Широко разпространените вълнички синхронизират човешката кортикална активност по време на сън, събуждане и извикване на паметта, част 2

Хипокампалните вълни с остри вълни водят до кортикални вълни по време на NREM.

Докато резултатите по-горе показват, че кортикалните вълни предшестват вълните на хипокампа по време на събуждане, техният ред по време на NREM изглежда е смесена картина, която предположихме, че зависи от това дали вълните на хипокампа се появяват в контекста на остра вълна или вретено (2, 21, 22). Ние открихме, че вълните с остри вълни на хипокампа значително предхождат кортикалните вълни с ~250 ms (SI Приложение, Фиг. S4A; P=0.002, двустранен биномен тест, очаквана стойност=0.5), докато вълните на вретеното бяха едновременни (SI Приложение, Фиг. S4B; P=1).

Връзката между хипокампалните вълни и паметта е област от голям интерес. Хипокампусът е един от най-важните региони в мозъка. Той се намира вътре в темпоралния лоб и е тясно свързан с когнитивните функции като учене и памет. Хипокампалните вълни са специален тип мозъчна дейност, за която се смята, че е свързана с кодирането на паметта и интегрирането на информация. През последните години изследователите положиха непрестанни усилия да проучат задълбочено вътрешния механизъм на хипокампалните вълни и паметта.

Изследванията показват, че хипокампусните вълни са електрическата активност на специални клетки в хипокампуса, които обикновено се появяват, когато мозъкът е в тихо състояние. Процесът на генериране на вълни на хипокампа изисква взаимодействието на множество фактори, включително генна регулация, трансдукция на нервен сигнал и т.н. След като се образуват вълни на хипокампа, те спомагат за укрепване на свързаните процеси на кодиране на паметта.

Едно проучване веднъж показа, че силата на вълните на хипокампа е положително свързана със силата на паметта. Когато мозъкът е в тихо състояние, невроните в хипокампуса произвеждат специфична електрическа активност, която има форма, подобна на "отскачане", като помага на спомените да бъдат трансформирани и съхранени в мозъка. В същото време вълните на хипокампа могат също да подобрят синхронизиране на невроните в мозъка, допълнително укрепване на връзките и предаването на информация между различните неврони.

Въз основа на горните резултати от изследването можем да заключим, че хипокампалните вълни са от решаващо значение за кодирането и съхранението на паметта на мозъка. Чрез засилване на активността в хипокампуса и укрепване на връзките между свързани неврони, можем да подобрим съхранението и извличането на спомени в мозъка. В същото време можем също така да създадем по-добра среда за мозъка и да насърчим генерирането на хипокампални вълни чрез балансирано хранене, умерени упражнения и поддържане на психичното здраве, като по този начин постигнем по-добри ефекти на паметта.

В обобщение, връзката между хипокампалните вълни и паметта е област на интензивни изследвания. Чрез задълбочено изучаване на неговия вътрешен механизъм, можем да изследваме по-ефективни методи за подобряване на паметта, като по този начин донесем повече ползи за личното обучение и кариерното развитие. Нека заедно предприемем активни действия, за да създадем по-добра среда за нашите мозъци и да станем по-добра версия на себе си! Вижда се, че трябва да подобрим паметта и Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola може също да регулира баланса на невротрансмитерите, като например повишаване на нивата на ацетилхолин и растежни фактори. Тези вещества са от съществено значение за паметта и ученето. В допълнение, месото може също да подобри притока на кръв и да насърчи доставката на кислород, което може да гарантира, че мозъкът получава достатъчно хранителни вещества и енергия, като по този начин подобрява мозъчната жизненост и издръжливост.

Щракнете върху познайте добавките за увеличаване на паметта

Тези резултати подсилват предишно предположение, че остри вълни и вретеновидни вълни имат последователен принос за консолидацията. Като цяло, както е предвидено от модели на хипокампо-кортикално взаимодействие за паметта, хипокампалните вълни обикновено водят кортикални по време на сън, а кортикалните обикновено водят хипокампални по време на събуждане.

Съвместната поява на кортикална пулсация се улеснява чрез активиране в множество сайтове.

