Corticale rimpelingen tijdens NREM-slaap en ontwaken bij mensen, deel 2

Rimpeldetectie. De mediane centrumfrequentie van hippocampale rimpelingen in negen onderzoeken was 85 Hz bij mensen (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), terwijl bij knaagdieren de scherpe golf-rimpelfrequentie;120-140 Hz ( Buzsáki, 2015).

Rimpeldetectie is een technologie die de menselijke hersenactiviteit meet. Het vangt de elektrische activiteit van neuronen in de hersenen op door elektroden op de hoofdhuid te plaatsen en zet het signaal om in een elektro-encefalogram dat op een computer is opgenomen. Door de diepgaande studie van het menselijk brein is rimpeldetectie de afgelopen jaren een artefact geworden voor het bestuderen van cognitie, leren, emotie, enz., en is het geleidelijk in ons dagelijks leven terechtgekomen.

Wat het geheugen betreft, toont onderzoek aan dat de rimpelactiviteit van het menselijk brein een sleutelrol speelt bij de vorming en het onderhoud van herinneringen. Wanneer het menselijk brein leer- en geheugentaken uitvoert, kan het rimpelingen van specifieke frequenties tussen de hersenschors produceren, zoals thetagolven en gammagolven. Deze golven kunnen de codering en opslag van het geheugen verbeteren, en ook helpen bij het later ophalen en oproepen van het verleden. opgeslagen informatie. Daarom kan rimpeldetectie worden gebruikt om het geheugenmechanisme van het menselijk brein te bestuderen en heeft het de potentie om cognitieve stoornissen en geheugenstoornissen klinisch te behandelen.

Daarnaast helpt rimpeldetectie ons ook om onze leermethoden te verbreden. Wanneer leerlingen deelnemen aan klassikaal onderwijs, kunnen ze leren over individuele leerkenmerken en vakvoorkeuren door de rimpelactiviteiten van de hersenen tijdens het leerproces vast te leggen, om op een meer gerichte manier te leren en te verbeteren. Daarnaast hebben bij het studeren ook passende muziek en geluiden een grote invloed op het leereffect. Door middel van rimpeldetectie kunnen de reacties van verschillende groepen mensen op verschillende tonen en volumes worden bepaald, zodat docenten of leerlingen zelf de meest geschikte muziek en geluiden kunnen kiezen om de leereffecten te verbeteren.

Samenvattend: rimpeldetectie speelt een grote rol in ons leven en onze studie. Door de rimpelactiviteit op specifieke frequenties van het menselijk brein te meten, kunnen we onze cognitie-, leer- en geheugenkenmerken beter begrijpen en ons helpen onze leereffecten en kwaliteit van leven te verbeteren. Naarmate het technologieniveau verbetert, zal rimpeldetectie het onderzoek naar cognitieve neurowetenschappen en neurologische ziekten blijven verdiepen, waardoor we meer vooruitzichten en mogelijkheden krijgen. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren, en Cistanche deserticola kan het geheugen aanzienlijk verbeteren, omdat Cistanche deserticola ook de balans van neurotransmitters kan reguleren, zoals het verhogen van de niveaus van acetylcholine en groeifactoren. Deze stoffen zijn erg belangrijk voor het geheugen en het leren. Bovendien kan Vlees ook de bloedstroom verbeteren en de zuurstoftoevoer bevorderen, wat ervoor kan zorgen dat de hersenen voldoende voedingsstoffen en energie ontvangen, waardoor de vitaliteit en het uithoudingsvermogen van de hersenen worden verbeterd.

Klik op 10 manieren kennen om het geheugen te verbeteren

Bij mensen hebben vermeende 90 Hz hippocampale rimpelingen dezelfde karakteristieke relatie met scherpe golven, intrahippocampale lokalisatie, modulatie door slaapstadium en relatie met corticale slaapgolven als bij knaagdieren, en komen ze voor in hippocampi die geen tekenen van epileptische betrokkenheid vertonen. Bovendien is in de hippocampus van knaagdieren het onderscheid tussen g-uitbarstingen en rimpelingen met hogere frequentie niet altijd scherp, wat leidt tot de suggestie dat ze voor de eenvoud allebei "rimpelingen" worden genoemd (Stark et al., 2014), wat we hier volgen. .

Rimpeldetectie werd op dezelfde manier uitgevoerd voor alle structuren en toestanden en was gebaseerd op een eerder beschreven hippocampale rimpeldetectiemethode (Jiang et al., 2019a,b). Vereisten voor opname en criteria voor afwijzing werden bepaald met behulp van een iteratief proces tussen patiënten, structuren en toestanden. De gegevens werden eerst doorgegeven bij 60-120 Hz (Butterworth-filter van de zesde orde met nulfaseverschuiving) en de bovenste 20% van de 20 ms bewegende wortel-gemiddelde-kwadraatpieken werden gedetecteerd.

