Кортикални вълни по време на NREM сън и събуждане при хората, част 1

Вълничките на хипокампа индексират реконструкцията на пространствено-времеви модели на невронално задействане, които са от съществено значение за консолидирането на спомените в кората на главния мозък по време на сън с небързо движение на очите (NREM). Напоследък беше показано, че кортикалните вълни при хора обгръщат повторението на моделите на задействане на неврони по време на извикване на сигнал. Тук, използвайки вътречерепни записи от 18 пациенти (12 жени), ние показваме, че кортикалните вълни също се появяват по време на NREM при хора, с подобна плътност, честота на трептене (;90 Hz), продължителност и амплитуда на събуждане.

Хипокампалните вълни са важна невронна дейност в човешкия мозък и имат много важно въздействие върху паметта на мозъка. Изследванията показват, че стабилността и редовността на хипокампалните вълни са тясно свързани със силата на паметта.

Положителните емоции и емоциите могат да насърчат стабилността и редовността на човешките хипокампални вълни, като по този начин подобряват нивото на паметта на човешкия мозък. Това означава, че докато посрещаме живота положително и поддържаме щастливо отношение, вълните на хипокампуса могат да работят по-ефективно, като по този начин ни помагат да помним, мислим, учим и творим по-добре.

Лошите емоции и негативните нагласи ще повлияят на нормалната работа на хипокампалните вълни и ще намалят функцията на паметта. Затова винаги трябва да поддържаме добро настроение и оптимистична нагласа, за да стимулираме по-добре потенциала на паметта.

В допълнение, добрите жизнени навици също са важен фактор за осигуряване на стабилност и редовност на хипокампалните вълни. Трябва да спим достатъчно, да слушаме музика, да спортуваме и т.н., за да поддържаме физическото и психическото здраве от различни аспекти и постепенно да установим висококачествена рутина на живот. Само по този начин можем да използваме по-добре паметта на човешкия мозък, да засилим собствените си способности за учене и творчество и да направим живота по-цветен.

Накратко, връзката между хипокампалните вълни и паметта е неразделна. Само чрез позитивност, добри жизнени навици и положителна емоционална нагласа може да се стимулира паметовият потенциал на човешкия мозък, което ни позволява да използваме по-добре функциите на човешкия мозък и да се радваме на по-добър живот. Вижда се, че трябва да подобрим паметта и Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola е традиционен китайски лекарствен материал, който има много уникални ефекти, един от които е да подобрява паметта. Ефикасността на мляното месо идва от различните активни съставки, които съдържа, включително киселина, полизахариди, флавоноиди и др. Тези съставки могат да насърчат здравето на мозъка по различни начини.

Кликнете върху Познаване на краткосрочната памет как да се подобри

Вълнички се появяват във всички кортикални области със сходни характеристики, несвързани с предполагаемата свързаност на хипокампа, и са по-малко плътни и здрави в областите с по-висока асоциация. Предполагаем пирамидален и интерневронен пик, фазово заключен към кортикални пулсации по време на NREM, с фазови забавяния, съответстващи на генерирането на пулсации чрез обратна връзка пирамида–интерневрон. Кортикалните вълни бяха по-малки по амплитуда от хипокампалните вълни, но бяха сходни по плътност, честота и продължителност.

Кортикалните вълни по време на NREM обикновено се появяват точно преди пика в горната част на щата, често по време на вретена. Горните състояния и вретената преди това са били свързвани с консолидация на паметта и ние открихме, че кортикалните вълни групират съвместно изгаряне между единици в рамките на прозореца на пластичност, зависима от времето на пика. По този начин човешките NREM кортикални вълни са както следва: повсеместни и стереотипни с плътно фокусирана честота на трептене; подобни на хипокампални вълни; свързани с горни части и вретена; и свързани с костреля на единица. Тези свойства са в съответствие с кортикалните вълни, които вероятно допринасят за консолидирането на паметта и други функции по време на NREM при хора.

Ключови думи:

кора; хипокампус; хора; вълнички; сън; събуждане.