При всеки пациент открихме, че когато две кортикални места се съединят, едно или повече допълнителни места могат да се присъединят към тях (SI Приложение, Фиг. S5). За да проверим дали две кортикални сайтове правят вълни по-вероятно други сайтове също да се вълнуват, ние изчислихме χ2 тест на пропорциите за всички възможни групи от три кортикални канала при нулевата хипотеза, че едновременното появяване на канали A и B няма връзка с ко- поява на A и C. Открихме значително повишена съвместна поява на третото място в средно 14,1% от тризнаците по време на NREM и 38,8% по време на събуждане (специфични резултати за пациентите, докладвани в SIAприложение, Таблица 4, χ2 тест на пропорциите, FDR- коригирани стойности на P в каналните триплети в пациентите).

In further support that rippling is facilitated through activation across multiple sites, we found that the number of ripple co-occurrences relative to chance increased with the number of locations rippling (>2) (фиг. 2D). Увеличението беше ясно изразено, така че наблюдаваният брой съпътстващи събития по отношение на изходната линия от 25% от всички канали беше увеличен с коефициент ~104 по време на събуждане и ~5 × 103 по време на NREM. По този начин вълните изглежда пораждат повече вълни, което предполага, възможност за самоподсилващо се разпространение.

Кортикалните вълни се появяват стабилно на разстояние.

Свързването от вълни изисква те да се появяват едновременно в широко разпространени кортикални области. Сравнихме условните вероятности за съвместно появяване на кортико-кортикална пулсация (т.е. вероятността за пулсация в едно кортикално място при пулсация в друго кортикално място, изискваща по-голямо или равно на 25-ms припокриване) спрямо разстоянията на потока на бялото вещество между кортикални сайтове. Рационалните разстояния бяха изчислени с помощта на 360 парцела на атласа HCP-MMP1.0 (23), както е определено чрез вероятностна дифузионна MRI трактография (24), и са средни стойности за населението (25).

Установихме, че вероятността от кортико-кортикална пулсация не намалява с разстоянието на влакнестия тракт по време на NREM (фиг. 2E, r=0.04, P=0.22, линейни смесени ефекти с пациент като случаен ефект), а по-скоро се поддържаше до 25-cm разделяне, през лобове и между полукълба. По време на събуждане вероятностите за вълни също се поддържаха в този диапазон на разстояние, макар и със слаба, но значителна отрицателна линейна връзка (фиг. 2F, r=0 .10, P=4 × 105). Вижте SI Приложение, Фиг. S6A и B за отделни пациенти.

Вълничките във всички кортикални области се появяват едновременно с хипокампалните вълни.

По-рано беше съобщено, че пулсационното свързване възниква между парахипокампалния гирус и 16,4% от страничните темпорални електроди, но само 3,3% от роландичните (8), което вероятно отразява анатомичното местоположение на хипокампуса на върха на кортикалната йерархия (26). Ние обаче открихме, че вълните на хипокампа се появяват едновременно с вълните във всички кортикални области с приблизително равни скорости както при NREM, така и при събуждане.

Като вземем индекса на миелинизация като мярка за позицията в кортикалната йерархия [области на асоцииране са по-слабо миелинизирани (27)], открихме слаб, но значителен ефект по време на NREM, но не и при събуждане. По време на NREM хипокампо-кортикалната съвместна поява е положително корелирана с миелинизацията (SI Приложение, Фиг. S7; r=0.15, P=0.01), което показва, че хипокампалните вълни са малко по-склонни да се появят едновременно с вълните в първичните кортикални области.

Съвместната поява на кортико-кортикална и хипокампо-кортикална пулсация предшества извикването.

. Ако вълните в различни кортикални региони свързват елементите на паметта, би могло да се очаква, че кортикалните вълни се появяват едновременно преди извикване на сигнал, което изисква тези елементи да бъдат коактивирани. За да тестваме тази хипотеза, ние анализирахме данни за задачи на паметта на двойки-асоциирани от пет SEEG пациенти (Фигура 3A и SI Приложение, Таблици 1 и 5). Преди забавено повторно извикване на cuedrecall имаше значително увеличение на появата на кортикална вълна (P=1 × 1011; линейни модели със смесени ефекти с пациента като случаен ефект) от 330% шанс (изчислен на базата на опити, следователно шанс беше определено поотделно за незабавно и забавено повикване) и още по-голямо увеличение на кортико-кортикалната пулсация от 758% в сравнение със случайността (P=0.0004; Фиг. 3B–E).

