Part 1: Dinàmica independent de les activitats EEG intracranials espectrals de baixa, intermèdia i alta freqüència durant la formació de la memòria humana

Contacte: 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,∗

una Escola de Postgrau en Ciències Biomèdiques, Mayo Clinic, EUA

bDepartament d'Enginyeria Elèctrica i Informàtica, Universitat d'Illinois, Urbana-Champaign, IL, EUA

c Departament de Sistemes Multimèdia, Facultat d'Electrònica, Telecomunicacions i Informàtica, Centre BioTechMed, Universitat de Tecnologia de Gdansk, Gdansk, Polònia d Institut Nencki de Biologia Experimental, Acadèmia Polonesa de Ciències, Varsòvia, Polònia

Departament de Neurologia, Mayo Clinic, Rochester, MN, EUA

Departament d'Enginyeria Informàtica, Iowa State University, Ames, Iowa, EUA

g Acadèmia Txeca de Ciències, Institut d'Instruments Científics, Brno, República Txeca

h Robòtica i Cibernètica, Institut Txec d'Informàtica, Universitat Txeca Tècnica de Praga, Praga, República Txeca

Departament de Fisiologia i Enginyeria Biomèdica, Mayo Clinic, EUA

Cistanche pot millorar la memòria

a b s t r a c t

Un ampli espectre de ritmes cerebrals està implicat a tot el còrtex humà en funcions cognitives. Com es coordinen els ritmes de diversos rangs de freqüència a través de l'espai de l'escorça humana i el temps dememòriael processament no és concloent. Es poden coordinar junts a través de l'espectre de freqüències al mateix lloc i temps cortical o induir-se de manera independent en bandes particulars. Hem utilitzat un gran conjunt de dades d'electroencefalografia intracranial humana (EEG) per analitzar la dinàmica espaciotemporal de les activitats espectrals induïdes durant la formació de records verbals. La codificació de paraules per a la posterior memòria lliure activada de baixa freqüència teta, alfa i beta de freqüència intermèdia i potència gamma d'alta freqüència en un patró de mosaic de llocs corticals discrets. La majoria dels llocs corticals van registrar activitat només en una d'aquestes freqüències, tret de l'escorça visual on es va induir la potència espectral a través de múltiples bandes. Cada banda de freqüència mostrava una dinàmica característica de la potència induïda específica de l'àrea cortical i l'hemisferi. El poder de les activitats de baixa, intermèdia i alta freqüència es va propagar en seqüències independents a través de les àrees corticals visuals, temporals i prefrontals al llarg de les fases posteriors dememòriacodificació. Els nostres resultats proporcionen un model holístic i simplificat de les activitats espectrals implicades en la formació de l'ésser humàmemòria, que suggereix un mosaic distribuït anatòmicament i temporalment de ritmes cerebrals coordinats.

1. Introducció

Es creu que els ritmes cerebrals donen suportmemòriai les funcions cognitives mitjançant la coordinació de les activitats de les neurones connectades en interaccions sincròniques (Singer, 1999; Buzsaki, 2006; Fries, 2015; Klimesch, 1996; Fell i Axmacher, 2011). L'espectre d'activitats rítmiques implicades en aquestes interaccions inclou el theta (3-9 Hz) i el gamma.

bandes de freqüència (30–120 Hz) amb funcions específiques proposades per a les activitats de baixa i alta freqüència enmemòriaprocessament (Düzel et al., 2010; Sauseng et al., 2010; Fries et al., 2007; Tallon-Baudry i Bertrand, 1999; Nyhus i Curran, 2010; Lisman i Jensen, 2013; Herweg et al., 2020) . Les bandes de freqüència intermèdia alfa (9-12 Hz) i beta (12-25 Hz) també es van associar amb processos necessaris per a les funcions de memòria (Klimesch et al., 2007; Hanslmayr et al., 2011; Spitzer i Haegens 2017; Schmidt et al., 2007; al., 2019; Michalareas et al., 2016). Com funcionen conjuntament aquests diversos ritmes en la funció a una escala de temps definida, implicant només un subconjunt de les activitats espectrals en un rang de freqüències donat. Per exemple, només s'induirien ritmes theta en un lloc determinat. Ambdós escenaris coincideixen que les activitats cerebrals a intervals de freqüència definits es poden conceptualitzar com a "empremtes dactilars espectrals" que serveixen a processos perceptius o cognitius específics a una escala temporal corresponent d'interaccions neuronals (Siegel et al., 2012; Hanslmayr i Staudigl, 2014). . La resolució de la dinàmica d'aquestes empremtes dactilars espectrals amb precisió en l'espai i el temps anatòmics és fonamental per provar aquestes hipòtesis i proporcionar un model holístic de les activitats neuronals que es realitzen durant les tasques cognitives.

