Bahagian 1: Dinamik Bebas Aktiviti EEG Intrakranial Spektrum Rendah, Pertengahan dan Frekuensi Tinggi Semasa Pembentukan Memori Manusia

Hubungi: 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,∗

sebuah Sekolah Siswazah Sains Bioperubatan, Mayo Clinic, Amerika Syarikat

bJabatan Kejuruteraan Elektrik dan Komputer, Universiti Illinois, Urbana-Champaign, IL, Amerika Syarikat

c Jabatan Sistem Multimedia, Fakulti Elektronik, Telekomunikasi dan Informatik, Pusat BioTechMed, Universiti Teknologi Gdansk, Gdansk, Poland d Institut Biologi Eksperimen Nencki, Akademi Sains Poland, Warsaw, Poland

jabatan Neurologi, Mayo Clinic, Rochester, MN, Amerika Syarikat

jabatan Kejuruteraan Komputer, Iowa State University, Ames, Iowa, Amerika Syarikat

g Akademi Sains Czech, Institut Instrumen Saintifik, Brno, Republik Czech

h Robotik dan Sibernetik, Institut Informatik Czech, Universiti Teknikal Czech di Prague, Prague, Republik Czech

jabatan Fisiologi dan Kejuruteraan Bioperubatan, Mayo Clinic, Amerika Syarikat

Cistanche boleh meningkatkan daya ingatan

a b s t r a c t

Spektrum irama otak yang luas terlibat di seluruh korteks manusia dalam fungsi kognitif. Bagaimana irama pelbagai julat frekuensi diselaraskan merentasi ruang korteks manusia dan masaingatanpemprosesan tidak dapat disimpulkan. Mereka boleh sama ada diselaraskan bersama merentasi spektrum frekuensi pada tapak dan masa kortikal yang sama atau diinduksi secara bebas dalam jalur tertentu. Kami menggunakan dataset besar elektroensefalografi intrakranial manusia (EEG) untuk menghuraikan dinamik spatiotemporal aktiviti spektrum yang disebabkan semasa pembentukan ingatan lisan. Pengekodan perkataan untuk ingat percuma seterusnya mengaktifkan theta frekuensi rendah, frekuensi pertengahan alfa dan beta, dan kuasa gamma frekuensi tinggi dalam corak mozek tapak kortikal diskret. Sebilangan besar tapak kortikal merekodkan aktiviti hanya dalam satu daripada frekuensi ini, kecuali korteks visual di mana kuasa spektrum diinduksi merentas berbilang jalur. Setiap jalur frekuensi menunjukkan ciri dinamik kuasa teraruh khusus kepada kawasan kortikal dan hemisfera. Kuasa aktiviti rendah, pertengahan dan frekuensi tinggi disebarkan dalam urutan bebas merentasi kawasan kortikal visual, temporal dan prefrontal sepanjang fasa berikutnyaingatanpengekodan. Keputusan kami menyediakan model holistik, dipermudahkan bagi aktiviti spektrum yang terlibat dalam pembentukan manusiaingatan, mencadangkan mozek yang diedarkan secara anatomi dan sementara bagi irama otak yang diselaraskan.

1. Pengenalan

Irama otak dianggap menyokongingatandan fungsi kognitif dengan menyelaraskan aktiviti neuron yang disambungkan ke dalam interaksi segerak (Singer, 1999; Buzsaki, 2006; Fries, 2015; Klimesch, 1996; Fell dan Axmacher, 2011). Spektrum aktiviti berirama yang terlibat dalam interaksi ini termasuk theta (3–9 Hz) dan gamma

