Rangsangan Thalamic Anterior Meningkatkan Penilaian Ketepatan Memori Bekerja

Untuk maklumat lanjut:ali.ma@wecistanche.com

abstrak

Latar belakang: Nukleus anterior talamus (ANT) telah dicadangkan sebagai sistem hippocampal lanjutan. Litar ANT dan hippocampus telah ditunjukkan secara meluas untuk dikaitkan dengan fungsi ingatan. Kedua-dua lesi pada setiap rantau dan mengganggu aliran maklumat antara wilayah boleh menyebabkan kerosakan ingatan bekerja. Walau bagaimanapun, peranan litar ini dalam ketepatan memori kerja masih tidak diketahui.

Objektif: Untuk menguji peranan laluan thalamic hippocampal-anterior dalam ketepatan ingatan bekerja, kami menyampaikan rangsangan elektrik intrakranial kepada ANT. Kami membuat hipotesis bahawa rangsangan ANT boleh meningkatkan ketepatan ingatan kerja.

Kaedah: Pesakit epilepsi presurgikal dengan elektrod kedalaman dalam ANT dan hippocampus telah direkrut untuk melakukan tugas ingatan kerja ingatan warna. Peserta diarahkan untuk menunjukkan warna yang mereka sepatutnya ingat dengan mengklik titik pada roda warna, manakala data EEG intrakranial direkodkan secara serentak. Untuk separuh percubaan yang dipilih secara rawak, rangsangan elektrik bipolar telah dihantar ke elektrod ANT.

Keputusan: Kami mendapati bahawa berbanding dengan ujian bukan rangsangan, pertimbangan ketepatan ingatan bekerja telah dipertingkatkan dengan ketara untuk ujian rangsangan. Rangsangan elektrik ANT telah meningkatkan kuasa spektrum ayunan gamma (30e100 Hz) dengan ketara dan mengurangkan pelepasan epileptiform interiktal (IED) dalam hippocampus. Selain itu, peningkatan kuasa gamma semasa tempoh pra-rangsangan dan pengambilan semula meramalkan peningkatan pertimbangan ketepatan ingatan kerja.

Kesimpulan: Rangsangan elektrik ANT boleh meningkatkan pertimbangan ketepatan memori kerja dan memodulasi aktiviti gamma hippocampal, memberikan bukti langsung mengenai peranan paksi thalamic anterior hippocampal manusia dalam ketepatan ingatan kerja.

pengenalan

Memori kerja adalah fungsi kognitif kritikal [1] dalam menyokong banyak tingkah laku harian termasuk pembelajaran [2], membuat keputusan [3], dan pemahaman bahasa [4]. Kajian terkini mencadangkan bahawa hippocampus terlibat dalam ingatan kerja [5e8]. Menurut model penimbal pemultipleksan, kandungan memori kerja diwakili oleh pemasangan saraf yang disegerakkan dalam ayunan gamma yang dikunci kepada fasa tertentu ayunan frekuensi rendah [9e11]. Selaras dengan ini, beberapa kajian telah menemui peningkatan aktiviti gamma hippocampal dengan beban memori yang berfungsi [6,7] dan gandingan theta-gamma yang menonjol dalam hippocampus apabila beberapa item dikekalkan [5]. Kajian tikus melaporkan bahawa ingatan kerja yang berjaya dikaitkan dengan ayunan gamma yang disegerakkan dalam pembentukan hippocampal [8]. Tambahan pula, kajian EEG intrakranial manusia mendedahkan bahawa kuasa gamma hippocampal semasa pengambilan ingatan adalah ramalan ketepatan ingatan [12].

Klik untuk manfaat cistanche tubulosa dan kesan sampingan untuk ingatan

Dengan sambungan padat dan timbal balik dengan hippocampus [13e15], dan penglibatannya dalam fungsi kognitif [15e17], nukleus anterior talamus (ANT) telah dicadangkan sebagai sistem hippocampal lanjutan [18e20]. Kajian tikus mendapati bahawa mengganggu aliran maklumat antara hippocampal dan ANT menjejaskan prestasi memori kerja spatial [21]. Rangsangan elektrik yang disasarkan secara langsung kepada hippocampus boleh mengganggu prestasi ingatan [22,23]. Memandangkan bukti bahawa merangsang nod kritikal dalam rangkaian berfungsi boleh memodulasi fungsi rangkaian [24], menyasarkan unjuran aferen hippocampal mungkin merupakan strategi yang lebih cekap untuk memacu struktur hiliran untuk memodulasi prestasi memori [25]. Oleh itu, adalah mungkin untuk memodulasi prestasi memori kerja dengan merangsang ANT secara elektrik.