Verder was vereist dat de maximale z-score van de analytische amplitude van de 70-100 Hz-banddoorlaat 0,3 was en dat er ten minste drie verschillende oscillatiecycli waren in het 120 Hz laagdoorlaatsignaal, bepaald door het verschuiven van een venster van 40 ms in stappen van 5 ms over 650 ms ten opzichte van het middelpunt van de rimpel en vereist dat ten minste één venster ten minste drie pieken heeft. Aangrenzende rimpelingen binnen 25 ms werden samengevoegd. Rimpelcentra werden bepaald als het tijdstip van de maximale positieve piek in de 70-100 Hz-banddoorgang.

Rimpelaanvang en -verschuivingen werden aan elke kant van de centrale piek geïdentificeerd toen de analytische amplitude van {{0}} Hz onder de 0,75z-scores daalde. Om epileptiforme activiteiten of artefacten te verwerpen, werden rimpelingen uitgesloten als de absolute waarde van de z-score van de 100 Hz highpass groter was dan 7 of als ze optraden binnen 2 s na een verandering van 3 mV/ms in de breedband-LFP. Rimpelingen werden ook uitgesloten als ze binnen 6500 ms van vermeende IIS's vielen, gedetecteerd zoals hieronder beschreven.

Om gebeurtenissen uit te sluiten die over verschillende kanalen heen konden worden gekoppeld vanwege epileptiforme activiteit, hebben we gebeurtenissen uitgesloten die samenvielen met een vermeende IIS op elk corticaal of hippocampaal SEEG-kanaal dat in de analyses was opgenomen. Gebeurtenissen in SEEG-opnamen die slechts één prominente cyclus of afbuiging in de breedband-LFP hadden die zich manifesteerden als meerdere cycli boven de detectiedrempel in de banddoorgang van 70-100 Hz, werden uitgesloten als de grootste absolute amplitude van dal tot piek of piek tot dal werd bereikt. in de breedbandsector was de LFP 2,5 keer groter dan de derde grootste.

Voor elk kanaal werden de gemiddelde rimpel-vergrendelde LFP en de gemiddelde rimpelband visueel onderzocht om te bevestigen dat er meerdere prominente cycli waren bij de rimpelfrequentie (70-100 Hz) en werd de gemiddelde tijd-frequentiegrafiek onderzocht om te bevestigen dat er een duidelijke toename in vermogen was. binnen de 70-100 Hz-band. Bovendien werden meerdere individuele rimpelingen in de breedband LFP en de 70-100 Hz-banddoorlaat van elk kanaal visueel onderzocht om te bevestigen dat er meerdere cycli waren met de rimpelfrequentie zonder besmetting door artefacten of epileptiforme activiteit. Kanalen die geen rimpelingen bevatten die aan deze criteria voldeden, werden uitgesloten van het onderzoek.

Merk op dat een recente studie rimpelingen heeft geïdentificeerd op basis van deze criteria bij een patiënt zonder epilepsie (Rubin et al., 2022). De oscillatiefrequentie van elke rimpel werd berekend door eerst het aantal banddoorgangsnuldoorgangen van 70-100 Hz (die elk een halve cyclus vertegenwoordigen) tijdens de rimpelgebeurtenis te tellen en de resterende gedeeltelijke halve cyclus op te tellen (dwz de resterende fasehoek over p). Het aantal halve cycli in de rimpel werd gedeeld door 2 om het totale aantal cycli tijdens de rimpel te berekenen. Tenslotte werd de oscillatiefrequentie in Hertz berekend als het aantal cycli gedeeld door de rimpelduur in seconden.

Aftrekken van eenheidspieken van LFP's. Een uitdaging bij het detecteren van hoogfrequente oscillaties, zoals rimpelingen in de LFP geregistreerd door een micro-elektrode, is dat eenheidspieken kunnen "doorbloeden" in de microLFP (Ray, 2015), wat resulteert in de detectie van valse relaties tussen rimpelingen en eenheidspieken. Hoewel eenheidspieken snelle gebeurtenissen zijn, kan het eenvoudigweg downsamplen (waarbij eerst low-passing nodig is om aliasing te voorkomen) de invloed van het actiepotentiaal op de micro-LFP niet volledig wegnemen.

Om dit aan te pakken, hebben we een aangepaste techniek voor het aftrekken van piekgolfvormen gebruikt (Pesaran et al., 2002). Concreet werd de gemiddelde piekgolfvorm (500 tot 1600 ms rond het dal) van elke eenheid afgetrokken van de ongefilterde 30 kHz Utah Array micro-LFP van hetzelfde kanaal gecentreerd op elke piek. De gegevens werden vervolgens gedownsampled naar 1 kHz en rimpeldetectie werd uitgevoerd zoals hierboven beschreven. We bevestigden dat deze methode leidde tot de detectie van echte oscillaties door uitgebreide visuele bevestiging van gebeurtenissen in de 30 kHz micro-LFP's.

