睡眠期間海馬記憶鞏固被認(rèn)為依賴于分布式神經(jīng)元群體的同步，這些神經(jīng)元群由海馬尖波波紋(SWR，80-150 Hz)、皮質(zhì)慢波活動(dòng)(SWA，0.5-4 Hz)和睡眠紡錘波(SP，7-15 Hz)組成。然而，這些相互作用在同步皮質(zhì)下/皮質(zhì)神經(jīng)元活動(dòng)中的確切作用尚不清楚。本研究利用來自人類海馬、杏仁核以及顳葉和額葉皮質(zhì)的顱內(nèi)電生理記錄來檢查SWR過程中的活動(dòng)調(diào)節(jié)和跨區(qū)域協(xié)調(diào)。海馬SWR與高頻活動(dòng)(HFA，70至200 Hz)的廣泛調(diào)制有關(guān)，高頻活動(dòng)是局部神經(jīng)元激活的一種衡量標(biāo)準(zhǔn)。通過海馬SWR和局部皮質(zhì)下/皮質(zhì)SWA或SP之間的耦合，可以預(yù)測(cè)這種SWR的HFA調(diào)制。最后，局部皮層SWA相位偏移和SWR振幅預(yù)測(cè)了單個(gè)SWR期間額葉和顳葉皮質(zhì)之間的功能連接。這些發(fā)現(xiàn)說明了一種選擇機(jī)制，其中海馬SWR和皮質(zhì)慢波同步控制支持海馬依賴記憶鞏固的分布式神經(jīng)元群體的瞬時(shí)參與。
1.背景
記憶鞏固包括將新編碼的表征轉(zhuǎn)化為長期記憶。在非快速眼動(dòng)(NREM)睡眠期間，海馬對(duì)近期經(jīng)歷的表征被重新激活，同時(shí)皮質(zhì)下分布的神經(jīng)元群體瞬時(shí)同步。振蕩同步性可能促進(jìn)了神經(jīng)元集合之間的連接，進(jìn)而穩(wěn)定了記憶表征。我們研究了在NREM睡眠的記憶鞏固過程中，海馬SWR和皮質(zhì)慢波、紡錘波是如何協(xié)調(diào)分布式神經(jīng)元群體的。 海馬SWR是與制定計(jì)劃、記憶提取和記憶鞏固有關(guān)的暫時(shí)性局部場(chǎng)電位振蕩。在SWR期間，海馬、皮質(zhì)和皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)的記憶重新激活達(dá)到頂峰。海馬—皮質(zhì)下/皮質(zhì)功能連接，結(jié)合解剖分布的重新激活的記憶痕跡的先決條件在SWR周圍增強(qiáng)。SWR抑制干擾海馬依賴的記憶鞏固，而延長SWR時(shí)程可促進(jìn)海馬依賴性記憶鞏固。 本研究中，我們使用從人的顱內(nèi)電極記錄的寬帶高頻活動(dòng)(HFA，70-200 Hz)作為皮質(zhì)下/皮質(zhì)活動(dòng)的度量。HFA是電極觸點(diǎn)周圍群體的多單位放電的間接測(cè)量。與SWR在同步分布式記憶軌跡中的假設(shè)作用一致，我們?cè)凇?0%的海馬外記錄點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了海馬SWR事件期間HFA功率調(diào)制。鑒于SWA在促進(jìn)海馬依賴的記憶鞏固及其局限于局部區(qū)域方面的關(guān)鍵作用，我們假設(shè)SWA和SWR之間的相互作用在SWR事件期間組織了海馬—皮質(zhì)和皮質(zhì)—皮質(zhì)的相互作用。事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)在同一記錄位點(diǎn)，SWR相位鎖定與海馬外SWA或SP和HFA調(diào)制之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。有趣的是，當(dāng)SWR-SWA相位鎖定出現(xiàn)在雙側(cè)時(shí)，SWR-SP相位鎖定僅限于SWR起源的半球。這些發(fā)現(xiàn)表明，海馬SWR和海馬外SWA/SP之間的耦合驅(qū)動(dòng)了皮層群體的選擇，以參與海馬-皮層的通訊。此外，記憶鞏固的理論結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)了在海馬SWR期間遠(yuǎn)皮質(zhì)區(qū)域神經(jīng)元群體的瞬時(shí)同步?；赟WA在NREM睡眠中的廣泛存在，SWA-SWR的時(shí)間耦合，以及SWA同步大腦皮層區(qū)域的能力，我們假設(shè)不同皮層位置的SWA之間的成對(duì)相位關(guān)系可以預(yù)測(cè)SWR窗口期間局部皮層群體之間的功能耦合。