Jiali Liu a, b, 1, Tao Yu c, d, 1, Jinfeng Wu a, b, Yali Pan a, Zheng Tan a, b, Ruobing Liu a, b, Xueyuan Wang c, d, Liankun Ren c, d, Liang Wang a, b, *

a CAS Key Laboratory of Mental Health, Institute of Psychology, Beijing, China b Department of Psychology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China c Beijing Institute of Functional Neurosurgery, Hospital Xuanwu, Capital Medical University, Beijing, China d Epilepsi Komprehensif Pusat Beijing, Makmal Neuromodulasi Utama Beijing, Jabatan Neurologi, Hospital Xuanwu, Universiti Perubatan Capital, Beijing, China

Kajian semasa adalah untuk mengkaji sama ada rangsangan elektrik secara langsung ANT boleh memodulasi ketepatan ingatan kerja. Paradigma ingatan warna klasik [26,27] telah dilakukan oleh pesakit epilepsi yang tahan dadah dengan elektrod kedalaman implan, manakala rangsangan elektrik bipolar dihantar ke elektrod ANT untuk separuh daripada ujian. Memandangkan bukti bahawa sambungan fungsional dan anatomi yang meluas antara hippocampus dan ANT dan hippocampus memainkan peranan penting dalam memori kerja, kami membuat hipotesis bahawa rangsangan elektrik ANT boleh meningkatkan pertimbangan ketepatan memori kerja.

Bahan dan kaedah

Peserta

Lapan pesakit dengan epilepsi lobus temporal refraktori secara perubatan yang telah secara stereotaktik menanam elektrod kedalaman stereo electroencephalography (SEEG) untuk mengenal pasti zon epileptogenik di hospital Xuanwu telah diambil dalam kajian semasa. Maklumat demografi bagi setiap pesakit ditunjukkan dalam Jadual 1. Semua pesakit melaporkan normal atau diperbetulkan kepada ketajaman penglihatan normal dan penglihatan warna normal. Persetujuan termaklum diperoleh daripada semua subjek dan prosedur kajian telah diluluskan oleh jawatankuasa etika Hospital Xuanwu, Universiti Perubatan Capital.

Penyetempatan elektrod

CT pasca operasi telah didaftarkan bersama ke MRI praoperasi menggunakan FreeSurfer Software Suite [28] (http://surfer.nmr.mgh. harvard.edu) dan Perpustakaan Perisian FMRIB [29]. Elektrod yang diimplan telah dibina semula menggunakan perisian penyetempatan stereotaktik [30]. Kemudian semua elektrod dipetakan ke ruang MNI standard. Semua kenalan hippocampal (56 kenalan daripada 8 pesakit, bulatan merah) dalam ruang MNI telah divisualisasikan menggunakan pemapar BrainNet [31].

Rakaman elektrofisiologi dan prapemprosesan data

Data EEG intrakranial telah direkodkan oleh sistem rakaman Blackrock Neuroport semasa eksperimen, dengan kadar sampel pada 2000 Hz. Tempoh artifak dikenal pasti melalui pemeriksaan visual dan ditolak daripada isyarat mentah. Rujukan semula bipolar digunakan untuk mengurangkan pengaliran volum serta interaksi yang mengelirukan antara kenalan jiran. Data yang terhasil dipecahkan kepada zaman berkaitan peristiwa untuk analisis selanjutnya.