IIS-detectie en -afwijzing. Rimpelingen en andere slaapgolven werden uitgesloten als ze zich binnen 6500 ms van de vermoedelijke IIS bevonden, als volgt gedetecteerd: Er werd een hoogfrequente score berekend door de analytische amplitude van 70-190 Hz af te vlakken met een boxcar-functie van 20 ms, en er werd een pieksjabloonscore gegenereerd door de kruiscovariantie met een sjabloon IIS te berekenen. De hoogfrequente score werd gewogen met 13, de piekscore werd gewogen met 25, en een IIS werd gedetecteerd wanneer deze gewogen sommen de 130 overschreden. Bij elke patiënt werden gedetecteerde IIS en tussenliggende tijdperken visueel onderzocht vanuit de hippocampale en corticale kanalen (indien aanwezig) om te bevestigen hoge detectiegevoeligheid en specificiteit.

Detectie van downstates, upstates en slaapspindels. Downstates en upstates werden gedetecteerd zoals eerder beschreven (Jiang et al., 2019a,b), waarbij de breedband LFP van elk kanaal werd doorgelaten vanaf 0.1-4 Hz (zesde orde Butterworth-filter met nulfaseverschuiving) en opeenvolgende nuldoorgangen gescheiden door 0,25-3 s werden geselecteerd. De bovenste 10% amplitudepieken werden geselecteerd en de polariteit van elk signaal werd indien nodig omgekeerd, zodat de downstates negatief waren en de upstates positief, door ervoor te zorgen dat de gemiddelde analytische amplitude van de 70-190 Hz-banddoorgang binnen 6100 ms rond de pieken groter was voor upstates dan downstates. Er werden in totaal 2.649.563 downstates gedetecteerd, met een gemiddelde SD-dichtheid (over de kanalen heen) (frequentie van optreden) van 12.9 6 4.7 min1 en een amplitude van 237.3 6 169.8 mV. Er werden in totaal 2.922.211 upstates gedetecteerd met een dichtheid van 14.6 6 4.7 min1 en een amplitude van 163.8 6 84.9 mV.

Spindels werden gedetecteerd zoals eerder beschreven (Hagler et al., 2018), waarbij gegevens werden doorgegeven bij 10-16 Hz, waarna de absolute waarden werden afgevlakt via convolutie met een taps toelopend Tukey-venster van 300 ms, en mediaanwaarden werden van elk kanaal afgetrokken. Gegevens werden genormaliseerd door de mediaan absolute afwijking, en spindels werden gedetecteerd wanneer pieken gedurende ten minste 400 ms de 1 overschreden. Onsets en offsets werden gemarkeerd toen deze amplitudes onder de 1 daalden. Vermeende spindels die samenvielen met grote toenames in het lagere (4-8 Hz) of hogere (18-25 Hz) bandvermogen werden afgewezen om zowel breedbandgebeurtenissen als theta-bursts uit te sluiten, die zich kunnen uitstrekken tot aan de onderkant van het spilbereik (Gonzalez et al., 2018). Er werden in totaal 694.168 spindels gedetecteerd met een gemiddelde en SD-dichtheid (over de kanalen heen) van 3.0 6 3.0 min1, amplitude van 29.1 6 13.5 mV, oscillatiefrequentie van 12.{{19} }.7 Hz en een duur van 633.5 6 67.2 ms.

Rimpel temporele relaties. Peri-corticale rimpeltijdhistogrammen van corticale slaapgolven op hetzelfde kanaal werden berekend. Gebeurtenistellingen werden gevonden in bakken van 50 ms voor slaapgolven binnen 61500 ms rond corticale rimpelcentra op t=0. Er werd een nulverdeling gegenereerd door de gebeurtenistijden ten opzichte van de rimpelingen op t=0 binnen dit venster van 3 seconden elk 200 keer te schudden. Pre-FDR p-waarden werden berekend door de waargenomen en nulverdelingen binnen elke bak gedurende 61.000 ms voor corticale slaapgolven te vergelijken. Deze p-waarden werden vervolgens FDR-gecorrigeerd voor het aantal kanalen bij patiënten, vermenigvuldigd met het aantal bins per kanaal (Benjamini en Hochberg, 1995). Er werd aangenomen dat een kanaal een significante modulatie had als er drie of meer opeenvolgende bins waren met FDR-gecorrigeerde p-waarden kleiner dan een=0.05. Of gebeurtenissen leidend of achterlopend waren op corticale rimpelingen op t=0 werd voor elk kanaal berekend met een tweezijdige binomiale test met een verwachte waarde van 0,5, waarbij gebruik werd gemaakt van het aantal gebeurtenissen in de 1000 ms vóór versus 1000 ms na t=0 voor slaap golven. Percelen hadden Gaussiaans afgevlakte gebeurtenisaantallen van 50 ms met bakken van 50 ms.