Els enregistraments electroencefalogràfics intracranials (EEG) presenten una oportunitat única per investigar amb alta resolució la gran escala d'activitats neuronals realitzades durant les funcions cognitives i altres funcions cerebrals en àrees discretes de l'escorça humana (Lhatoo et al., 2019; Johnson et al., 2020; Jacobs i Kahana 2010; Engel et al., 2005). Els senyals EEG es mostren a partir de contactes d'elèctrodes implantats directament a la superfície del neocòrtex o a les seves capes més profundes i estructures subcorticals. Així, les activitats espectrals generades per poblacions neuronals locals i registrades a partir de múltiples contactes separats es poden seguir en àrees corticals discretes durant el temps dememòriaprocessament. Estudis iEEG anteriors empraven habitualment la potència espectral induïda en rangs de freqüència gamma alta (60-120 Hz) per fer un seguiment del processament cortical enmemòriai tasques cognitives (Jerbi et al., 2009; Lachaux et al., 2012; Crone et al., 2006; Lundqvist et al., 2018). Theta (Sheehan et al., 2018; Lin et al., 2017) i alfa (Staresina et al., 2016) també es van investigar prèviament. Es va demostrar que les activitats oscil·latòries a les freqüències theta i alfa es propaguen com a ones locals, independents i viatgeres en àrees corticals discretes durantmemòriaprocessament (Zhang et al., 2018), però la relativa dinàmica espaciotemporal d'aquestes oscil·lacions de baixa freqüència i les activitats beta i gamma més ràpides durant el processament de la memòria romanen en gran part sense explorar.

Aquí, vam aprofitar un gran conjunt de dades iEEG de 164 participants que codificaven llistes de paraules per a la posterior memòria verbal gratuïta. Estudis anteriors amb aquesta tasca van revelar una xarxa distribuïda de regions cerebrals associades amb el processament sensorial i amb declaracions d'ordre superior.memòriafuncions (Burke et al., 2013; Burke et al., 2014a; Kucewicz et al., 2019). L'elevat poder gamma induït es va observar primer a les àrees visuals de l'escorça occipitotemporal i després a les zones més anteriors de l'escorça prefrontal, inspirant un model de dues etapes dememòriacodificant amb una etapa sensorial primerenca i una etapa d'associació tardana (Burke et al., 2014a).

També es va observar una seqüència similar d'ordre posterior a anterior de la potència induïda a la banda de freqüència theta (Burke et al., 2013) i es va confirmar en activitats més enllà del rang de freqüència gamma (Kucewicz et al., 2014). El nostre estudi recent va trobar la seqüència de l'alta potència gamma induïda durantmemòriaque la codificació sigui contínua amb latències creixents al llarg d'una jerarquia d'àrees d'associació d'ordre gradualment superior (Kucewicz et al., 2019), culminant amb l'escorça prefrontal anterior fins a la codificació de paraules. Els estudis anteriors iEEG del processament de la memòria verbal es van limitar a conjunts de dades més petits d'enregistraments de participants amb una cobertura escassa d'elèctrodes del neocòrtex o es van centrar només en bandes de freqüència seleccionades. Per tant, la potència espectral a través de diverses bandes es promediaria espacialment a través de múltiples llocs d'elèctrodes de regions corticals més grans, perdent així la resolució i la granularitat dels llocs individuals, o no s'estudiaria a través de les activitats cerebrals theta, alfa i beta i gamma.

Tenint en compte l'ampli abast de l'espectre de freqüència i les àrees cerebrals analitzades col·lectivament en els estudis anteriors, vam plantejar la hipòtesi que les activitats espectrals específiques s'indueixen en un patró granular de corticals discretes.

ubicacions. Per tant, l'agregació de l'activitat des de diverses ubicacions donaria lloc a una inclinació de la potència de banda ampla a tot l'espectre (Kilner et al., 2005), que podria estar composta per múltiples "empremtes dactilars espectrals" específiques (Fellner et al., 2019). . La localització exacta de diferents empremtes dactilars seria comuna als mateixos llocs corticals d'enregistrament d'elèctrodes o es distribuiria en un mosaic de llocs anatòmics diferents. De la mateixa manera, pel que fa al temps, les activitats espectrals de baixa, intermèdia i alta freqüència s'induirien en diferents moments dememòriacodificació o tots alhora. A més de les activitats theta i gamma, s'esperava que els ritmes alfa i beta s'induïssin en diferents llocs corticals i moments dememòriacodificació. En general, vam provar la dinàmica espai-temporal independent de les activitats espectrals induïdes durant la formació del verbal humà.memòriarastres. El nostre objectiu era proporcionar un model holístic de ritmes cerebrals implicats en una àmplia gamma de freqüències, anatomia cortical i fases de codificació de la memòria.