Rangsangan elektrik

Rangsangan elektrik disampaikan secara lebih operatif oleh perangsang luaran (CereStim R96, Blackrock Microsystems) semasa peserta melaksanakan tugas tersebut. Rangsangan telah dimasukkan ke kenalan jiran berpasangan dalam ANT menggunakan denyutan segi empat tepat dwifasa dengan lebar 300 ms dan amplitud 0.2 mA pada frekuensi 5{ {20}} Hz (Gamb. 1B). Pat2 menerima rangsangan 50 Hz pada amplitud 0.5 mA (Jadual 1). Paradigma eksperimen Tugas memori kerja dibentangkan pada 14-dalam monitor komputer riba pada jarak tontonan kira-kira 60 cm dengan latar belakang kelabu. Percubaan bermula dengan paparan salib penetapan putih (0.3 ) pada bahagian tengah skrin, berlangsung selama 4.2e5.2 s (Rajah 1A). Dua petak berwarna dipaparkan secara berpusat dan berurutan, setiap satunya berlangsung selama 0.3 s dan diikuti dengan selang 0.4e0.5 s di mana hanya salib penetapan ditunjukkan secara berpusat. Kedua-dua warna tersebut dipilih secara rawak daripada sembilan warna pra-pilihan, setiap satunya dijarakkan sekurang-kurangnya 40 pada roda warna yang terdiri daripada subset warna kecerunan bulat. Selepas itu, angka Arab berkiu (1 atau 2) ditunjukkan secara sama rata selama 0.55 saat, menunjukkan warna yang perlu diingat semula selepas itu. Kiu diikuti oleh selang lain 2.5e3 s sahaja dengan silang penetapan. Kemudian roda warna dipaparkan dan terdiri daripada warna berterusan (tebal 1.5 dan jejari 9.5). Peserta diarahkan untuk menunjukkan warna yang sepatutnya mereka ingat dengan menggunakan tetikus untuk mengklik titik pada roda warna. Untuk menghapuskan sumbangan memori spatial, roda warna berputar secara rawak merentasi percubaan. Rangsangan elektrik satu saat telah dilaksanakan dalam ujian yang dipilih secara rawak merentasi semua 10 blok (90 ujian untuk ujian rangsangan, 90 ujian untuk ujian bukan rangsangan). Setiap blok terdiri daripada 18 percubaan dan para peserta boleh berehat semasa selang blok. 4 percubaan pertama dan terakhir (8 percubaan) daripada keseluruhan 180 percubaan tidak mengandungi rangsangan. Kajian terdahulu yang menggunakan rangsangan semasa tugasan secara amnya mengganggu ingatan [22e24]. Rangsangan eksogen mungkin mengganggu aktiviti kognitif teratur yang berterusan di dalam otak. Pelbagai kajian telah menunjukkan bahawa aktiviti saraf pra-rangsangan adalah penting untuk tugas berikutnya [32e36]. Oleh itu, rangsangan elektrik telah digunakan bermula 2.2e2.7 s sebelum permulaan segi empat warna pertama cuba memodulasi keadaan mental semasa penetapan pra-rangsangan, seperti yang dirujuk dalam kajian baru-baru ini [25]. Subjek tidak dimaklumkan ujian mana yang mengandungi rangsangan dan mereka juga tidak boleh melaporkan berlakunya rangsangan. Sebelum percubaan rasmi, kami pada mulanya menguji parameter rangsangan elektrik yang digunakan. Kami bertanya kepada pesakit sama ada mereka merasakan sebarang perbezaan apabila rangsangan elektrik dihantar secara senyap atau tidak. Tiada seorang pun daripada pesakit melaporkan mereka merasakan apa-apa yang berbeza apabila rangsangan elektrik dihantar.

Rajah 1. Reka bentuk tugasan. (A) Percubaan bermula dengan salib penetapan putih di tengah skrin. Dua petak berwarna dipaparkan secara berurutan. Kemudian angka Arab berkiu (1 atau 2) ditunjukkan secara sekata dan rawak, menunjukkan warna yang akan dipanggil semula selepas itu. Selepas selang masa, peserta diarahkan untuk menunjukkan warna yang mereka sepatutnya ingat dengan menggunakan tetikus untuk mengklik titik pada roda warna. Rangsangan elektrik telah digunakan bermula 2.2e2.7 s sebelum permulaan petak warna pertama (bar merah). (B) Contoh elektrod (bulatan penuh hitam) dipaparkan untuk Pat 3. Sentuhan paling medial terletak di ANT (anak panah hitam). (C) Satu tindak balas teladan (bar hitam) diwakili pada roda warna. (D) Model swap digunakan untuk menyesuaikan prestasi di mana terdapat tiga sumber tindak balas yang mungkin: Taburan Von Mises berpusat pada warna sasaran, satu lagi taburan von Mises dengan kepekatan yang sama tetapi berpusat pada warna bukan sasaran dan kebarangkalian tetap untuk hanya meneka pada. rawak. (Untuk tafsiran rujukan kepada warna dalam legenda angka ini, pembaca dirujuk kepada versi Web artikel ini.)

Pemprosesan data dan analisis statistik

Ketepatan memori kerja Kami menganggarkan ketepatan memori kerja berdasarkan model Swap di mana tiga respons diukur: tindak balas sasaran apabila peserta melaporkan dengan betul warna item yang disiasat dengan beberapa kebolehubahan, tindak balas bukan sasaran apabila subjek tersilap melaporkan warna yang telah tidak sepatutnya untuk mengingat (cth, melalui warna kedua telah dikiu, warna pertama telah dipanggil semula) dan meneka tindak balas untuk item siasatan sepenuhnya tiada dalam ingatan [37]. Kedua-dua tindak balas sasaran dan respons bukan sasaran sesuai dengan pengedaran Von Mises yang berpusat pada nilai warna item yang disiasat dan salah lapor, masing-masing, dengan sisihan piawai yang sama kerana warna sasaran dan bukan sasaran secara purata akan disimpan dengan ketepatan yang sama [37] . Tindak balas meneka diandaikan sebagai taburan seragam kerana subjek mungkin bertindak balas secara rawak apabila tiada maklumat warna dihafal (Rajah 1C dan D).