Voorwaardelijke kansen op een rimpel gegeven de volgende slaapgolven of hun reeksen werden berekend: downstate, spindel, upstate, downstate-spil en spindel-upstate. Een rimpel gegeven een spil (R|SS) werd bepaald als het rimpelcentrum plaatsvond tijdens de spil (de gemiddelde spilduur was 634 ms). Er werd aangenomen dat een rimpel voorafgaat aan een upstate (R|US) of een downstate (R|DS) volgt als het rimpelcentrum plaatsvond binnen 634 ms vóór of na de piek van respectievelijk de upstate of downstate.

Eenheidsdetectie, classificatie, kwaliteit en isolatie. De detectie en classificatie van eenheden werden uitgevoerd volgens onze gepubliceerde procedures (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). De gegevens werden doorgegeven bij 300-3000 Hz en er werden vermeende eenheidspieken gedetecteerd toen het gefilterde signaal vijf keer de geschatte SD van de achtergrondruis overschreed. Eenheden werden k-gemiddelden geclusterd met behulp van de eerste drie hoofdcomponenten van elke piek. Overlappende pieken werden visueel onderzocht en die met abnormale golfvormen werden uitgesloten. Op basis van hun golfvormen, vuurfrequenties en autocorrelogrammen werden actiepotentialen geclusterd als afkomstig van vermeende PY's of IN's. PY's hadden pieksnelheden van;0.1-0.8 Hz, lange dal-tot-piek- en halve-breedte-intervallen, scherpe autocorrelaties en bimodale interspike-interval (ISI)-distributies, wat de neiging weerspiegelt om in bursts te vuren.

IN's hadden daarentegen pieksnelheden van;{{0}} Hz, korte dal-tot-piek- en halve-breedte-intervallen, brede autocorrelaties en een overwegend unimodale ISI-verdeling. De Utah Array-patiënt die in het onderzoek was opgenomen, had 69 PY met een totaal van 231.922 pieken, evenals 23 IN met een totaal van 462.246 pieken. De gemiddelde en SD PY-amplitude van dal tot piek was 44,8 6 12,9 mV, de pieksnelheid was {{20}}.28 6 0,17 Hz, van dal tot piek breedte was 0.49 6 0.5 ms, halve piekbreedte was {{40}}.62 6 0.04 ms, en bursting-index was 0.03 6 0.02. De gemiddelde en SD IN-dal-tot-piek-amplitude was 28.9 6 11.9 mV, de pieksnelheid was 1.67 6 1.63 Hz, de dal-tot-piek-breedte was 0.29 60. 05 ms, de halve piekbreedte was 0.34 6 0.05 ms en de bursting-index was 0.01 6 0.01. De amplitude van dal tot piek, pieksnelheid, breedte van dal tot piek, breedte van de halve piek en barstindex waren allemaal significant verschillend tussen PY en IN (p,0,0001, tweezijdige t-test met twee steekproeven).

De kwaliteit en isolatie van één eenheid werden bevestigd volgens eerder vastgestelde richtlijnen (Kaminski et al., 2020 ). Er is vastgesteld dat eenheidspieken de ruisvloer ruimschoots overschrijden op basis van grote pieksignaal-ruisverhoudingen (PY: 10.1 6 3.4;IN: 5.9 6 3.1). Aangezien de ongevoelige periode voor neuronale pieken 3 ms bedraagt, schat het percentage ISI's, 3 ms de mate van besmetting van één eenheid door pieken van verschillende eenheden, wat erg laag was onder de eenheden die in dit onderzoek waren opgenomen (PY: 0.{{14 }}.15%; IN: 0.31 6 0.50%). Bovendien waren afzonderlijke eenheden die op hetzelfde contact werden gedetecteerd, zeer goed van elkaar te scheiden op basis van hun projectieafstanden (Pouzat et al., 2002)(PY: 49.{ {21}}.8 SD; IN: 50.9 6 28.6 SD). Ten slotte werd de temporele stabiliteit van eenheidspieken in de loop van de tijd bevestigd op basis van de consistentie van de gemiddelde golfvorm en amplitude van elke eenheid over opnamekwartielen.

Analyses van eenheidspieken tijdens rimpelingen. De eenheidspieken werden geanalyseerd met betrekking tot lokale rimpelingen die bij hetzelfde contact werden gedetecteerd. Rimpelfasen van eenheidspieken werden bepaald door het vinden van de hoek van de Hilbert-transformatie van het 70-100 Hz banddoorlaatsignaal (nulfaseverschuiving) op de tijdstippen van de pieken. De cirkelvormige gemiddelde rimpelfase werd voor elke eenheid bepaald volgens Berens (2009). Faseanalyses werden alleen uitgevoerd op eenheden die ten minste 30 pieken vertoonden tijdens lokale rimpelingen. De Rayleigh-test werd gebruikt om de unimodale afwijking van de uniformiteit van de cirkelvormige gemiddelde fasen over eenheden te beoordelen. Het samenvuren van PY-PY- en PY-IN-eenheidsparen binnen 5 ms werd beoordeeld op basis van Dickey et al. (2021). Om cofiring te evalueren wanneer er een rimpel was op een of beide locaties versus de basislijn wanneer er geen rimpelingen optraden, selecteerden we willekeurig niet-rimpeltijdvakken die qua aantal en duur overeenkwamen met de rimpelingen, maar gedurende welke er op geen van beide kanalen rimpelingen werden gedetecteerd. Het cofiren tijdens rimpelingen met waargenomen versus willekeurige piektijden werd berekend door de piektijden van elke eenheid binnen de intervallen van de rimpelingen door elkaar te schudden.