Освен това, кортикалните пулсации (P=0.002) и кортико-кортикалните (P=0.002) и хипокампо-кортикалните (P=0.008) модулации на пулсациите са били по-големи преди забавенивс. незабавно припомняне, което споделя едни и същи стимули и реакции. И накрая, кортико-кортикалното (P=0.04) и хипокампо-кортикалното (P=0.004) пулсиране се засилва преди правилното спрямо неправилното забавено припомняне , което не беше случаят с кортикалните (P=0.08) или хипокампалните (P=0.94) вълни като цяло.

Трябва да се отбележи, че забавеното, но не незабавно извикване на сдвоени сътрудници е силно увредено от увреждане на хипокампа (12). Тези данни демонстрират повишено вълнение между кортикалните места и между хипокампуса и кората по време на зависимо от хипокампа извличане на нови комбинации от несвързани преди това елементи. Това откритие подкрепя хипотезата, че хипокампо-кортикалните и кортикокортикалните вълни могат да допринесат за реконструкцията на декларативните спомени при хората.

Тъй като състоянието на мозъка може да повлияе на ефективността на припомнянето, тествахме дали има разлика в алфа (7 до 13 Hz) аналитичната амплитуда между правилните и неправилните отговори. Не открихме значителна разлика в средната алфа аналитична амплитуда в кортикалните канали в рамките на ±1-s прозорец около времената за реакция за коригирани. неправилно за който и да е от петте пациенти с данни за задачи с двойки асоциирани (P=0.24 до 0.64 и t=0.36 до 1.6, едностранен тест с две проби, FDR-коригирани P стойности за множество пациенти).

Phase-Lock на кортикалните вълни в широко разпространени региони.

Предполага се, че фазово заключените трептения в широко разпространени места са в основата на интегрирането („свързването“) на различни компоненти на събития през кортикалната повърхност. За всяка двойка канали изчислихме стойността на фазово заключване (PLV), мярка за съгласуваността на фазите от 70- до 100-Hz между сайтовете, независимо от амплитудата (28), във всичките им събития на вълни в NREM или събуждане. Моля, обърнете внимание, че съгласуваността се измерва между различни пулсации, във всеки 1-ms bin спрямо центъра на пулсациите, а не в рамките на пулсациите.

Открихме значителна PLV на съпътстващи вълни между всички взети проби от кортикални области, включително между полукълба, и в двете състояния (Фиг. 4A–C). Имаше повече двойки канали със значителни PLV модулации по време на NREM, отколкото при събуждане (Фиг. 4C и SI Приложение, Таблица 6; пост-FDR P < 0.05, тест за рандомизация; незначителни резултати в SI Приложение, Фиг. S8A и B).

Пример за последователна фаза между две кортикални местоположения през две вълни е показан на Фиг. 4А. За всяка двойка канали, PLV беше измерено при всяка латентност спрямо центъра на тяхната пулсация (Фиг. 4B) и тези времеви курсове бяха осреднени за всички значими двойки канали (Фиг. 4C). Увеличеният PLV продължи през целия период, когато местата бяха вълнообразни и се появиха внезапно от изходното ниво. Времевият курс на PLV беше забележително сходен между двойките на канала. По време на сън 2106/2275 двойки кортико-кортикални канали са имали повече от 40 съпътстващи вълни, необходими за надеждна оценка на PLV. От тях 26,3% (554/2106) са имали значителни PLV модулации.

По време на събуждане 1939/2275 са имали повече от 40 съпътстващи вълни, а 13,9% (269/1939) от тях са имали значителни PLV модулации (SI Приложение, Таблица 6). ), пиковите PLV на кортико-кортикалната пулсация през двойките канали са положително корелирани между NREM и събуждане (SIAприложение, Фиг. S3B; r=0.20, P=4 × 1022, значимост на r). В обобщение, установено е, че отдалечени двойки места в кората имат последователни фази по време на вълни както в NREM, така и в събуждане.