Kuasa berayun

Kami mengira kuasa sebelum permulaan rangsangan seperti berikut. Kami mencipta titik masa rangsangan palsu (2.2e2.7 s sebelum petak warna pertama) untuk ujian tanpa rangsangan mengikut permulaan rangsangan elektrik dalam ujian dengan rangsangan. Rangsangan palsu mempunyai tetingkap masa yang sama dengan rangsangan sebenar. Kami mengukur kuasa ayunan dalam isyarat potensi medan tempatan (LFP) dengan wavelet Morlet (nombor gelombang ¼ 5) pada 4{11}} frekuensi jarak log antara 1 dan 200 Hz menggunakan Kotak alat perjalanan lapangan [38]. Kuasa (P) setiap kekerapan pada setiap titik masa telah diubah log dan diperbetulkan kepada purata kuasa garis dasar (P0) merentas semua ujian (1.5 hingga 0.5 s sebelum permulaan rangsangan elektrik atau permulaan rangsangan elektrik palsu) dan masa 10 untuk mendapatkan kuasa ternormal (dB) (iaitu, 10 log10(P/P0)). Kuasa gamma (30e100Hz) diukur dalam tetingkap masa 0.8 s (iaitu, 0.2 se1 s selepas rangsangan mengimbangi untuk ujian dengan rangsangan, 0.2 se1 s selepas rangsangan palsu mengimbangi untuk percubaan tanpa rangsangan).

Kami selanjutnya mengkaji aktiviti hippocampus semasa pengekodan fifirst, pengekodan kedua, dan tempoh pengambilan semula. Data hippocampal pra-diproses telah dikumpulkan ke dalam zaman berkaitan peristiwa. Kami kemudian melakukan penguraian frekuensi masa dan pembetulan garis dasar dengan cara yang sama seperti di atas. Tetingkap masa pembetulan garis dasar ialah 1.5 hingga 0.5 saat sebelum permulaan rangsangan elektrik untuk ujian dengan rangsangan, 1.5 hingga 0.5 saat sebelum permulaan rangsangan elektrik palsu untuk percubaan tanpa rangsangan. Kuasa gamma (30e100Hz) telah diekstrak untuk pengekodan pertama (iaitu, 0.25e0.7 s selepas permulaan warna pertama. ), pengekodan kedua (iaitu, 0.25e0.7 s selepas permulaan warna kedua) dan perolehan semula (iaitu, 0.5e1.5 s selepas permulaan kiu). Permulaan tetingkap pengekodan adalah berdasarkan penemuan bahawa aktiviti yang ditimbulkan rangsangan ditunjukkan untuk muncul dalam hippocampus 0.25 s selepas permulaan rangsangan luar [12,39,40]. Kami memilih tetingkap masa untuk mendapatkan semula mengikut kajian baru-baru ini yang menunjukkan bahawa pengambilan memori berlaku antara 0.5 s dan 1.5 s selepas pembentangan isyarat [41].

Analisis pelepasan epileptiform interiktal Aktiviti elektrik yang tidak normal semasa selang interiktal, iaitu, pelepasan epileptiform interiktal (IED), ditemui dalam hippocampus untuk pesakit dengan epilepsi lobus temporal [42] yang boleh menjejaskan fungsi ingatan [43,44]. Dalam kajian semasa, algoritma pengesanan automatik yang dibangunkan dalam kajian terdahulu [45] digunakan untuk mengenal pasti IED untuk semua pesakit. Secara ringkasnya, data praproses telah diturunkan sampel kepada 200 Hz, kemudian laluan jalur ditapis daripada 10 Hz kepada 60 Hz. Sampul serta-merta setiap saluran diperoleh dengan mengira nilai mutlak transformasi Hilbert bagi data yang ditapis. Sampul isyarat telah dibahagikan menggunakan tingkap gelongsor dengan lebar 5 s dan pertindihan 80 peratus . Ambang perubahan masa k (Mod þ Median) digunakan untuk mengesan IED, di mana k ialah 5 dalam kajian ini, dan Mod dan Median diperoleh melalui anggaran kemungkinan maksimum bagi taburan statistik log-normal sampul isyarat dalam setiap segmen. Setiap saluran mempunyai sampul surat sendiri dan lengkung ambangnya sendiri sekarang. Maksimum tempatan di persimpangan antara sampul surat dan lengkung ambang ditandakan sebagai IED yang dikesan. Pada asalnya, prestasi pengesan automatik dinilai oleh ahli neurofisiologi berpengalaman yang menunjukkan kepekaan detektif yang tinggi dan kadar positif palsu yang rendah [45]. Untuk mengelakkan kemungkinan artifak rangsangan (dalam ujian rangsangan) mempengaruhi kebolehubahan isyarat LFP, yang boleh mengurangkan sensitiviti pengesanan IED, kami mengeluarkan sampul serta-merta apabila rangsangan elektrik dilaksanakan. Tetingkap masa yang dikeluarkan adalah dari 0.2 s sebelum permulaan rangsangan kepada 0.2 s selepas diimbangi rangsangan. Dalam kajian semasa, untuk mengkaji kesan rangsangan ANT pada kadar kejadian IED hippocampal semasa tugas memori kerja, kami mengesan IED semasa keseluruhan rakaman. Selepas itu, bilangan IED yang dikesan dari permulaan petak warna pertama sehingga tindakan tindak balas disimpulkan dan kemudian dibahagikan dengan tempoh masa untuk mengira kadar IED (kiraan/saat). Selepas itu, kadar IED dibandingkan antara percubaan dengan dan tanpa rangsangan.