Experimenteel ontwerp en statistische analyses. Alle statistische tests zijn beoordeeld met een=0.05. Alle p-waarden waarbij meerdere vergelijkingen betrokken waren, werden FDR-gecorrigeerd volgens Benjamini en Hochberg (1995). FDR-correcties voor alle kanaalparen werden uitgevoerd voor alle kanaalparen van alle patiënten die in de analyse waren opgenomen. Box-and-whisker-plots tonen het mediaan-, gemiddelde- en interkwartielbereik, waarbij de snorharen een interkwartielbereik van 1,5 aangeven, waarbij uitschieters zijn weggelaten. Kerneldichtheidsgrafieken werden geproduceerd met behulp van methoden van Bechtold (2016). De significantie- en schuifstatistieken van peri-rimpeltijdhistogrammen werden berekend zoals hierboven beschreven. Statistieken over eenheidspieken werden berekend zoals hierboven beschreven.

Statistische vergelijkingen tussen rimpelkarakteristieken werden uitgevoerd met behulp van tweezijdige gepaarde of tweezijdige twee-steekproeven t-tests tussen kanaalgemiddelden. Verschillen in rimpelkarakteristieken tussen toestanden (NREM of waken) of regio's (cortex of hippocampus) werden bepaald met behulp van lineaire mixed-effects-modellen met toestand en regio als vaste effecten en patiënt als willekeurig effect, volgens het volgende model:

Beschikbaarheid van data. De geanonimiseerde ruwe gegevens die de bevindingen van dit onderzoek ondersteunen, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteurs, op voorwaarde dat de overeenkomst voor het delen van gegevens en de toestemming van de patiënt dat delen toestaan.

Beschikbaarheid van codes. De code die de bevindingen van dit onderzoek ondersteunt, is op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteurs.

Resultaten

Rimpelingen zijn alomtegenwoordig in toestanden en structuren met een karakteristieke en focale frequentie (;90 Hz) en duur (;70 ms)

Rimpelingen werden gedetecteerd in intracraniale corticale en hippocampale SEEG-opnamen van 17 patiënten die monitoring ondergingen voor lokalisatie van de aanvalsfocus (Tabel 1). Bipolaire transcorticale afleidingen zorgden voor de meting van lokaal gegenereerde LFP's. Rimpelingen werden uitsluitend gedetecteerd uit niet-laesionale, niet-epileptogene gebieden en moesten ten minste drie cycli met verhoogde 70-100 Hz-amplitude hebben zonder besmetting door epileptiforme activiteit of artefacten (Fig. 1A). Het registreren van tijdperken en kanalen met mogelijke besmetting door epileptiforme activiteit werd rigoureus afgewezen. Rimpelingen werden gevonden tijdens zowel het ontwaken als NREM in alle bemonsterde corticale gebieden (Fig. 2A, B, E-J; Tabel 3) evenals de hippocampus (Fig. 2C, D, K, L; Tabel 3).

In alle toestanden en corticale gebieden was de rimpelfrequentie opmerkelijk consistent bij;90 Hz. Concreet varieerde de gemiddelde corticale rimpelfrequentie binnen het gebied van 88,8-90,0 Hz tijdens NREM en 89,2-89,8 Hz tijdens het ontwaken (tabel 3; figuur 3). De gemiddelde rimpeloscillatiefrequentie van Thema 6 SD over alle corticale kanalen tijdens NREM was 89.1 6 0.8 Hz en tijdens het ontwaken was 89.5 6 0.7 Hz. Deze gegevens worden ook gepresenteerd als histogrammen van individuele rimpelkarakteristieken (amplitude, frequentie, duur, bijbehorende veranderingen in amplitude van 0,200 Hz) in figuur 4, evenals van individuele patiënten in figuur 5. De basiskenmerken van corticale rimpelingen waren zeer vergelijkbaar in een aanvullende analyse die alleen omvatte corticale kanalen vrij van IIS's (Fig. 6A).