Фазово заключените вълни имат по-широк обхват на фазовия лагсин NREM в сравнение със събуждането и могат да варират през нощта.

След като демонстрирахме значително фазово заключване между местата на кортикално пулсиране, ние оценихме разпределението на кръговите средни фазови ъгли между двойките сайтове. Открихме, че по време на NREM средните фазови ъгли за различни двойки кортикални сайтове, които имаха значително заключване на фазата на пулсации, имаха доста равномерно разпределение от {{0}} до 2π радиана (фиг. 4D, долу вляво). Въпреки това, по време на събуждане, изоставането на фазата на пулсации в двойките има тенденция да бъде ~0 или ~π (фиг. 4D, долу вдясно).

Тази разлика беше значителна (P {{0}} × 108, χ2=29.8, df=1; използвайки броене в рамките на 0 ± π/6 или π ± π/6 спрямо извън тези диапазони за NREM спрямо събуждане). Това наблюдение предполага по-голяма тенденция към забавяне на нулевата фаза по време на събуждане. Предоставяме доказателства по-долу, че ~0 и ~π закъсненията са функционално еквивалентни и може да се дължат на вариабилност в разположението на финия електроден контакт спрямо кортикалните слоеве. Това може да е свързано с по-голямата склонност на вълните да се свързват при почти нулева латентност по време на събуждане (фиг. 2A).

Ние също така тествахме дали фазовите закъснения по време на NREM варират през нощта. За всеки пациент с множество нощи на сън (n {{0}}), ние сравнихме забавянията на фазата на пулсациите между всички възможни двойки нощи на сън в рамките на двойки канали, които имат значителни PLV модулации. Ние открихме, че 51,8% (1256/2426) от такива двойки са имали значително различни фазови закъснения между нощите (фиг. 4E; след FDR P <0,05, тест на Watson-Williams; минимум 30 вълни за нощ на двойка канали). Тези разлики във фазовите закъснения на пулсациите между определени кортикални сайтове предполагат, че те могат да участват в различни мрежи през нощта, както може да се случи, например, когато реактивират кортикални репрезентации, свързани с различни спомени. Подобни явления са забелязани в широкомащабни кортикални модели (29).

Пулсации Phase-Lock стабилно на големи разстояния.

Тъй като декларативните спомени характерно обединяват различни елементи, които са кодирани в широко разпространени кортикални места в двете полукълба, всеки неврофизиологичен процес, поддържащ тяхното кодиране, консолидиране или извличане, трябва също да функционира на тези разстояния. По този начин, като се има предвид, че кортико-кортикалните пулсации имат малък или никакъв декремент с разстояние (тествано до 200 mm; Фиг. 2E и F), ние предположихме, че фазовото заключване на кортикокортикалната пулсация също не намалява с разстоянието.

Наистина, ние открихме, че подобно на съпътстващите пулсации, съотношението на двойките канали със значителни PLV модулации (фиг. 4F; r=0.07, P=0.36, линейни смесени ефекти с пациента като случаен ефект) и величината на тези PLV модулации (Фиг. 4G; r=0.05, P=0.67) не намалява значително с намесата на разстоянието на фибри по време на NREM. По време на събуждане имаше значително намаляване на дела на двойките канали със значителни PLV модулации с разстоянието, особено на по-къси разстояния (Фиг. 4F; r=0.07, P=0.001), но без намаление в големината на значителни канални двойки PLV модулации с разстояние (Фиг. 4G; r=0.004, P=0.94). По този начин физиологичното действие, поддържано от пулсации, може да обхване цялата кортикална повърхност.

Фазовото заключване се увеличава с повече кортикални сайтове Corippling.

Вълничките често са фазово заключени в множество сайтове, включително между полукълба (Фиг. 4H), и както е описано по-горе, ние открихме, че две сайтове, които се намесват, правят по-вероятно трети сайт да се намесва. Тези констатации повдигат въпроса дали активирането на широко разпространени пулсиращи мрежи улеснява по-голямата мрежова синхронизация. Ние открихме силна положителна линейна корелация между броя на местата на пулсации и пиковата амплитуда на фазовото заключване на кортико-кортикалната вълна (фиг. 4I).