Изявление за значимост

При гризачи хипокампалните вълни организират повторение по време на сън, за да насърчат консолидирането на паметта в кората, където също се появяват вълни. Въпреки това, доказателствата за кортикални вълни в човешкия сън са ограничени и тяхното анатомично разпределение и физиологични свойства са неизследвани. Тук, използвайки човешки интракраниални записи, ние демонстрираме, че вълните се появяват в кората на главния мозък по време на събуждане и сън със силно стереотипни характеристики.

По време на сън, кортикалните вълни са склонни да се появяват по време на вретена при прехода надолу към горната част и по този начин участват в последователност от вълни на съня, които са важни за консолидацията. Освен това, кортикалните вълни организират единични пикове с оптимално време за улесняване на пластичността. Следователно кортикалните вълни при хората притежават основни физиологични свойства за поддържане на паметта и други когнитивни функции.

Въведение

Хипокампалните вълни са обстойно изследвани при гризачи по време на сън с небързи движения на очите (NREM), когато те отбелязват повторението на събития от предишния период на събуждане и са критични за консолидирането на паметта в кората (Wilsonand McNaughton, 1994; Girardeau et al., 2009; Ego -Stengeland Wilson, 2010; Buzsáki, 2015; Maigret et al., 2016).

Те са свързани с кортикално повторение (Ji and Wilson, 2007; Peyrache et al., 2009; LA Johnson et al., 2010) и с кортикални вълни на съня (вретена, низходящи състояния, горни състояния) (Siapasand Wilson, 1998), връзка от решаващо значение за консолидация (Latchoumane et al., 2017). Вълничките на хипокампа на плъх се състоят от трептене от 140 Hz, движещо се на върха на остра вълна с продължителност 70 ms, последвано от по-бавен локален потенциал (Buzsáki, 2015).

Човешки хипокампални вълни с остри вълни също се появяват по време на NREM със сходни времеви връзки с кортикалните вретена и долни към горните състояния и подобна хипокампална топография, но със средна честота от 80-90 Hz (Staresina et al., 2015; Jiang et др., 2019a,b,c).

Наскоро бяха открити вълни в кортекса на асоциацията на плъхове, но не и в първичната сензорна или моторна кора по време на сън, с повишено свързване с вълни на хипокампа в съня след учене (Khodagholy et al., 2017). По-ранно проучване съобщава за вълни в кортекса на будна и спяща котка, особено по време на NREM (Grenier et al., 2001). При хората кортикалните вълни по време на събуждане се откриват по-често в латералната темпорална отколкото роландична кора и се свързват с вълните на парахипокампалния извивка по-често, преди правилното припомняне на двойки (Vazet al., 2019).

Страничните темпорални единици, задействани във фаза с локалните будни вълни в модели, наблюдавани преди това по време на обучение (Vaz et al., 2020). Вълничките на хипокампа в будно състояние също се свързват със селективни модели на кортикална активност, лица и сгради по време на свободно припомняне (Norman et al., 2019). Доказателствата за кортикални вълнички по време на NREM при хора са ограничени, но предишно проучване показва, че те могат да бъдат потиснати по време и увеличени след това , кортикалното понижение (vonEllenrieder et al., 2016).

По този начин се заражда разбирането, че при хората и гризачите хипокампалните и кортикалните вълни играят важна роля в паметта както по време на сън, така и по време на събуждане. Много фундаментални въпроси обаче остават неразрешени. Съществените характеристики на вълните не са сравнявани между кората и хипокампуса или между съня и будното състояние, така че не е ясно как вълните могат да се различават между предполагаемите си роли на поддържане на консолидация срещу припомняне или наистина дали представляват едно и също явление.

Познаването на разпределението на вълните в различни кортикални области по време на събуждане е ограничено, а по време на сън по същество липсва. Връзките между кортикалните вълни и локалните вретена на съня, низходящите и възходящите състояния не са определени. Такива отношения биха могли да подкрепят ролята на кортикалните вълни в консолидацията, както биха увеличили съвместното изгаряне между невроните в рамките на прозореца на пластичност, зависима от времето на шипа (STDP).