De oscillatiefrequentie was niet alleen zeer consistent bij 90 Hz over rimpelingen heen, maar de verhoogde amplitude was ook sterk geconcentreerd tijdens rimpelingen bij 90 Hz bij breedbandopnamen, met een steile daling in amplitude bij hogere en lagere frequenties. Deze toename van het brandpuntsvermogen, die vooral prominent aanwezig is tijdens NREM, is te zien in voorbeeldkanalen (Fig. 2A, E – H) en in grote gemiddelde tijdfrequentiegrafieken die gemiddeld zijn over alle kanaalgemiddelden van alle rimpelingen (Fig. 2I – L). .

We hebben aanvullende analyses uitgevoerd om te onderzoeken of deze regelmaat en focus van de rimpelfrequentie te wijten zou kunnen zijn aan onze methode om ze te detecteren. Eerst hebben we een volledige heranalyse uitgevoerd van alle SEEG-kanalen en tijdperken met behulp van twee verschillende frequentiebereiken voor rimpeldetectie en selectie. De ene gebruikte een detectiebanddoorlaat van 70 tot 100 Hz, zoals in onze primaire analyse, en de andere breidde de detectiebanddoorlaat uit naar 65-120 Hz. Gemiddelde 6 SD NREM-rimpeloscillatiefrequentie over kanalen (N=273) van alle SEEG patiënten (S1-S17) is zeer vergelijkbaar bij gebruik van een banddoorlaat van 70-100 Hz (gemiddeld 6 SD=89.1 60.8 Hz) of een 65-120 Hz-banddoorlaat (92.7 62.2 Hz) (Fig. 1B). Verder hebben we geverifieerd dat de 60 en 120 Hz notch-filters (om lijnruis te verwijderen) en de 70-100 Hz-banddoorlaat niet kunstmatig een piek in vermogen produceerden bij; 90 Hz (Fig. 1C). De rimpeloscillatiefrequentie van 90 Hz lijkt dus eerder fysiologisch te zijn dan te worden aangestuurd door specifieke detectiemethoden.

De gemiddelde duur van de rimpel was ook opmerkelijk consistent (;70 ms) in alle toestanden en corticale gebieden (tabel 3). De duur en consistentie worden niet verklaard door de detectievereiste van het hebben van ten minste drie cycli (wat bij 90 Hz 33,3 ms is), wat erop wijst dat deze duur ook een fysiologisch kenmerk. Andere kenmerken, waaronder dichtheid (NREM: 8.36 6 2.69 min1, wakker: 5.77 6 3.42 min1), piekamplitude (NREM: 5.10 6 2.25 mV, wakker: 7.38 64.17 mV) en de verandering in de amplitude van 0,200 Hz (NREM: 3.096 2.75%, wakker: 33,02636,90%) waren ook zeer vergelijkbaar tussen de kanalen (Fig. 2, 3). Rimpelkarakteristieken waren ook consistent bij alle patiënten (Fig. 5). Er werden echter kleine maar significante verschillen opgemerkt tussen regio's, cortex versus hippocampus, en NREM versus ontwaken, die hieronder worden beschreven.

Rimpelingen vertonen kleine maar significante verschillen tussen de cortex en de hippocampus

Menselijke hippocampale rimpelingen zijn eerder geselecteerd met behulp van een verscheidenheid aan methoden (zie voor een overzicht Jiang et al., 2019c). In onze eerdere onderzoeken vereisten we dat rimpelingen over scherpe golven (karakteristiek voor de voorste hippocampus) (Jiang et al., 2019a) of spindels (karakteristiek voor de achterste hippocampus) (Jiang et al., 2019b) werden gelegd. In de huidige studie hebben we deze gegevens opnieuw geanalyseerd met behulp van dezelfde criteria en procedures als die we gebruikten voor de detectie en selectie van corticale rimpelingen, om methodologische dubbelzinnigheden te vermijden; dat wil zeggen dat we de aanwezigheid of afwezigheid van een bijbehorende LFP-signatuur met lagere frequentie niet nodig hadden.

Met behulp van dezelfde detectiecriteria ontdekten we dat corticale en hippocampale rimpelingen dezelfde basiskenmerken delen met relatief kleine verschillen. De basiskarakteristieken van de hippocampale rimpel waren zeer vergelijkbaar in een aanvullende analyse, die alleen hippocampale kanalen omvatte die vrij waren van IIS's (Fig. 6B). Tijdens NREM hadden hippocampusrimpelingen gemiddelde tijd-frequentiegrafieken (Fig. 2C, K) die leken op de overeenkomstige corticale grafieken (Fig. 2A, E-I) met geconcentreerde oscillerende activiteit bij; 90 Hz, maar verschilden doordat ze op de top van een lokale scherpe golf-rimpel in plaats van vlak voor de lokale upstate te voorkomen, zoals te zien is in de cortex. Tijdens het ontwaken vertonen de gemiddelde tijd-frequentiegrafieken van hippocampale (Fig. 2D, L) en corticale (Fig. 2B, J) rimpelingen opnieuw geconcentreerde oscillerende activiteit bij; 90 Hz, maar ook met activiteit die zich uitstrekt tot hogere frequenties, zoals hierboven opgemerkt.