Analisis statistik

Analisis statistik telah diproses menggunakan skrip tersuai yang digabungkan dengan kotak alat sumber terbuka yang dibangunkan dalam MATLAB (Math-Works, Natick, MA, USA). Ujian peringkat bertanda Wilcoxon telah dilakukan untuk mengukur kesan rangsangan: perbezaan ketepatan ingatan warna yang disiasat untuk ujian dengan dan tanpa rangsangan. Perbandingan kuasa gamma dan kadar IED hippocampus antara ujian rangsangan elektrik dan bukan rangsangan telah dijalankan menggunakan model kesan campuran linear (LME). Model LME ialah sejenis model regresi di mana variasi pembolehubah bersandar dimodelkan sebagai fungsi kedua-dua kesan tetap dan rawak [46]. Model LME sangat sesuai untuk set data kami kerana ia boleh digunakan pada peringkat kumpulan sambil mengambil kira pengukuran berulang daripada satu sampel, yang berlaku semasa kami menguji kesan rangsangan pada hubungan yang sama. Tambahan pula, model LME boleh mengambil kira pensampelan yang tidak sekata merentas keadaan dan kumpulan. Ciri ini penting untuk analisis kami kerana peserta mempunyai bilangan kenalan yang berbeza dalam hippocampus.

Keputusan

Rangsangan elektrik mempertingkatkan pertimbangan ketepatan memori kerja

Bagi setiap subjek, SD ingatan semula dikira dengan memasang taburan ralat menggunakan model Swap, di mana SD ingatan yang lebih kecil menunjukkan ketepatan ingatan yang lebih baik [37] (Rajah 1D). Untuk menentukan kesan tingkah laku rangsangan, kami membandingkan ingat SD antara percubaan di mana subjek melakukan dan tidak menerima rangsangan menggunakan ujian peringkat bertanda Wilcoxon. Kami mendapati bahawa rangsangan elektrik telah meningkatkan prestasi ingatan dengan ketara (z ¼ 2.240, p ¼ 0.025) (Rajah 2A). Tambahan pula, peningkatan ketepatan ingatan kerja adalah sangat konsisten merentas subjek (7/8) (Rajah 2B). Keputusan ini menunjukkan bahawa rangsangan yang dihantar kepada ANT semasa penetapan pra-pengekodan boleh meningkatkan pertimbangan ketepatan memori kerja.

Peningkatan aktiviti gamma hippocampus

Memandangkan hippocampus telah dicadangkan terlibat dalam pemprosesan ketepatan ingatan [12], kami menganalisis perubahan saraf 56 kenalan hippocampal (Rajah 3A) yang berkaitan dengan rangsangan ANT. Kajian baru-baru ini mendapati bahawa rangsangan elektrik membolehkan untuk mendorong aktiviti frekuensi tinggi dan aktiviti gamma teraruh dikaitkan dengan prestasi ingatan [47]. Dalam kajian semasa, kuasa gamma pra-rangsangan (3{{10}}e100Hz) dalam ujian rangsangan dibandingkan dengan kuasa gama bukan rangsangan menggunakan model LME. Analisis menunjukkan peningkatan kuasa gamma dalam hippocampus selepas rangsangan ANT semasa penetapan pra-rangsangan (b ¼ 0.155, t(110) ¼ 3.447, p < 0.{="" {39}}01)="" (gamb.="" 3b="" dan="" c).="" kami="" juga="" mendapati="" kuasa="" gamma="" hippocampus="" lebih="" tinggi="" semasa="" pengekodan="" fifirst="" (b="" ¼="" 0.101,="" t(110)="" ¼="" 2.990,="" p="" ¼="" 0.003,="" rajah="" tambahan="" 1b),="" pengekodan="" kedua="" (b="" ¼="" 0.101,="" t(110)="" ¼="" 3.52=""><0.001, rajah="" tambahan="" 1d)="" dan="" pengambilan="" semula="" (b="" ¼="" 0.104,="" t(110)="" ¼="" 3.471,="" p=""><0.001) dalam="" percubaan="" dengan="" rangsangan="" (rajah="" 3f).="" walau="" bagaimanapun,="" kuasa="" theta,="" alfa="" dan="" beta="" tiada="" perbezaan="" yang="" ketara="" antara="" percubaan="" dengan="" dan="" tanpa="" rangsangan="" semasa="" peringkat="" yang="" berbeza="" (semua="" nilai="" p=""> 0.05, Rajah Tambahan 1AeD).