Освен това, връзките на човешката кортикална пирамидална и инхибиторна клетъчна стрелба с пулсациите и една с друга, важни за разбирането на генерирането на пулсации, не са определени.

Тук, използвайки записи на интракраниална стереоелектроенцефалография (SEEG), ние показваме, че кортикалните вълни се генерират по време на NREM при хора, и предоставяме първата цялостна характеристика на кортикалните вълни.

Вълни със стереотипна, тясно фокусна честота на трептене от;90 Hz и продължителност от;70 ms бяха повсеместни в кората на главния мозък по време на събуждане и NREM, макар и малко по-малко плътни и стабилни в областите на асоцииране и без връзка с предполагаемата хипокампална свързаност. Открихме, че кортикалните вълни са подобни на хипокампалните по честота, плътност и продължителност на трептене. Кортикалните пулсации в NREM се свързват силно с низходящи до горни състояния и по-малко омекват до вретена, в съответствие с възможна роля в възпроизвеждането на паметта.

Използвайки записи на единична единица от кортикален микрочип, ние идентифицираме вероятните вериги за генериране на кортикални пулсации и показваме, че единиците се задействат съвместно по време на пулсации при кратки закъснения, които са оптимални за STDP. По този начин човешките кортикални вълни по време на NREM имат необходимите физиологични свойства, за да улеснят пластичността, ръководена от играта. Въпреки това, повсеместното разпространение и стереотипите на човешките вълни в структурите и състоянията също са в съответствие с по-обща функционална роля.

Материали и методи

Избор на пациент. В това проучване са включени данни от общо 18 пациенти (12 жени, 30.0 6 12.2 години) с фармакорезистентна епилепсия, подложени на интракраниален запис за локализиране на началото на припадъка преди хирургично лечение (Таблица 1). Пациенти, чиито SEEG записи са анализирани, са включени в проучването само ако не са имали предшестваща мозъчна операция; фонова ЕЕГ (с изключение на епилептиформни транзиенти) в нормални граници; и електроди, имплантирани в нещо, за което в крайна сметка се установи, че е нелезионен, неепилептогенен кортекс, както и нелезионен, неепилептогенен хипокампус (такива зони се предполага, че са част от фокуса преди имплантирането, или е необходимо да преминат през тях, за да се достигне до предполагаеми епилептогенни области).

Освен това, 1 от тези пациенти (51-годишна жена с дясна ръка) също беше имплантиран с вътречерепен микроелектрод (Utah Array) в тъкан, за която се предполагаше, че въз основа на предхирургична оценка, трябва да бъде включена в областта на терапевтичния резекция. Имплантирането на масива не повлия на клиничното наблюдение. По-късно той беше резециран, за да получи достъп до хирургичния фокус отдолу, беше определено, че електродът не е имплантиран в епилептогенна зона и не са възникнали припадъци от областта на масива.

Пациентите са били изключени от проучването, ако са имали предишна мозъчна операция или не са имали хипокампални и кортикални канали без лезии, които не са участвали в ранния стадий на изтичане на припадъка и не са имали честа междупристъпна активност или анормални местни полеви потенциали (LFPs). Пациентите от Utah Array са били включени в проучването само ако са имали поне 20 пирамидални клетки (PY) и 20 интерневрона (IN). Въз основа на тези критерии 18 пациенти бяха включени в това проучване от 84. Всички пациенти дадоха напълно информирано писмено съгласие техните данни да бъдат използвани за изследвания, наблюдавани от местните институционални съвети за преглед в Cleveland Clinic и Partners HealthCare (включително Massachusetts General Hospital).

Интракраниални записи. На пациентите са имплантирани интракраниални електроди за 7 дни с непрекъснати записи за локализиране на началото на припадъка. Имплантирането на SEEG електрод и насочването са направени за чисто клинични цели. SEEG записите бяха събрани с усилвател Nihon KohdenJE-120 при 1000 Hz вземане на проби (Пациенти S1-S17). Стандартните клинични електроди бяха с диаметър 0,8 mm, с 10-16 контакти с дължина 2 mm при 3.5-5 mm стъпка (;150 контакта/пациент).