Statistische analyses (Fig. 3) brachten verschillende verschillen aan het licht die, hoewel klein, toch significant waren, toe te schrijven aan het grote aantal kanalen. In het bijzonder waren de hippocampale rimpelingen, vergeleken met corticale rimpelingen, gemiddeld: iets minder dicht tijdens NREM, en dichter tijdens het ontwaken; iets lagere frequentie, vooral tijdens NREM (maar nog steeds een verschil van 3 Hz); langere duur, vooral tijdens NREM (maar 10 ms verschil); grotere amplitude (met;2,5); en gaat gepaard met een kleinere maar nog steeds significante toename van de amplitude van 0,200 Hz tijdens het ontwaken vergeleken met NREM. Bovendien waren de corticale rimpelkarakteristieken niet significant gecorreleerd met de connectiviteitsdichtheid van de hippocampus met hun lokale pakket (Fig. 7). Over het geheel genomen lijken de corticale en hippocampale rimpelingen zeer vergelijkbaar te zijn, behalve met name wat betreft hun amplitudes en bijbehorende langzamere golven tijdens NREM (Fig. 2; Fig. 8A-F).

Rimpelingen kunnen worden onderscheiden van hoogfrequente limbische oscillaties

Oscillerende activiteit bij 0,60 Hz bij mensen is eerder onderzocht, voornamelijk in de hippocampus van epilepsie. (2010) rapporteerden waarschijnlijk niet-pathologische activiteit, voornamelijk van parahippocampale gyruslocaties. Ze legden een minimumduur van 100 ms op, wat de overgrote meerderheid van de gebeurtenissen die we bestudeerden zou hebben geëlimineerd (Fig. 3D, 4), en is langer dan de duur die eerder werd gerapporteerd voor menselijke hippocampusrimpelingen (Jiang et al., 2019c), menselijke corticale rimpelingen (Vaz et al., 2019) en knaagdierhippocampale rimpelingen (Buzsáki, 2015).

Bovendien zijn ze gemiddeld langer dan de gebeurtenissen die we hier beschrijven, zoals beschreven door Le Van Quyen et al. (2010) verschillen ook doordat ze verschillende oscillerende frequenties bevatten (terwijl de hier beschreven frequenties sterk gecentreerd zijn op 90 Hz) en grotere amplitudes hebben. Hun gebeurtenissen zijn echter vergelijkbaar omdat ze verband houden met de staten in het noorden en omdat ze het afvuren van eenheden moduleren (zie hieronder). We waren daarom geïnteresseerd in het bepalen van de relatie tussen de voornamelijk parahippocampale gebeurtenissen beschreven door LeVan Quyen et al. (2010) en de wijdverbreide corticale gebeurtenissen die hier worden beschreven.

We hebben onze parahippocampale kanalen (N {{0}} kanalen van 5 patiënten) gesubselecteerd en de selectiecriteria geïmplementeerd die zijn beschreven door Le Van Quyen et al. (2010): de gegevens waren banddoorlaatbaar bij 40-120 Hz, de minimale gebeurtenisduur was 100 ms, en voor het overige werden gebeurtenissen gedetecteerd zoals beschreven in Materialen en methoden. Met behulp van deze selectiecriteria vonden we een zeer lage dichtheid van gebeurtenissen. De gemiddelde rimpeldichtheid van parahippocampale kanalen tijdens NREM op basis van onze criteria was 9,08 min1 (bereik: 7.23-10.77 min1), terwijl die op basis van de Le Van Quyen et al. (2010) waren de detectiecriteria slechts 0,40 min1 (bereik: 0-1.53 min1). De hier beschreven gebeurtenissen komen dus niet overeen met de gebeurtenissen die eerder zijn gerapporteerd door Le Van Quyen et al. (2010).

Rimpelingen vertonen kleine maar significante verschillen tussen primaire sensomotorische en associatiecortices

Uit eerder onderzoek bij slapende ratten (Khodagholy et al., 2017) en wakkere mensen (Vaz et al., 2019) bleek dat corticale rimpelingen vaker voorkomen in associatiegebieden dan in vroege sensorische en motorische gebieden waar ze afwezig of zeldzaam waren. Daarentegen ontdekten we dat de rimpeldichtheid, amplitude en bijbehorende 200 Hz-amplitude (een maatstaf voor het afvuren van eenheden) (Mukamel et al., 2005) in de primaire cortex allemaal significant hoger waren dan in associatiegebieden, zoals aangegeven door een positieve correlatie. met de myelinisatie-index (Fig. 8G-I) (Rosen en Halgren, 2021). Oscillatiefrequentie en duur waren niet gecorreleerd met de myelinisatie-index (Fig. 9). In sommige gevallen was dit effect bijvoorbeeld klein en verklaarde het slechts 1,7% van de variantie in dichtheid tijdens het ontwaken en 4,4% tijdens NREM. In andere gevallen was het effect aanzienlijk, bijvoorbeeld door 19,4% van de variantie in amplitude tijdens NREM te verklaren. Als we NREM vergelijken met wakker worden, was er bij NREM een significant sterkere correlatie tussen myelinisatie-index en dichtheid (p=0.02, t=2.1), amplitude (p=8 104,t {{19 }}.2), en .200 Hz modulatie (p=2 106, t=4.7; eenzijdige gepaarde r-test; MATLAB: r_test_ gepaard) (Steiger, 1980). Kortom, menselijke corticale rimpelingen lijken bescheiden talrijker en robuuster te zijn op sensorisch en motorisch gebied dan op associatiegebied.