(30–120 Hz) jalur frekuensi dengan peranan khusus yang dicadangkan untuk aktiviti frekuensi rendah dan tinggi di-ingatanpemprosesan (Düzel et al., 2010; Sauseng et al., 2010; Fries et al., 2007; Tallon-Baudry dan Bertrand, 1999; Nyhus dan Curran, 2010; Lisman dan Jensen, 2013; Herweg et al.), 2020). . Jalur alfa frekuensi pertengahan (9–12 Hz) dan beta (12–25 Hz) juga dikaitkan dengan proses yang diperlukan untuk fungsi ingatan (Klimesch et al., 2007; Hanslmayr et al., 2011; Spitzer and Haegens 2017; Schmidt et. al., 2019; Michalareas et al., 2016). Bagaimana pelbagai irama ini beroperasi bersama-sama dalam fungsi pada skala masa yang ditentukan, hanya melibatkan subset aktiviti spektrum dalam julat frekuensi tertentu. Sebagai contoh, hanya irama theta akan diinduksi di tapak tertentu. Kedua-dua senario bersetuju bahawa aktiviti otak pada julat frekuensi yang ditentukan boleh dikonsepkan sebagai "cap jari spektrum" yang memenuhi proses persepsi atau kognitif tertentu pada skala temporal interaksi saraf yang sepadan (Siegel et al., 2012; Hanslmayr dan Staudigl, 2014) . Menyelesaikan dinamik cap jari spektrum ini dengan tepat dalam ruang dan masa anatomi adalah penting untuk menguji hipotesis ini dan menyediakan model holistik aktiviti saraf yang terlibat semasa tugas kognitif.

Rakaman intrakranial electroencephalographic (EEG) memberikan peluang unik untuk menyiasat dengan resolusi tinggi skala besar aktiviti saraf yang terlibat semasa fungsi kognitif dan otak lain di kawasan diskret korteks manusia (Lhatoo et al., 2019; Johnson et al., 2020; Jacobs dan Kahana 2010; Engel et al., 2005). Isyarat EEG diambil daripada sentuhan elektrod yang ditanam sama ada secara langsung pada permukaan neokorteks atau ke dalam lapisan yang lebih dalam dan struktur subkortikal. Oleh itu, aktiviti spektrum yang dihasilkan oleh populasi saraf tempatan dan direkodkan daripada berbilang kenalan berasingan boleh dikesan di kawasan kortikal diskret semasa masaingatanpemprosesan. Kajian iEEG sebelum ini biasanya menggunakan kuasa spektrum yang disebabkan dalam julat frekuensi gamma tinggi (60–120 Hz) untuk mengesan pemprosesan kortikal dalamingatandan tugas kognitif (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) dan alpha (Staresina et al., 2016) turut disiasat sebelum ini. Aktiviti berayun dalam frekuensi theta dan alfa ditunjukkan untuk merambat sebagai gelombang tempatan, bebas, mengembara di kawasan kortikal diskret semasaingatanpemprosesan (Zhang et al., 2018), tetapi dinamik spatiotemporal relatif bagi ayunan frekuensi rendah ini dan aktiviti beta dan gamma yang lebih pantas semasa pemprosesan memori masih belum diterokai.

Di sini, kami mengambil kesempatan daripada set data iEEG yang besar daripada 164 peserta yang mengekod senarai perkataan untuk ingatan lisan percuma seterusnya. Kajian terdahulu dengan tugas ini mendedahkan rangkaian teragih kawasan otak yang berkaitan dengan pemprosesan deria dan dengan deklaratif peringkat tinggiingatanfungsi (Burke et al., 2013; Burke et al., 2014a; Kucewicz et al., 2019). Kuasa gamma tinggi teraruh diperhatikan mula-mula di kawasan visual korteks occipitotemporal dan kemudian di kawasan lebih anterior korteks prefrontal, memberi inspirasi kepada model dua peringkatingatanpengekodan dengan deria awal dan peringkat persatuan lewat (Burke et al., 2014a).