為了支持SWR和SWA在協(xié)調(diào)皮層—皮層通信中的協(xié)同作用，我們發(fā)現(xiàn)，在單獨(dú)的SWR窗口中，兩個(gè)遠(yuǎn)皮層位置之間的SWA相位對(duì)齊預(yù)測(cè)了它們的神經(jīng)元群體同步，表現(xiàn)為時(shí)間上的HFA功率相關(guān)性。單個(gè)SWR的振幅是皮質(zhì)—皮質(zhì)耦合的另一個(gè)較強(qiáng)的預(yù)測(cè)因子，而SWA相位差和SWR振幅的組合預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率優(yōu)于單獨(dú)預(yù)測(cè)相位差或SWA振幅的準(zhǔn)確性。這些結(jié)果暗示了一種補(bǔ)充機(jī)制，通過這種機(jī)制，SWA和SWRs的相互作用為分布式神經(jīng)元群體之間的遠(yuǎn)程相互作用提供了通信窗口，這對(duì)海馬依賴的記憶鞏固至關(guān)重要。 我們記錄了12名受試者的夜間睡眠顱內(nèi)EEG，分別來自額葉、顳葉、杏仁核和海馬(圖1A-C)。使用從表面電極(即腦電、眼電和肌電)收集的多導(dǎo)睡眠圖數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)(圖1D)進(jìn)行睡眠分期。受試者在NREM睡眠中的平均時(shí)間為287±44分鐘，占夜間睡眠記錄持續(xù)時(shí)間的49.9±4.1%。我們使用植入海馬的深度電極來檢測(cè)SWR事件。海馬iEEG在SWR頻率范圍(80-150 Hz)進(jìn)行帶通濾波、校正并轉(zhuǎn)換為z分?jǐn)?shù)(圖1E)。事件的平均振幅超過5個(gè)SDs，并且超過最近發(fā)作間期癲癇放電(IED)的1s窗口被歸類為SWR。校正后的SWR范圍包絡(luò)的峰值被認(rèn)為是SWR發(fā)生時(shí)間?？偲骄鵖WR的形態(tài)(圖1E)和SWR密度在受試者中是一致的，并與以前的報(bào)告一致。3.2 海馬SWR對(duì)皮質(zhì)下/皮質(zhì)高頻活動(dòng)的調(diào)節(jié)作用 我們利用毫秒的時(shí)間分辨率和廣泛的顱內(nèi)電生理記錄的解剖學(xué)覆蓋范圍來測(cè)量SWR窗口(相對(duì)于SWR峰值為±250ms)期間的HFA功率(神經(jīng)元群體活動(dòng)的替代指標(biāo))。我們將每個(gè)至少包含100個(gè)SWR記錄會(huì)話的海馬記錄位點(diǎn)與同時(shí)記錄的海馬外記錄位點(diǎn)配對(duì)，并將成對(duì)的海馬外記錄位點(diǎn)定義為目標(biāo)位點(diǎn)(圖2A)。分析中使用的所有電極都定位于灰質(zhì)。根據(jù)存在或不存在明顯的SWR周圍HFA調(diào)制，目標(biāo)位點(diǎn)被分類為HFA+或HFA?。我們發(fā)現(xiàn)36.7±9.1%的靶點(diǎn)存在明顯的SWR周圍HFA功率調(diào)制。SWR周圍HFA調(diào)制可分為正向(HFA升高)、負(fù)向(HFA降低)和混合(HFA升高和降低；圖2B和C)。正向調(diào)制是最常見的調(diào)制類型，其次是混合調(diào)制和負(fù)向調(diào)制。同側(cè)SWR與對(duì)側(cè)SWR相比，皮質(zhì)下/皮質(zhì)下調(diào)節(jié)的SWR靶點(diǎn)百分比顯著增加。調(diào)制部位以杏仁核最高，其次是顳葉和額葉皮質(zhì)?？傮w而言，這些發(fā)現(xiàn)揭示了在SWR窗口期間神經(jīng)元群體在解剖學(xué)上的特定參與。3.3 皮質(zhì)下/皮質(zhì)SWA和SP的SWR相位鎖定與局部活動(dòng)調(diào)節(jié)有關(guān) 如果SWA和SP節(jié)律性地調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性，我們假設(shè)海馬SWR和皮質(zhì)下/皮質(zhì)靶點(diǎn)的SWA或SP之間的相位鎖定可以預(yù)測(cè)局部HFA的調(diào)節(jié)。對(duì)于每個(gè)靶點(diǎn)，如果實(shí)際相位鎖定值(PLV)超過零分布的98%，則認(rèn)為海馬SWR和局部SWA或SP之間的相位鎖定是顯著的。通過在±1s窗口內(nèi)隨機(jī)抖動(dòng)各個(gè)SWR時(shí)間1000次并計(jì)算每個(gè)抖動(dòng)分布的PLV來創(chuàng)建PLV零分布。