2. Materials i mètodes

2.1. Matèries

El conjunt de dades d'enregistraments d'EEG d'un total de 164 participants sotmesos a una avaluació quirúrgica de l'epilèpsia resistent als fàrmacs es va extreure d'un gran estudi col·laboratiu multicèntric (totes les dades no identificades estan disponibles a http://memory.psych.upenn.edu/Electrophysiological{ {3}}Dades).

Els enregistraments es van recollir als centres següents: Mayo Clinic, Thomas Jefferson University Hospital, Hospital de la Universitat de Pennsilvània, Dartmouth-Hitchcock Medical Center, Emory University Hospital, University of Texas Southwestern Medical Center i Columbia University Hospital. La Junta de Revisió Institucional respectiva va aprovar un protocol de recerca comú a cada centre i es va obtenir el consentiment informat de cada participant. Per als 139 pacients inclosos en l'anàlisi final, la informació sobre el nombre d'assaigs de paraules completats i la zona d'inici de les convulsions es resumeix a Suppl. Taula 1. L'inici de les convulsions es va localitzar a l'hemisferi dret en 46 pacients, l'hemisferi esquerre en 55, bilateralment en 26 i indeterminat en 12. La informació demogràfica com l'edat i el sexe només estava disponible per a 85 pacients (edat mitjana 35,6 anys). amb desviació estàndard d'11,6 anys; 43 dones a 42 homes, taula suplementària 1) a causa de l'accés limitat a la informació sensible de salut de diversos centres clínics que van recollir el conjunt de dades agregades. Els enregistraments electrofisiològics es van recollir a partir d'elèctrodes clínics estàndard subdurals i de profunditat (AdTech Inc., PMT Inc.) implantats a la superfície cortical i al parènquima cerebral, respectivament. Els contactes de l'elèctrode subdural es van disposar en una configuració de quadrícula o de tira amb una separació de 10 mm, i els contactes de l'elèctrode de profunditat es van separar de 5 a 10 mm. La col·locació dels elèctrodes va ser determinada per un equip clínic per localitzar els focus de convulsions per a una possible cirurgia d'epilèpsia o implantació d'un dispositiu per a l'estimulació cerebral elèctrica terapèutica.

2.2. Localització anatòmica i mapeig de superfícies cerebrals

Es van generar fragments de superfície cortical per a cada participant a partir de ressonàncies magnètiques prèvies a la implantació (seqüències volumèriques ponderades en T1-) amb el programari Freesurfer (RRID: SCR_001847). L'hipocamp i les regions corticals circumdants es van delimitar per separat basant-se en una exploració coronal addicional de 2 mm de gruix ponderada T2- mitjançant el mètode de segmentació multiatles de segmentació automàtica dels subcamps de l'hipocamp (ASHS). Les coordenades de contacte de l'elèctrode derivades d'exploracions TC posteriors a l'implantació registrades es van mapar a les exploracions de ressonància magnètica prèvia a l'implantació per determinar les seves ubicacions anatòmiques. Per a les tires i les reixetes subdurals, els contactes dels elèctrodes es van projectar addicionalment a la superfície cortical mitjançant un algorisme de minimització d'energia per tenir en compte el canvi cerebral postoperatori. Un neuroradiòleg va revisar i confirmar les ubicacions de contacte a superfícies i imatges transversals. Les exploracions de ressonància magnètica amb ponderació T1-també es van registrar al cervell estàndard MNI152 per permetre la comparació de llocs d'enregistrament en un espai comú entre subjectes. Les ubicacions anatòmiques dels llocs d'enregistrament, incloses les àrees de Brodmann, es van derivar convertint les coordenades MNI a l'espai de Talairach i consultant el dimoni Ta-Talairach (www.talairach.org).

2.3. Enregistraments electrofisiològics

Els senyals EEG es van registrar mitjançant un dels sistemes d'adquisició electrofisiològics clínics següents (depenent de la institució per a la recollida de dades): Nihon Kohden EEG-1200, Natus XLTek EMU 128 o Grass Aura-LTM64. Depenent del sistema d'adquisició i de la preferència de l'equip clínic, els senyals es van mostrejar a 500, 1000 o 1600 Hz i es van fer referència a un contacte comú col·locat intracranialment, al cuir cabellut o al procés mastoide. Per a l'anàlisi, tots els enregistraments que utilitzaven taxes de mostreig més altes es van filtrar amb un filtre antialiasing i es van mostrejar a 500 Hz. Es va calcular un muntatge bipolar comú post hoc per a cada subjecte restant sèries temporals de tensió mesurada a tots els parells de contactes espacialment adjacents. Això va donar lloc a N-1 senyals bipolars en el cas dels elèctrodes penetrants i de banda, i N=(i − 1)∗j més (j − 1)∗I, on i i j són el nombre de contactes a les dimensions vertical i horitzontal de la quadrícula. Per a l'anàlisi de dades d'aquest estudi, un "elèctrode" es refereix al senyal bipolar d'un parell de contactes bipolars. És important tenir en compte que els contactes es poden utilitzar per a diversos elèctrodes, de manera que no tots els senyals són realment independents.