Penurunan kadar IED dalam hippocampus

IED diiktiraf sebagai biomarker tisu epileptogenik dan IED hippocampal boleh menyebabkan gangguan kognitif [42,43]. Memandangkan subjek yang diambil dalam kajian semasa adalah pesakit dengan epilepsi lobus temporal, kami selanjutnya mengkaji sama ada rangsangan elektrik meningkatkan ketepatan ingatan dengan mengurangkan pelepasan epilepsi. Kami mengira kejadian IED untuk setiap hubungan hippocampal dalam ujian dengan dan tanpa rangsangan. Menggunakan model LME, kami mendapati pengurangan kadar IED yang boleh dipercayai secara statistik akibat rangsangan elektrik (b ¼ 0.010, t(110) ¼ 2.782, p ¼ 0.006) (Gamb. 4).

Korelasi antara aktiviti elektrofisiologi dan prestasi tingkah laku

Seterusnya, kami melakukan analisis korelasi antara aktiviti elektrofisiologi (kuasa gamma dan IED) dan prestasi tingkah laku. Kami tidak mendapati bahawa perubahan kadar IED hippocampal berkaitan dengan perubahan ketepatan ingatan bekerja (IED: r ¼ {{0}}.262, p ¼ 0.536). Walau bagaimanapun, perkaitan antara perubahan kuasa gamma hippocampal pra-rangsangan dan perubahan ketepatan memori kerja adalah penting (rho ¼ 0.738, p ¼ {{10}}.046) (Gamb. 3D). Selanjutnya, peningkatan kuasa gamma semasa tempoh perolehan juga dikaitkan dengan peningkatan memori kerja (rho ¼ 0.881, p ¼ 0.007) (Rajah 3E). Kuasa gamma yang meningkat semasa pengekodan fifirst dan pengekodan kedua tidak dikaitkan dengan peningkatan memori kerja (semua p > 0.05).

Perbincangan

Kajian semasa mendedahkan bahawa rangsangan elektrik yang disasarkan kepada ANT adalah berkesan dalam meningkatkan ketepatan ingatan kerja. Sesungguhnya, kami mendapati bahawa rangsangan ANT boleh meningkatkan kuasa gamma hippocampal, dan mengurangkan kadar kejadian IED dalam hippocampus. Peningkatan kuasa gamma hippocampal berkorelasi dengan ketara dengan pertimbangan ketepatan memori kerja, yang memberikan peranan penyebab paksi thalamic hippocampal-anterior dalam ketepatan ingatan kerja.

