopojasna u vremensko-frekvencijskim dijagramima iz korteksa (Slika 2Bii, J) i hipokampusa (Slika 2Dii, L), izazvanih talasima u budnom stanju, i stoga bi se obično tumačila ne kao anoscilacija, već kao indikacija povećane aktivnosti više jedinica. Dakle, u poređenju sa buđenjem, kortikalni talasi su nešto gušći, duži i manji u NREM-u; talasanje hipokampusa je takođe duže. Jedina velika razlika je u tome što se čini da su i kortikalni i hipokampalni talasi povezani sa mnogo većim povećanjem navodne aktivnosti više jedinica tokom buđenja nego NREM.

Kortikalni talasi blokiraju talase spavanja koji su ključni za konsolidaciju pamćenja

Oscilacijske sprege su važne za konsolidaciju memorije (Latchoumane et al., 2017). Prethodne studije su pokazale da se kortikalni talasi javljaju na vrhovima gornje države i vretena kod mačaka (Grenier et al., 2001.) i pacova (Khodagholy et al., 2017.), ali ti odnosi nisu procijenjeni kod ljudi. Otkrili smo donja i gornja stanja, sa polaritetima koji su određeni na osnovu povezane visokofrekventne aktivnosti (za detalje pogledajte Materijali i metode), kao i vretena, i otkrili da su kortikalni talasi bili precizno povezani sa nizom talasa spavanja opisanim iznad (Slika 10; Tabela 4 ). Konkretno, u 95% kortikalnih kanala, talasi su bili značajno povezani sa nižim i gornjim stanjima (sl. 10B, D, E), obično na tranziciji odozdo ka gore, kao što se vidi u pojedinačnim ispitivanjima (slike 2Aiii,10A), i u Proseci širokopojasnog LFP-a izazvani talasima (slika 2Ai, E–H).

Histogrami perifernog talasa pokazuju da su se, u proseku, centri kortikalnih talasa pojavili 450 ms nakon maksimuma u nižem stanju i 100 ms pre maksimuma u gornjem delu (Slika 10B, D–G). Manje često, talasi su se javljali tokom vretena (značajna povezanost u 29% kanala; sl. 10C, E), kao što se vidi u pojedinačnim ispitivanjima (slika 10A), i na dijagramima vremenske frekvencije peri-ripple (slika 2Aii, E). Histogrami perifernog talasa pokazuju da su vretena počela u proseku 225 ms pre kortikalnog centra talasanja, što ukazuje da se talasi obično javljaju tokom vretena (Slika 10C, E–G). Verovatnoća da se talasi pojave tokom vretena koja prethode gornjim državama bila je veća od one za talasanje koje se javlja tokom vretena, ili pre upstanja (slika 10H). Ovi rezultati sugeriraju da je vrijeme kortikalnih talasa tokom NREM-a prikladno za olakšavanje konsolidacije, vođeno sekvencijalnom aktivacijom talasa spavanja.

For more information:1950477648nn@gmail.com