2.4. Tasca de recuperació gratuïta

Un paradigma clàssic per investigar la formació d'episodis verbalsmemòriaes va emprar (Kahana, 2014), en què es mostrava als subjectes llistes de paraules per a la seva posterior memòria lliure. Es va demanar als participants que estudiessin llistes de paraules presentades a la pantalla d'un ordinador portàtil per a una prova retardada de record vocal. Les llistes estaven formades per 12 paraules escollides a l'atzar i sense substitució d'un grup de substantius d'alta freqüència en la llengua materna del subjecte (ja sigui anglès o espanyol; http://memory.psych.upenn.edu/WordPools). Cada paraula va aparèixer a la pantalla durant 1600 ms, seguida d'una fluctuació aleatòria de 750 a 1000 ms d'interval en blanc entre estímuls. Al final de cada llista de paraules, el subjecte realitzava una tasca distractora. Aquesta tasca va durar 20 s i estava composta per una sèrie de problemes aritmètics senzills del format A més B més C, on A, B i C eren nombres enters aleatoris d'un sol dígit entre 1 i 9. Després de la tasca distractor, Els participants tenien 30 s per recordar tantes paraules de la llista com fos possible en qualsevol ordre (Fig. 1). Les respostes vocals es van registrar digitalment per l'ordinador portàtil i després es van puntuar manualment per analitzar-les. Només els subjectes que recordaven almenys el 15 per cent de les paraules i completaven almenys 12 llistes de la tasca es van incloure en una anàlisi posterior (Long et al., 2014). Això va deixar 139 dels 164 subjectes originals per a un total de 14.219 elèctrodes utilitzats en aquest estudi. Els enregistraments lògics d'electròlisi es van sincronitzar amb l'aparició de l'estímul a la pantalla mitjançant un generador de polsos elèctrics operat per l'ordinador portàtil de tasca, que enviava polsos a un canal d'esdeveniments designat al sistema d'adquisició clínica. Els esdeveniments es van marcar de temps després de la sessió de gravació mitjançant codis MATLAB escrits a mida i es van utilitzar per extreure èpoques específiques d'interès al voltant de la presentació de paraules. Cada època gravada tenia una durada de 3000 ms i incloïa 1600 ms de presentació de paraules a la pantalla amb 700 ms d'una pantalla en blanc de l'interval entre estímuls abans i després de cada presentació de paraules.

La potència espectral mitjana de les proves dels senyals EEG d'èpoques de presentació de paraules (una paraula per assaig) es va integrar al llarg de l'època i es va utilitzar com a característica per classificar els elèctrodes actius que registren de les regions cerebrals implicades en verbals.memòriacodificació. Els elèctrodes actius es van classificar independentment en sis bandes de freqüència de l'espectre EEG mitjançant estimacions normalitzades del canvi de potència (transformada de puntuació z). El procediment de classificació va utilitzar un mètode no supervisat basat en el model de mescles gaussiàs (Saboo et al., 2019). Observeu l'activitat induïda a les sis bandes de freqüència a l'espectrograma d'exemple representat a partir de l'activitat mitjana de la prova d'un elèctrode localitzat a l'escorça occipital.

2.5. Anàlisi de dades

Hem analitzat les èpoques d'enregistrament iEEG durant la presentació de paraulesmemòriacodificació. Cada època de presentació es va filtrar FIR (2000- ordre de Barlett-Hanning amb filtratge de distorsió de fase zero, pas de banda amb límits de freqüència especificats per a cada banda de freqüència) abans de ser descomposada espectralment, normalitzada i agrupada independentment en bandes de freqüència diferents entre 2 i 120 Hz: theta baixa (2–4 Hz), theta alta (5–9 Hz), alfa (10–15 Hz), beta (16–25 Hz), gamma baixa (25–55 Hz) i alta gamma (65–115 Hz). Els límits d'aquestes bandes de freqüència es van determinar a partir de rangs continus i no superposats que creixen en amplada al llarg de l'espectre de freqüències. Es va triar el límit superior de 115 Hz per assegurar almenys 4 mostres per cicle donada la freqüència de mostreig de 500 Hz i per evitar l'harmònic del soroll de la línia de 60 Hz. Per convertir els senyals filtrats en un espectrograma amb a