Rajah 3. Rangsangan SEMUT meningkatkan aktiviti gamma hippocampal. (A) Semua kenalan hippocampal (56 kenalan daripada 8 pesakit) digariskan dalam ruang MNI. (B) Kuasa gamma pra-rangsangan (percubaan dengan rangsangan vs percubaan tanpa rangsangan). Pemadaman (0e1 s) ialah tempoh rangsangan elektrik. (C) Kuasa gamma (30e100Hz) adalah ketara lebih tinggi untuk ujian dengan rangsangan daripada percubaan tanpa rangsangan semasa penetapan pra-rangsangan berdasarkan model LME (b¼ {{ 21}}.155, t(110) ¼ 3.447, p < 0.001)="" (d)="" korelasi="" antara="" perubahan="" kuasa="" gamma="" (iaitu,="" gamma="" kuasa="" untuk="" ujian="" dengan="" rangsangan="" elektrik="" -="" kuasa="" gamma="" untuk="" percubaan="" tanpa="" rangsangan="" elektrik)="" semasa="" penetapan="" pra-rangsangan="" dan="" ingatan="" semula="" perubahan="" sd="" (iaitu,="" sd="" untuk="" percubaan="" dengan="" rangsangan="" elektrik="" -="" sd="" untuk="" percubaan="" tanpa="" rangsangan="" elektrik)="" (rho="" ¼="" 0="" .738,="" hlm="" ¼="" 0.046).="" (e)="" korelasi="" yang="" ketara="" antara="" perubahan="" kuasa="" gamma="" semasa="" pengambilan="" semula="" (iaitu,="" kuasa="" gamma="" untuk="" percubaan="" dengan="" rangsangan="" elektrik="" -="" kuasa="" gamma="" untuk="" percubaan="" tanpa="" rangsangan="" elektrik)="" dan="" ingatan="" ingatan="" perubahan="" sd="" (iaitu,="" sd="" untuk="" percubaan="" dengan="" rangsangan="" elektrik="" -="" sd="" untuk="" percubaan="" tanpa="" elektrik="" rangsangan)="" (rho="" ¼="" 0.881,="" p="" ¼="" 0.007).="" setiap="" bulatan="" berwarna="" menandakan="" seorang="" pesakit.="" (f)="" kuasa="" gamma="" meningkat="" dengan="" ketara="" semasa="" pengambilan="" semula="" dalam="" ujian="" dengan="" rangsangan="" berdasarkan="" model="" lme="" (b="" ¼="" 0.104,="" t(110)="" ¼="" 3.471,="" p="">< 0.001).="" ***p=""><>

Rajah 4. Rangsangan SEMUT mengurangkan kadar IED hippocampal. (A) Purata kadar IED daripada permulaan kuasa dua warna pertama hingga tindakan tindak balas berkurangan dengan ketara untuk ujian dengan rangsangan elektrik berbanding dengan ujian tanpa rangsangan elektrik (b ¼ 0.010, t(110) ¼ 2.782, p ¼ 0.006). (B) Dua contoh IED (ditandakan dalam bulatan merah) dikesan oleh algoritma pengesanan automatik. (C) Plot raster IED yang dikesan merentas ujian tanpa rangsangan (atas) dan dengan rangsangan (bawah) untuk pesakit 2. Setiap bar merah menegak menandakan IED yang dikesan pada masa tertentu. (Untuk tafsiran rujukan kepada warna dalam legenda angka ini, pembaca dirujuk kepada versi Web artikel ini.)

Sebilangan besar kajian cuba meningkatkan ingatan melalui rangsangan elektrik yang dihantar kepada struktur berkaitan hippocampus dan menghasilkan keputusan yang tidak konsisten [22,23,25,48]. Kajian semasa menggunakan rangsangan elektrik kepada ANT, salah satu komponen utama dalam litar Papez. Litar Papez dicadangkan sebagai asas anatomi ingatan [49]. Penyelidik telah mencadangkan bahawa memodulasi aktiviti saraf dalam litar ini boleh menjejaskan aktiviti hippocampal dan dengan itu mengubah prestasi ingatan. Selaras dengan ini, kami mendapati rangsangan elektrik meningkatkan ketepatan memori kerja, yang boleh diramalkan oleh peningkatan kuasa gamma hippocampal. Keputusan kami menyokong konsensus yang semakin meningkat bahawa rangsangan elektrik langsung boleh memodulasi aktiviti rangkaian teragih yang disambungkan ke tapak rangsangan [24,50]. Inferens ini adalah selaras dengan perspektif daripada rangsangan bukan invasif yang digunakan untuk menyiasat dinamik dan organisasi rangkaian otak [51].

Kami menghantar rangsangan elektrik kepada ANT dan mendapati rangsangan meningkatkan ketepatan ingatan kerja. Oleh kerana keputusan ini menunjukkan penglibatan paksi thalamic hippocampal-anterior, terdapat dua kemungkinan yang menyumbang untuk peningkatan ketepatan ingatan kerja. Pertama, rangsangan ANT itu sendiri boleh meningkatkan ingatan secara langsung kerana ia merupakan komponen kritikal sistem hippocampal lanjutan yang menyokong ingatan [19,20]. Tambahan pula, ANT dilaporkan memainkan peranan penting dalam perhatian berpandukan ingatan [16,17,52]. Selain itu, kajian baru-baru ini mendedahkan mekanisme saraf yang dikongsi antara perhatian dan ingatan kerja [53]. Kedua, ketepatan memori kerja telah dipertingkatkan oleh aktiviti termodulat dalam hippocampus. ANT bersambung padat ke hippocampus [13,15]. Satu kajian baru-baru ini mencadangkan bahawa adalah penting untuk memodulasi fungsi kognitif dengan merangsang salah satu nod yang disambungkan yang terdiri daripada rangkaian berfungsi [24]. Sesungguhnya, kami mendapati bahawa rangsangan ANT boleh meningkatkan kuasa gamma hippocampal dan peningkatan kuasa gamma adalah ramalan ketepatan memori kerja yang lebih baik. Hippocampus telah dicadangkan untuk terlibat dalam pemprosesan memori bekerja sama ada apabila beberapa item dikekalkan atau apabila objek dibentangkan secara berurutan [5,54]. Kedua-dua kajian manusia dan haiwan telah menunjukkan bahawa memori kerja dikaitkan dengan aktiviti gamma dalam hippocampus [5,6,8]. Oleh itu, aktiviti termodulat dalam hippocampus boleh menyumbang kepada peningkatan memori kerja.