首先，我們發(fā)現(xiàn)，與對(duì)側(cè)大腦半球相比，同側(cè)大腦半球存在SWR-SWA或SWR-SP相位鎖定的靶點(diǎn)百分比更高。其次，相對(duì)于HFA?位點(diǎn)，HFA+的SWR-SWA或SWR-SP相位鎖定百分比明顯更高，對(duì)側(cè)大腦半球鎖定到SP的SWR相位除外。最后，相對(duì)于HFA?位點(diǎn)，在HFA+處的PLV明顯更高，反映了SWR-SWA或SP相位鎖定與局部SWR周圍HFA調(diào)制之間的關(guān)聯(lián)(圖3)。圖3 皮質(zhì)下/皮質(zhì)下SWA的SWR相位鎖定與局部SWR周圍HFA調(diào)制相關(guān)。 SWR-SWA和SWR-SP相位鎖定的解剖學(xué)選擇性不是由于SWA或SP幅度的差異，因?yàn)樵搮?shù)在具有和不具有顯著SWR-SWA或SWR-SP相位鎖定的目標(biāo)部位之間沒有差別?？傊@些發(fā)現(xiàn)表明海馬 SWR 和目標(biāo)位點(diǎn) SWA 或 SP 之間的相位鎖定是選擇神經(jīng)元群體參與 SWR 期間廣泛同步活動(dòng)的潛在機(jī)制。3.4 SWA相位差和SWR振幅預(yù)測(cè)皮質(zhì)—皮質(zhì)耦合 神經(jīng)元群體鎖定在局部伽馬振蕩的特定階段決定了它們的功能耦合。我們假設(shè)在SWR窗口期間HFA鎖定到振蕩階段決定了跨皮質(zhì)下/皮質(zhì)區(qū)域的群體之間的成對(duì)HFA耦合，從而組織了瞬時(shí)連接的分布式神經(jīng)元聯(lián)合(35)。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，我們首先使用兩種不同的方法量化了SWR窗口期間目標(biāo)位置的成對(duì)HFA耦合。我們分析了四個(gè)受試者的區(qū)域間功能耦合，同時(shí)記錄了杏仁核、顳葉和額葉皮質(zhì)的靶點(diǎn)，顯示出顯著的SWR-HFA調(diào)制和顯著的SWR-SWA相位鎖定。基于給定SWR事件期間的局部SWA相位差，預(yù)測(cè)兩個(gè)目標(biāo)位置之間是否存在兩個(gè)目標(biāo)位置之間的成對(duì)HFA耦合。在100次訓(xùn)練測(cè)試迭代之后，我們獲得了每個(gè)單獨(dú)受試者的耦合預(yù)測(cè)精度的分布(圖4)。我們首先比較了由兩個(gè)不同的度量(GLM導(dǎo)出的β或皮爾遜相關(guān)性r)定義的預(yù)測(cè)耦合的訓(xùn)練模型的性能。對(duì)于額葉—顳葉和杏仁核—顳葉位點(diǎn)對(duì)，基于β的耦合預(yù)測(cè)明顯優(yōu)于基于r的耦合預(yù)測(cè)(圖4A)。預(yù)測(cè)β耦合的模型具有更好的性能，這可能是因?yàn)镚LM能夠排除共同耦合對(duì)全局活動(dòng)的虛假貢獻(xiàn)。基于這一結(jié)果，我們將進(jìn)一步的分析重點(diǎn)放在預(yù)測(cè)β偶聯(lián)的模型上。接下來，我們比較了預(yù)測(cè)額葉—顳葉對(duì)與杏仁核—顳葉對(duì)β耦合的模型的性能。額顳對(duì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率顯著高于杏仁顳對(duì)(圖4B)。因此，與杏仁核—顳葉網(wǎng)絡(luò)相比，兩個(gè)位點(diǎn)之間的成對(duì)局部SWA相位差是額顳網(wǎng)絡(luò)中成對(duì)HFA耦合的更強(qiáng)的預(yù)測(cè)因子?；赟WR幅度的皮質(zhì)-皮質(zhì)耦合的可預(yù)測(cè)性可能表明，在基于皮層同步輸入的SWR期間，更強(qiáng)的海馬SWR輸出或更大的海馬補(bǔ)充可能會(huì)廣泛激活皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。最后，我們檢驗(yàn)了在單個(gè)模型中結(jié)合SWA相位差和SWR幅度是否可以提高預(yù)測(cè)精度，超過SWA相位差或SWR幅度作為單獨(dú)預(yù)測(cè)因子所能達(dá)到的水平。事實(shí)上，在所有測(cè)試模型中，基于SWA相位差和SWR幅度組合的β耦合預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率是最高的(圖4C)。
本站僅提供存儲(chǔ)服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)
點(diǎn)擊舉報(bào)。