Resolució de la safata de freqüència de 2 Hz de 2 Hz a 115 Hz, hem utilitzat finestres lliscants de 500 ms amb longituds de diapositives de 5 ms i el mètode multi-cònic amb 1 cònic de la caixa d'eines cròniques de MATLAB (http://chronux.org/; Mitra, 2007). Els espectrogrames de l'època de presentació de paraules es van classificar junts després de la normalització logarítmica i una transformació de la puntuació z de cada punt de freqüència temporal. La puntuació Z es va realitzar segons la fórmula següent:

x(t, f) − μ

z(t, f)=σ

on x és el senyal, t és el interval de temps, f és el interval de freqüència, f és la mitjana i f és la desviació estàndard per a la freqüència donada. Cada assaig es va normalitzar per separat. Es va implementar la normalització de registre per corregir l'efecte de la llei de potència 1/f de freqüències més baixes en l'estimació de la potència a les bandes de freqüència més altes, i es va realitzar la transformació de la puntuació z per proporcionar una escala normalitzada de canvi de potència per a la comparació de senyals de diferents elèctrodes. , sessions i participants (Kucewicz et al., 2019, 2017; Saboo et al., 2019). Aquesta normalització de la puntuació z produeix canvis de potència positius i negatius en relació a la potència mitjana dins de qualsevol època d'una paraula en comptes d'utilitzar un període "de base". Per tant, fins i tot les petites desviacions positives o negatives del poder absolut s'incrementarien efectivament en relació a la mitjana del senyal, tal com es va descriure abans (Kucewicz et al., 2019; Alotaiby et al., 2015). Els artefactes de vora de l'estimació de potència es van eliminar retallant els contenidors de dues vegades des de cada extrem de l'espectrograma final per a totes les freqüències. Per a cada elèctrode i banda de freqüència, vam determinar la potència espectral mitjana en cada moment en totes les èpoques de presentació de paraules. La potència global induïda en una banda de freqüència determinada durant el període de presentació de paraules es va quantificar com l'àrea sota el valor absolut de la corba de sèrie temporal corresponent, tal com es mostra a la figura. 1. A continuació, es van classificar els elèctrodes en "actius" i "inactius" a cada banda específica mitjançant el nostre mètode d'agrupació no supervisat basat en el modelatge de mescles gaussianes (GMM) per identificar aquells que mostraven canvis de potència induïts per la tasca (Saboo et al., 2019). ). Aquest mètode realitza bàsicament una classificació binària d'aprenentatge automàtic de canals actius i inactius en funció del valor de potència induïda de cada canal. La classificació es va fer per separat per a cada banda de freqüència d'interès. Tot el procediment es resumeix a la Fig. 1.

Hem escollit un mètode basat en GMM per assegurar-nos que es permetrien diferents números reflectits per als grups d'elèctrodes actius i els elèctrodes inactius. El nombre de clústers es va establir en dos perquè la categorització actiu-inactiva dels elèctrodes és binària: el canvi en la potència espectral es pot induir (augmentar o disminuir) o no durant el període de presentació de paraules. L'ús d'un GMM també va permetre la classicificació sense necessitat de dades de veritat terrestre. Els elèctrodes es van agrupar entre subjectes i després es van agrupar per identificar els elèctrodes actius.

2.6. Mapatge de potència induïda

La majoria dels elèctrodes actius es van localitzar a les regions corticals associades amb el processament d'informació visual i semàntica, així com amb declaracions.memòriai funcions executives. De les 39 àrees de Brod-Mann, la majoria de les ubicacions dels elèctrodes s'agrupen en 9 regions cerebrals que comprenen cadascuna de les àrees de Brodmann: visual (àrees de Brodmann 18 i 19), temporal inferior (àrees de Brodmann 20 i 37), precuneus (àrees principals de Brodmann). 30 i 31), parietal lateral (àrees de Brodmann 7 i 39), temporal mesial (àrea de Brodmann 28 i hipocamp), temporal lateral (àrees de Brodmann 21 i 22), àrees de Broca (àrees de Brodmann 44 i 45), prefrontal lateral (àrees de Brodmann). 9 i 46), i pal frontal (àrees de Brodmann 10 i 11). Llevat que s'indiqui el contrari, tota l'anàlisi posterior es va centrar en les èpoques de paraules recordades, és a dir, èpoques amb paraules codificades amb èxit que posteriorment van ser recordades lliurement, en aquestes nou regions corticals.

Els canvis de potència induïts a cada banda de freqüència es van representar des de tots els elèctrodes actius a una superfície cerebral mitjana per a cada punt temporal de l'època de la paraula mitjançant un codi MATLAB personalitzat per a una tècnica de pesatge depenent de la ubicació de l'elèctrode. La superfície del cervell es va crear com una malla, on a cada element de la malla se li va assignar un color depenent de la potència induïda dels elèctrodes circumdants pesada per la distància relativa a l'element (més pes als elèctrodes més proximals). Per a cada element de malla de la superfície cerebral representat, només es van considerar els efectes dels elèctrodes dins d'un llindar de 10 mm des del punt central de l'element. Per tant, es va fer una mitjana de la potència induïda de tots els elèctrodes dins del radi llindar que es van ponderar linealment per la seva proximitat segons la fórmula següent:

IP1∗ (llindar− r1) més IP2∗ (llindar− r2) més … més IP ∗ (llindar− rn )

(llindar− r1 ) més (llindar− r2 ) més … més (llindar− rn )

on IP és el valor de canvi de potència induït per a un elèctrode i r és la distància entre l'elèctrode i l'element escollit de la malla de la superfície cerebral.