Микроелектродни записи от 1 пациент, имплантиран с UtahArray, също бяха анализирани (200 минути NREM). Utah Array е 10 10 микроелектродна решетка с пропуснати ъгли и 400 mm контактна стъпка (Waziri et al., 2009; Keller et al., 2010; Fernández et al., 2014). Всяка силициева сонда е с дължина 1 mm с основа от 35-75 mm, която се стеснява до 3-5 mm. Сондите са изолирани, с изключение на върха с платинено покритие. Данните са получени при 30 kHz (Blackrock Microsystems) с лента от 0.3-7.5 kHz. Бяха записани данни относно отдалечен референтен проводник.

Електрофизиологична предварителна обработка. Офлайн предварителната обработка на данни беше извършена в MATLAB 2019b и LFP бяха инспектирани визуално с помощта на кутията с инструменти FieldTrip (Oostenveld et al., 2011). SEEG данните бяха намалени до 1000 Hz с анти-алиасинг и 60 Hz филтриране на прорези (нулева фаза) с 60 Hz хармоници до 480 Hz. Транскортикалните контактни двойки бяха идентифицирани с помощта както на анатомично местоположение (използване на предоперативния ЯМР, съобразен с постоперативната КТ), така и на физиологични свойства (висока амплитуда, кохерентност и инверсия на спонтанната активност между контактите) и избрани така, че нито една 2 двойки да не споделят контакт. Всички SEEG анализи бяха извършени с помощта на биполярни производни между съседни референции в кортикална или хипокампална сива материя, за да се гарантира, че активността е локално генерирана (Mak-McCully et al., 2015).

Избор на канал. Каналите бяха изключени от анализа, ако бяха в увредена тъкан, участваха в ранните етапи на изтичане на пристъпа, или имаха честа междупристъпна активност или анормални LFP. От общо 2129 биполярни канала (1202 ляво полукълбо) на 17 SEEG пациенти (S1-S17), 28 хипокампални (16 ляво полукълбо) и 273 транскортикални (133 ляво полукълбо) биполярни канала бяха избрани за анализите (Таблица 1) Повечето канали бяха отхвърлени, защото не представляват транскортикална двойка, както е описано по-горе.

Първо, повечето биполярни двойки са в бялата материя и по този начин не записват фокална кортикална активност. В допълнение, много канали бяха отхвърлени поради свързания критерий, че един от контактите е общ с друга биполярна двойка, която вече е избрана. Това беше направено, защото общ контакт означава, че двете биполярни двойки няма да предоставят независими измервания. Полярността беше коригирана за отделни биполярни канали, така че пониженията бяха отрицателни, а възходите бяха положителни. Това беше постигнато, като се гарантира, че отрицателните пикове по време на NREM са свързани с намалени, а положителните пикове са свързани с повишена средна аналитична амплитуда от 6100 ms 70-190 Hz, индекс на клетъчно запалване, който е силно модулиран от низходящи и възходящи състояния (Csercsa et al., 2010).

Локализация на електрода. Кортикалните повърхности бяха реконструирани от предоперативния T1-претеглен структурен МР обем на цялата глава с помощта на стандартния тръбопровод за възстановяване на всички FreeSurfer (Fischl, 2012). Базираната на атлас автоматизирана парцелация (Fischl et al., 2004) беше използвана за присвояване на анатомични етикети на региони от кортикалната повърхност в атласа на Destrieux (Destrieux et al., 2010).