Тези резултати бяха отново открити, когато ΔPLV (пикова PLV минус изходната PLV) беше използвана вместо пиковата PLV (ΔPLV:n {{0}}/17 пациенти значими по време на NREM, n=1/17 значими по време на събуждане, след FDR P < 0.05, значение на r). За да проверим дали по-голямото размножаване се дължи просто на по-голяма амплитуда на вълните, ние измерихме средната аналитична амплитуда от 70- до 100-Hz на отклоненията и установихме, че само 2/17 пациенти в NREM и 0/17 пациенти в будно състояние са имали значителни корелации (пост-FDR P <0.05, значимост на r), и двете значителни корелации са отрицателни, демонстрирайки, че по-голямото корелиране не се дължи на по-голямата амплитуда. Накратко, съвместната поява на вълни насърчава по-нататъшна съвместна поява, което подобрява фазовото заключване.

Кортико-кортикалните кори имат последователни фазови закъснения в последователни цикли.

Ние предположихме, че двойка сайтове ще бъде ефективно „фазово заключена“ през последователни цикли на пулсации, тъй като честотата на трептене на пулсациите от ~90 Hz е толкова подобна за пулсациите и местоположенията. За всяка пулсация от всяка двойка кортико-кортикални канали, ние изчислихме PLV през закъсненията между двете пулсации, използвайки техните пет пика, най-близки до центъра на времето на пулсацията, и открихме значително фазово заключване в рамките на пулсацията за 98,3% от 807 213 вълни по време на NREM и 98,0% от 1 348 696 вълни по време на събуждане (P <0,05; тест за рандомизация, n=1,000 произволни фазови закъснения, FDR корекция през вълни). По този начин фазовото заключване в рамките на вълната присъства в почти всички кортико-кортикални кори.

Хипокампо-кортикални двойки Рядко, ако изобщо има, фазово заключване.

Кортико-кортикалното фазово заключване може да се управлява чрез мрежа от свързани кортикални осцилатори, централен задвижващ механизъм или комбинация. Тъй като вълните на хипокампа се появяват силно съвместно с кортикалните вълни (фиг. 2B), ние изследвахме дали хипокампусът задвижва фазово заключване на вълните в кората, като тестваме дали има фазово заключване между хипокампо-кортикалните вълни.

За хипокампо-кортикалните двойки по време на сън, 277/461 са имали повече от 40 съпътстващи вълни, а 1,4% (4/277) от тях са имали значителни PLV модулации. По време на събуждане, 333/461 от двойките хипокампо-кортикални канали са имали повече от 40 съпътстващи вълни и 0,3% (1/333) от тях са имали значителна PLV модулация (SI Приложение, Фиг. S8C–F и Таблица S6).

Изследването на траекториите на електродите предполага, че хипокампалните контакти със значителни PLVs с кортикални места вероятно са разположени в субикуларния комплекс, а не в самия хипокампус, в съответствие с откритието при мишки, че разпространението на пулсации от хипокампуса към ретросплениалния кортекс е през субикулума (10). По този начин е малко вероятно фазовото заключване на кортико-кортикалната пулсация да се управлява от общи входове от хипокампална пулсация, което подкрепя хипотезата, че фазовото заключване на кортико-кортикалната пулсация се задвижва интракортикално.

Кортикалните вълни са свързани с повишено и фазово модулирано задействане на единичен модул.

За да могат пулсациите да играят роля в комуникацията и интегрирането на информация между отдалечени кортикални сайтове, е необходимо невронните потенциали за действие да се координират с появата и фазата на пулсациите. Ние анализирахме записи на микрочипове от зърнести/супрагрануларни слоеве на човешката латерална темпорална кора при трима пациенти (SI Приложение, Таблица 7) по време на NREM, за да проверим дали вълните модулират локалното пикване на единична единица.