2.7. Estadístiques

Es van utilitzar proves ANOVA amb correccions de comparació múltiples per als efectes de la banda de freqüència, la regió del cervell (Àrea de Brodmann) i l'hemisferi per analitzar el percentatge d'elèctrodes en una àrea etiquetada com a "temps d'acció (Fig. 2). Diferències temporals entre hemisferis. es van quantificar mitjançant una estadística de prova t de dues cues no aparellades amb correcció de Bonferroni (Fig. 3A) A continuació, vam dividir cada època de paraula en fases de pre-codificació, codificació primerenca, codificació tardana i fases de post-codificació (Burke et al. , 2014; Kucewicz et al., 2019) i va utilitzar mesures repetides ANOVA (fase de codificació com a factor dins dels subjectes) amb la prova posthoc de Tukey-Kramer per analitzar els efectes de la banda de freqüència, la regió del cervell i l'hemisferi sobre la potència induïda durant cada un. fase del verbalmemòriatasca (Fig.3B). La latència màxima per a cada banda i àrea de freqüència es va determinar com a bin de temps amb el pic positiu màxim de la potència induïda. Les ciutats llatines es van comparar mitjançant mesures repetides ANOVA (fase de codificació com a factor dins dels subjectes) i proves de comparació múltiple Tukey-Kramer post-hoc (Fig. 4). La prova de correlació de Pearson es va utilitzar per avaluar l'efecte de la posició al llarg de cada eix del cervell en el temps de latència de potència màxima (Fig. 5B). El valor alfa per a totes les proves es va establir en 0,05.

3. Resultats

3.1. Les activitats espectrals induïdes durant la codificació de la memòria es distribueixen de manera heterogènia per l'escorça humana

Primer vam identificar un subconjunt d'elèctrodes de zones corticals activades durantmemòriacodificació. Amb aquesta finalitat, potència espectral en banda en sis rangs de freqüències no solapades (theta baix: 2–4 Hz, theta alt: 5–9 Hz, alfa: 10–15 Hz, beta: 16– 25 Hz, gamma baixa: 25–55 Hz, gamma alta: 65–115 Hz) es va utilitzar com a característiques per a la classificació automatitzada d'elèctrodes actius (Saboo et al., 2019) de manera independent a cada banda (Fig. 1). Del total de 14.219 elèctrodes implantats a tots els participants, 4.738 (33,3 per cent) van mostrar la potència espectral induïda en almenys una de les bandes de freqüència. Per tant, un lloc d'elèctrode típic mostrava una potència induïda en un rang definit de bandes de freqüència baixa, intermèdia o alta (Fig. 2A). D'acord amb els nostres resultats anteriors (Kucewicz et al., 2019; Alotaiby et al., 2015), aquests elèctrodes actius estaven àmpliament distribuïts en 39 àrees de Brodmann que es van definir a tots els lòbuls corticals (Fig. 2B). La proporció relativa d'elèctrodes a cada àrea de Brodmann que va variar activament del 4,3% al 75%, depenent de la ubicació dins dels lòbuls límbic, frontal, prefrontal, parietal, temporal o occipital (ANOVA F=99.21, p. < 0,="" 001,="" df="5)," amb="" elèctrodes="" significativament="" més="" actius="" que="" es="" troben="" a="" les="" àrees="" visuals="" sensorials="" de="" l'occipital="" i="" l'escorça="" parietal="" (posthoc="" tukey="" kramer,="" p="">< 0,="" 05).="" dins="" de="" cada="" àrea,="" es="" van="" observar="" proporcions="" similars="" a="" cada="" banda="" de="" freqüència,="" incloses="" les="" bandes="" alfa="" i="" beta,="" sense="" diferències="" significatives="" en="" tot="" l'espectre="" (anova="" n-way="" f="0.17," p="0.9747" ,="" df="5)." en="" resum,="" independentment="" de="" la="" banda="" de="" freqüència="" analitzada,="" almenys="" el="" 4%="" dels="" llocs="" d'elèctrodes="" dins="" de="" qualsevol="" de="" les="" àrees="" corticals="" analitzades="" van="" revelar="" una="" potència="" induïda="" significativament="" durant="" la="">