Ada kemungkinan rangsangan elektrik yang dihantar kepada ANT boleh mengubah keadaan mental pesakit dengan meningkatkan kewaspadaan atau perhatian sebelum input rangsangan. Pelbagai kajian telah menunjukkan bahawa aktiviti saraf pra-stimulus boleh menjelaskan kebolehubahan percubaan demi percubaan dalam prestasi persepsi dan kognitif [32e35]. Selaras dengan ini, peningkatan kuasa gamma hippocampal pra-rangsangan dikaitkan dengan peningkatan ingatan. Di samping itu, kuasa gamma semasa pengekodan dan tempoh perolehan juga dipertingkatkan oleh rangsangan elektrik. Peningkatan kuasa gamma semasa pengambilan juga meramalkan peningkatan ingatan. Keputusan kami konsisten dengan kajian terdahulu bahawa kuasa gamma hippocampus diperlukan untuk pelaksanaan ingatan bekerja [8]. Secara keseluruhan, adalah mungkin rangsangan elektrik yang dihantar kepada ANT boleh meningkatkan kewaspadaan atau perhatian pesakit semasa peringkat pra-rangsangan dan seterusnya menjejaskan pengekodan dan pengambilan ingatan seterusnya.

Kami juga memerhatikan bahawa rangsangan ANT boleh menyekat pelepasan patologi hippocampal, selaras dengan kajian klinikal kami sebelum ini [14]. Walau bagaimanapun, penurunan IED tidak dapat meramalkan peningkatan memori kerja, walaupun beberapa kajian telah menunjukkan bahawa IED hippocampal dikaitkan dengan prestasi ingatan [43,44,55]. Ada kemungkinan bahawa IED mungkin mempengaruhi ingatan jangka panjang, bukannya ingatan bekerja.

Terdapat empat batasan untuk kajian ini. Pertama, saiz sampel adalah agak kecil. Pengesahan kesan rangsangan yang diperhatikan memerlukan siasatan lanjut dengan merekrut sejumlah besar peserta. Selain itu, saiz sampel yang kecil ini menghadkan kami untuk menyiasat lebih lanjut kesan sisian rangsangan ANT. Kedua, semua individu dalam kajian ini adalah pesakit dengan epilepsi tahan dadah. Oleh itu, generalisasi keputusan semasa kepada kumpulan lain harus dilayan dengan berhati-hati. Sebaliknya, ramai pesakit epilepsi telah melaporkan defisit ingatan, dan meningkatkan ingatan untuk mereka pada dasarnya adalah matlamat terapeutik. Ketiga, kajian ini mendapati bahawa rangsangan ANT boleh meningkatkan ketepatan ingatan kerja pada manusia. Walau bagaimanapun, tidak diketahui sama ada parameter rangsangan lain seperti keamatan, tempoh dan tempoh rangsangan juga boleh memodulasi prestasi memori kerja. Keempat, kemungkinan rangsangan elektrik yang dihantar kepada ANT boleh meningkatkan kewaspadaan atau perhatian pesakit semasa peringkat pra-rangsangan dan seterusnya menjejaskan pengekodan dan pengambilan ingatan seterusnya. Walau bagaimanapun, dalam kajian ini, kita tidak dapat menentukan peringkat mana yang lebih penting untuk peningkatan memori kerja. Kajian masa depan boleh secara langsung menguji ini dengan menyampaikan rangsangan elektrik semasa peringkat berbeza secara berasingan.

Kesimpulan

Kajian ini menunjukkan bahawa rangsangan elektrik intrakranial ke nuklear anterior talamus boleh meningkatkan ketepatan ingatan kerja dan meningkatkan aktiviti gamma hippocampal. Peningkatan aktiviti gamma hippocampal semasa pra-rangsangan dan pengambilan semula adalah ramalan peningkatan ketepatan ingatan kerja. Keputusan ini mencadangkan peranan kritikal paksi thalamic hippocampal-anterior dalam ketepatan ingatan kerja.