В допълнение, автоматизираната сегментация беше използвана за присвояване на анатомични етикети на всеки воксел от MR обема, включително идентифициране на воксели, съдържащи хипокампални подполета (Iglesias et al., 2015). За локализиране на SEEG контактите, постимплантният CT обем беше регистриран към MR обема, в стандартизирано 1 mm изотропно пространство FreeSurfer, като се използва общият регистрационен модул (H. Johnson et al., 2007) в 3D Slicer (Fedorov et al., 2012). След това позицията на всеки SEEG контакт, в координатите на FreeSurfer, беше определена чрез ръчно анотиране на центроидите на електродния контакт, визуализиран в съвместно регистрирания CT обем.
На всяка транскортикална контактна двойка беше присвоен анатомичен парцел от атласа по-горе чрез установяване на идентичността на парцелите на повърхностния връх, който е най-близо до средната точка на контактната двойка. На подкоровите контакти беше присвоен анатомичен етикет, съответстващ на множеството етикети за сегментиране на воксел в 2-радиус на воксел. Транскортикалните контактни двойки местоположения бяха регистрирани в средния шаблонен мозък за визуализация чрез сферично морфиране (Fischl et al., 1999).

За да се начертаят стойности върху шаблонен мозък, средните стойности на канала бяха осреднени за всеки кортикален регион, като се използват амалгамации на пакетите от Desikan et al. (2006) (Таблица 2), като двете полукълба са комбинирани и след това преобразувани в ico5 среден шаблон на ляво полукълбо. Разстоянията на линията на бялото вещество между каналите бяха изчислени с помощта на 360 парцела на атласа HCP-MMP1.0 (Glasser et al., 2016), както е определено чрез вероятностна дифузионна MRI трактография (Behrens et al., 2007) и са средни стойности за населението от Rosen и Халгрен (2021). Когато два канала бяха в един и същ HCP парцел, разстоянието се считаше за 0.

Времево-честотни анализи. Средните диаграми време-честота на спектралната мощност, свързана с пулсации, бяха генерирани от широколентовия LFPusing EEGLAB (Delorme and Makeig, 2004). Свързаната със събитието спектрална мощност беше изчислена от 1 Hz до честотата на Найкуист (500 Hz) с разделителна способност от 1 Hz с центрове на пулсации при t=0 чрез изчисляване и осредняване на бързи трансформации на Фурие със стесняване на прозореца на Ханинг.

Всеки 1 Hz bino от матрицата време-честота беше нормализиран по отношение на средната мощност при 2000 до 1500 ms и маскиран с двустранно първоначално значение (N=200) с корекция на степента на фалшиво откриване (FDR) и =0. 05, използвайки 2000 до 1500 ms като базова линия. Граничните средни времево-честотни графики бяха генерирани чрез осредняване на средните времево-честотни графики на всички канали за даден регион (т.е. неокортекс или хипокампус) и състояние (т.е. NREM или събуждане).

Избор на епоха на сън и събуждане.

Епохите, включени в изследването, не попадат в рамките на най-малко 1 час от припадък и не са замърсени с чести междупристъпни пикове (IIS) или артефакти. NREM периодите бяха избрани от непрекъснати записи през нощта, където d(0.5-2 Hz) аналитичната амплитуда от кортикалните канали беше постоянно увеличена (Таблица 1). Епохите на сън бяха потвърдени чрез визуална инспекция, за да имат нормално изглеждащи състояния надолу, нагоре и вретена.

Ниски състояния, възходящи състояния и вретена също бяха автоматично открити и количественото определяне на тези събития показа, че имат плътности, амплитуди и честоти, които са характерни за NREM (вижте подробности в Откриване на низходящи състояния, възходящи състояния и вретена на сън). Периодите на събуждане бяха избрани от непрекъснати записи през деня, които имат постоянно ниски кортикални d, както и високи кортикални a ({{0}} Hz), b (20-40 Hz) и високи g (70-190 Hz) аналитични амплитуди . Когато данните включват EOG (N=15/17 SEEG пациенти), периодите на събуждане също изискват аналитичната амплитуда от 0.5-40 Hz на EOG следата да бъде увеличена. Изисква се епохите на събуждане да бъдат отделени от периодите на повишена d аналитична амплитуда с поне 30 минути.

For more information:1950477648nn@gmail.com