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 participants; vegeu la taula 1). Un elèctrode pot estar actiu en una o més bandes. Vam trobar que la proporció més alta d'elèctrodes estava activa només en una (43,12 per cent) o dues (22,94 per cent) de bandes, i proporcionalment menys en més de dues bandes amb només una minoria (5,4 per cent) activa en les sis (Fig. 2C). La superposició més alta de potència espectral induïda en més de dues bandes es va observar per als elèctrodes a les àrees visuals sensorials posteriors de l'escorça occipital (Fig. 2C; vermell), on es van activar 4-5 bandes de mitjana per elèctrode durant la codificació de paraules. Altres àrees visuals de l'escorça temporal i parietal també mostraven distribucions relativament altes d'elèctrodes amb més de dues bandes activades, en contrast amb les àrees de processament d'ordre superior anterior a l'escorça temporal i prefrontal, on els elèctrodes estaven actius en 1-2 bandes de freqüència. (Fig. 2C; negre). En general, la majoria dels llocs d'elèctrodes van mostrar la potència espectral reduïda en una o dues bandes de freqüència específiques, cosa que suggereix que les diferents activitats estaven segregades espacialment a l'escorça.

Fig. 2. Les activitats espectrals induïdes durant la codificació de la memòria verbal es distribueixen de manera no uniforme pel cervell humà. (A) Exemples representatius d'espectrogrames de mitjana d'assaig durant la codificació de paraules a partir d'elèctrodes actius mostren els canvis de potència induïts confinats de manera independent a cadascun dels tres grups de freqüència des de diferents ubicacions anatòmiques. (B) Proporcions d'elèctrodes actius en sis bandes de freqüència estudiades (theta baixa: 2–4 Hz, theta alta: 5–9 Hz, alfa: 10–15 Hz) beta:

16–25 Hz, gamma baixa: 25–55 Hz, gamma alta: 65–115 Hz) mostren diferències significatives (ANOVA) en la distribució anatòmica (asteriscs vermells; p < 0,05="" test="" post-hoc="" de="" tukey="" kramer="" ),="" però="" no="" a="" través="" de="" les="" bandes="" de="" freqüència="" tal="" com="" es="" resumeix="" als="" diagrames="" de="" quadres="" inserits.="" (c)="" la="" distribució="" dels="" elèctrodes="" actius="" en="" una="" o="" més="" de="" les="" bandes="" de="" freqüència="" revela="" la="" superposició="" més="" alta="" a="" les="" zones="" posteriors="" de="" l'escorça="" visual="" occipital="" i="" parietal,="" que="" anava="" disminuint="" gradualment="" a="" les="" zones="" corticals="" més="" anteriors,="" tal="" com="" es="" mostra="" a="" la="" trama="" mitjana="" de="" la="" superfície="" cerebral.="" i="" el="" resum="" de="" dibuixos="" animats="" de="" tots="" els="" elèctrodes="" actius="" (punts="" acolorits="" segons="" el="" gràfic="" de="" barres)="" i="" en="" els="" diagrames="" de="" violí="" (les="" línies="" negres="" i="" vermelles="" indiquen="" la="" mitjana="" i="" la="" mediana,="" respectivament="" (hoffmann,="" 2015)).="" (d)="" la="" distribució="" de="" tots="" els="" elèctrodes="" actius="" a="" les="" bandes="" gamma="" (alta="" freqüència),="" alfa/beta="" (freqüència="" intermèdia)="" i="" theta="" (baixa="" freqüència)="" difereix="" en="" nou="" regions="" corticals="" d'interès="" seleccionades="" (v="" -="" visual;="" it="" -="" temporal="" inferior;="" pre="" -="" precuneus;="" par="" -="" parietal="" lateral;="" mtl="" -="" lòbul="" temporal="" mesial;="" lt="" -="" temporal="" lateral;="" br="" -="" àrea="" de="" broca;="" pfc="" -="" còrtex="" prefrontal;="" fp="" -="" pol="" frontal)="" amb="" relativament="" més="" elèctrodes="" prefrontals="" actius="" a="" les="" bandes="" gamma="" (vermell)="" i="" més="" elèctrodes="" a="" les="" àrees="" visuals="" actives="" a="" totes="" les="" bandes="" (negre)="" tal="" com="" es="" mostra="" a="" la="" trama="" mitjana="" de="" la="" superfície="" cerebral,="" el="" resum="" de="" la="" caricatura="" i="" la="" trama="" del="" violí.="" tingueu="" en="" compte="" que="" la="" majoria="" dels="" elèctrodes="" en="" general="" estaven="" actius="" en="" només="" una="" o="" dues="" bandes="" de="" freqüència,="" ja="" sigui="" de="" les="" freqüències="" baixes,="" intermèdies="" o="" altes,="" tret="" de="" les="" àrees="" visuals="" amb="" més="" de="" dues="" bandes="" de="" freqüència="" actives="" per="" qualsevol="" elèctrode="" (per="" a="" la="" interpretació="" de="" les="" referències="" al="" color="" en="" aquest="" llegenda="" de="" la="" figura,="" es="" remet="" al="" lector="" a="" la="" versió="" web="" d'aquest="">