Ние открихме пикове и ги сортирахме в предполагаеми пирамидални (PY) и интерневронни (IN) единици въз основа на формата на вълната и характеристиките на времето на пиковете съгласно предварително установени методи (30) и проверихме, че единиците имат големи пикови съотношения сигнал-шум (PY: 9,1 ± 3,4; IN: 5,2 ± 2,9), имаше минимални интервали между пикове, които бяха<3 ms (PY: 0.2 ± 0.3%; IN: 0.3 ± 0.6%; low percentages indicate minimal contamination by other units), and were well-isolated from one another based on the projection test (31) (PY: 95.4 ± 86.0 SD; IN: 82.8 ± 83.4 SD). 

Ние също така открихме вълни, записани от микроконтактите на масива със средната пикова форма на вълната на всяка единица, извадена от моментите на пиковете в канала на единицата, за да предотвратим замърсяване на LFP с пикове на единица. Открихме, че кортикалните вълни са свързани с повишено задействане на единична единица (фиг. 5A и B). PY има 255% увеличение, а IN има 297% увеличение на скоростта на пикове по време на вълни в сравнение с изходното ниво (произволно избрани епохи между вълните, които съответстват на броя и продължителността на вълните).

Освен това, задействането на модула беше силно фазово модулирано от вълните (фиг. 5A), като 49% (32/66) от PY и 71% (24/34) от IN имат значителни 70- до 100- Hz фазови модулации по време на локални пулсации (фиг. 5C; след FDR P < 0.05, биномен тест между фазите в рамките на 0 ± π/2 спрямо π ± π/2, очаквана стойност {{ 17}}.5, минимум 30 spikesper единици през вълнички).

По този начин, тъй като пиковете на единиците са свързани с локалната фаза на пулсации и тъй като фазите на пулсации се синхронизират на дълги разстояния, тези данни предполагат, че вълните координират времето на пиковете на единиците между широки разделяния в кората, което би могло да даде възможност за избор на фаза, откриване на съвпадения, повторна обработка и пик- зависима от времето пластичност. Тези основни неврофизиологични процеси биха повлияли на кооперативния подбор на клетъчни сглобки между кортикалните области, същността на свързването.

Corippling увеличава предполагаемата корелация единица-активност между отдалечени кортикални места.

Нашите констатации, че пулсациите често са фазово заключени в отдалечени сайтове и че задействането на единици е фазово заключено към локалните вълни заедно, означава, че стрелбата на единици също е свързана между отдалечени сайтове. Не успяхме да тестваме това директно, защото не извършихме микроелектродни записи на единици на множество места, разделени с повече от ~5 mm.

Rather, as an indirect test, we used >200-Hz аналитична амплитуда от SEEG записи като прокси за задействане на единица (32). По време на събуждане, но не и при NREM, тази мярка беше значително по-корелирана, когато кортикалните места се вълнуваха спрямо когато не бяха (фиг. 5D, P=8 × 10303, двустранен сдвоен t-тест). Корелацията между местата на вълни не намалява значително при увеличаване на разстоянието между местата (фиг. 5E).

Както е описано по-горе, изоставането на фазата на пулсации между каналите се предполага, че е близо до 0 или π, особено по време на събуждане. Това може да означава, че съединяването понякога представлява състояние на инхибирана комуникация или просто, че нашите биполярни SEEG изводи имат променливи връзки с локални диполи, генериращи пулсации. Наистина, разделянето на контактите на биполярно SEEG 3- mm е достатъчно голямо, за да записва от множество пулсационни диполи с различни ориентации. При плъхове генераторите на пулсации заемат ~1 mm2 от кортикалната повърхност (5), а клетъчните генератори са разположени в множество слоеве, разделени с ~1 mm (10).

За да тестваме тези хипотези, ние сравнихме корелациите на аналитичните амплитуди на {{0}}Hz високочестотни сигнали между сайтове, когато сайтовете имаха фазови лагове на пулсации от 0 ± π/6 спрямо. π ± π/6 (осреднено в рамките на тези диапазони за всяка двойка канали). Не е открита значителна разлика за NREM или събуждане (NREM: P=0.07; събуждане: P=0.17; двустранен сдвоен t-тест, n=2,275 двойки канали) , което предполага, че закъсненията близо до 0 и π са функционално еквивалентни, както би се очаквало, ако се дължат на леки разлики в местоположението на електрода спрямо кортикалната ламина.

For more information:1950477648nn@gmail.com