Rimpelingen vertonen kleine maar significante verschillen tussen NREM en ontwaken

De meeste corticale en hippocampale rimpelkarakteristieken waren vergelijkbaar tussen NREM en waken (Fig. 3; Tabel 3), maar vanwege het grote aantal gebeurtenissen waren zelfs kleine verschillen significant. Als we slechts verschillen van 0,10% in aanmerking nemen, was de corticale rimpeldichtheid 31% hoger en was de amplitude 43% lager tijdens NREM dan bij het ontwaken. De duur van de rimpeling was tijdens NREM 13% hoger in de cortex en 20% hoger in de hippocampus dan bij het ontwaken. De meest opvallende verschillen waren de procentuele verandering in de gemiddelde amplitude van 200 Hz tijdens rimpelingen vergeleken met een basislijn van 2 tot 1 s (Fig. 3E), die 969% toenam van NREM tot ontwaken in de cortex, en 304% in de hippocampus.

Dit verschil blijkt breedbandig te zijn in de wakkere rimpel-getriggerde tijd-frequentiegrafieken van de cortex (Fig. 2Bii, J) en de hippocampus (Fig. 2Dii, L), en zou dus doorgaans niet worden geïnterpreteerd als anoscillatie, maar als een indicatie van verhoogde multi-eenheidsactiviteit. Vergeleken met waken zijn corticale rimpelingen dus iets dichter, langer en kleiner in NREM; De hippocampale rimpelingen zijn ook langer. Het enige grote verschil is dat zowel corticale als hippocampale rimpelingen geassocieerd lijken te zijn met een veel grotere toename in vermeende multi-unit activiteit tijdens het ontwaken dan NREM.

Corticale rimpelingen sluiten zich aan bij slaapgolven die cruciaal zijn voor geheugenconsolidatie

Oscillatiekoppelingen zijn belangrijk voor geheugenconsolidatie (Latchoumane et al., 2017). Eerdere studies hebben aangetoond dat corticale rimpelingen optreden op de upstate en spindelpieken bij katten (Grenier et al., 2001) en ratten (Khodagholy et al., 2017), maar deze relaties zijn niet geëvalueerd bij mensen. We hebben downstates en upstates gedetecteerd, waarbij de polariteiten werden bepaald op basis van de bijbehorende hoogfrequente activiteit (voor details, zie Materialen en Methoden), evenals spindels, en ontdekten dat corticale rimpelingen nauwkeurig waren gekoppeld aan de reeks slaapgolven die hierboven zijn beschreven (Fig. 10; Tabel 4). ). In het bijzonder waren in 95% van de corticale kanalen rimpelingen significant geassocieerd met downstates en upstates (Fig. 10B, D, E), meestal tijdens de overgang van down-naar-upstate, zoals te zien in individuele onderzoeken (Fig. 2Aiii, 10A), en in rimpel-getriggerde gemiddelden van de breedband LFP (Fig. 2Ai, E – H).

Peri-rimpelhistogrammen laten zien dat corticale rimpelcentra gemiddeld 450 ms na maxima in de staat en 100 ms vóór maxima in de upstate plaatsvonden (Fig. 10B, D – G). Minder vaak traden rimpelingen op tijdens spindels (significante associatie in 29% van de kanalen; figuur 10C, E), zoals te zien in individuele onderzoeken (figuur 10A) en in peri-rimpel tijd-frequentiegrafieken (figuur 2Aii, E). Peri-rimpelhistogrammen laten zien dat spindels gemiddeld 225 ms vóór het corticale rimpelcentrum begonnen, wat aangeeft dat rimpelingen de neiging hebben om op te treden tijdens spindels (Fig. 10C, E-G). De kans dat rimpelingen optreden tijdens spindels voorafgaand aan upstates was groter dan die voor optredende rimpelingen tijdens spindels, of vóór upstates (Fig. 10H). Deze resultaten suggereren dat de timing van corticale rimpelingen tijdens NREM geschikt is voor het faciliteren van consolidatie, geleid door opeenvolgende activering van slaapgolven.

For more information:1950477648nn@gmail.com