A continuació, vam preguntar si les activitats espectrals que es van induir en qualsevol lloc d'elèctrode es solapaven en rangs de freqüència similars. Vam agrupar les activitats en grups de baixa, intermèdia i alta freqüència (theta, alfa/beta i gamma, respectivament) i vam comparar les proporcions d'elèctrodes actius amb diferents combinacions de grups. Més de la meitat de tots els elèctrodes actius van mostrar que la potència induïda es troba exclusivament a les bandes de baixa, intermèdia o alta freqüència (Fig. 2D). Els elèctrodes amb alta superposició a tots els grups es van localitzar predominantment a les àrees visuals posteriors (Fig. 2D; negre). Els llocs d'elèctrodes restants que mostraven la potència induïda en un dels tres grups de freqüència es van distribuir uniformement per l'escorça amb proporcions similars a cada ROI, a part de les àrees prefrontals on hi havia relativament més activitats gamma d'alta freqüència durant la codificació de la memòria (Fig. .2D; vermell). Els nostres resultats van mostrar que les activitats d'un rang de freqüència particular es van induir principalment en llocs corticals específics, formant un patró de distribució semblant a un mosaic consistent amb la noció d'"empremtes dactilars espectrals" (Siegel et al., 2012).

3.2. L'efecte de lateralitat de la potència induïda és específic per a freqüències i àrees corticals particulars.

La nostra següent pregunta era si la potència total en banda induïda durant el temps de codificació de paraules (Fig. 1) era diferent segons la ubicació anatòmica, la banda de freqüència o l'hemisferi. Els elèctrodes actius individuals poden mostrar magnituds similars de la potència induïda, malgrat la distribució heterogènia entre les regions corticals (Fig. 2). En general, hi va haver un efecte significatiu de la banda de freqüència sobre la potència induïda (mesures repetides ANOVA F=1346.99, p < 0.001,="" df="" {="" {8}}).="" regió="" del="" cervell="" (anova="" f="38.21," p="">< 0,001,="" df="37)" i="" de="" la="" ubicació="" de="" l'hemisferi="" de="" l'elèctrode="" (anova="" f="17.4," p="">< 0,001,="" df="" {{{="" 18}}).="">

Fig. 3. Perfils temporals de la potència induïda durant la codificació revelen efectes de lateralitat en freqüències específiques i àrees corticals. (A) Cada panell mostra els canvis de potència mitjana de la prova al llarg del temps de presentació de la paraula (fons gris) estimats a partir de tots els elèctrodes actius en una banda de freqüència determinada i regió cerebral representada per separat per a l'hemisferi esquerre i dret (vermell i blau, respectivament). . Els gràfics de la zona grisa al fons resumeixen la diferència estadística (estadística t) entre els dos hemisferis en 50 ms de temps amb un gris fosc que indica significativament més (valors de t positius) o menys (valors de t negatius) de poder en l'hemisferi esquerre (línies discontínues horitzontals; prova t de Student, p < 0,05).="" observeu="" que="" l'efecte="" de="" lateralitat="" significatiu="" es="" localitza="" en="" bandes="" de="" freqüència="" específiques="" en="" una="" regió="" cerebral="" determinada.="" (b)="" comparació="" resumida="" de="" la="" potència="" induïda="" total="" (mesures="" repetides="" anova)="" de="" totes="" les="" bandes="" de="" freqüència="" de="" les="" nou="" regions="" del="" cervell="" (vegeu="" la="" figura="" 2="" per="" a="" les="" etiquetes)="" i="" quatre="" etapes="" de="" codificació="" de="" la="" memòria:="" el="" factor="" dins="" dels="" subjectes="" (els="" asteriscs="" vermells="" indiquen="" una="" diferència="" significativa).="" ;="" prova="" de="" tukey-kramer,="" p=""><0,05).>MemòriaL'efecte va ser el més gran a l'escorça prefrontal esquerra (indicat per la doble fletxa negra), mentre que, MTL va mostrar l'efecte més gran a les zones de l'hemisferi dret (per a la interpretació de les referències al color en aquesta llegenda de la figura, es remet al lector a la web). versió d'aquest article).

L'anàlisi de grup (Tukey-Kramer, p <0.05) va="" confirmar="" una="" potència="" significativament="" menor="" amb="" freqüències="" creixents="" de="" les="" bandes,="" excepte="" entre="" les="" bandes="" gamma="" baixa="" i="" alta="" (figura="" suplementària="" 1).="" els="" elèctrodes="" dins="" del="" lòbul="" occipital="" van="" mostrar="" una="" potència="" induïda="" significativament="" més="" alta="" que="" en="" qualsevol="" altra="" àrea="" d'acord="" amb="" el="" nostre="" estudi="" anterior="" sobre="" les="" activitats="" gamma="" altes="" (kucewicz="" et="" al.,="">