Urutan kuasa teraruh posterior-ke-anterior yang serupa juga diperhatikan dalam jalur frekuensi theta (Burke et al., 2013) dan disahkan dalam aktiviti di luar julat frekuensi gamma (Kucewicz et al., 2014). Kajian terbaru kami mendapati jujukan kuasa gamma tinggi teraruh semasaingatanpengekodan akan berterusan dengan peningkatan latensi di sepanjang hierarki kawasan persatuan peringkat tinggi secara beransur-ansur (Kucewicz et al., 2019), yang memuncak pada korteks prefrontal anterior lewat ke pengekodan perkataan. Kajian iEEG terdahulu mengenai pemprosesan memori lisan sama ada terhad kepada set data rakaman peserta yang lebih kecil dengan liputan elektrod jarang neokorteks atau hanya tertumpu pada jalur frekuensi terpilih. Oleh itu, kuasa spektrum merentasi pelbagai jalur sama ada akan dipuratakan secara spatial merentas pelbagai tapak elektrod kawasan kortikal yang lebih besar, dengan itu kehilangan resolusi dan butiran tapak individu, atau tidak akan dikaji merentasi aktiviti otak theta, alfa, dan beta dan gamma.

Memandangkan skop luas spektrum frekuensi dan kawasan otak yang dianalisis secara kolektif dalam kajian terdahulu, kami membuat hipotesis bahawa aktiviti spektrum khusus diinduksi dalam corak berbutir kortikal diskret.

lokasi. Oleh itu, aktiviti mengagregatkan dari beberapa lokasi akan menimbulkan kecondongan jalur lebar dalam kuasa merentas keseluruhan spektrum (Kilner et al., 2005), yang boleh terdiri daripada berbilang, khusus, "cap jari spektrum" (Fellner et al., 2019) . Penyetempatan tepat bagi cap jari yang berbeza sama ada menjadi perkara biasa pada tapak kortikal yang sama bagi rakaman elektrod atau akan diedarkan dalam mozek tapak anatomi yang berbeza. Begitu juga, dari segi pemasaan, aktiviti spektrum frekuensi rendah, sederhana dan tinggi akan didorong pada masa yang berbeza.ingatanpengekodan atau semua pada masa yang sama. Sebagai tambahan kepada aktiviti theta dan gamma, irama alfa dan beta dijangka akan diinduksi pada tapak dan masa kortikal yang berbeza.ingatanpengekodan. Secara umum, kami menguji dinamik spatiotemporal bebas daripada aktiviti spektrum yang disebabkan semasa pembentukan lisan manusia.ingatanjejak. Matlamat kami adalah untuk menyediakan model holistik irama otak yang terlibat dalam julat luas frekuensi, anatomi kortikal dan fasa pengekodan memori.

2. Bahan-bahan dan cara-cara

2.1. Mata pelajaran

Dataset rakaman EEG daripada sejumlah 164 peserta yang menjalani penilaian pembedahan epilepsi tahan dadah telah diambil daripada kajian kolaboratif berbilang pusat yang besar (semua data yang tidak dikenal pasti boleh didapati di http://memory.psych.upenn.edu/Electrophysiological{ {3}}Data).

Rakaman itu dikumpulkan dari pusat berikut: Klinik Mayo, Hospital Universiti Thomas Jefferson, Hospital Universiti Pennsylvania, Pusat Perubatan Dartmouth-Hitchcock, Hospital Universiti Emory, Pusat Perubatan Barat Daya Universiti Texas dan Hospital Universiti Columbia. Satu protokol penyelidikan biasa telah diluluskan oleh Lembaga Kajian Institusi masing-masing di setiap pusat, dan persetujuan termaklum diperoleh daripada setiap peserta. Bagi 139 pesakit yang termasuk dalam analisis akhir, maklumat mengenai bilangan ujian perkataan yang lengkap dan zon permulaan sawan diringkaskan dalam Suppl. Jadual 1. Serangan sawan disetempatkan ke hemisfera kanan dalam 46 pesakit, hemisfera kiri dalam 55, dua hala dalam 26, dan tidak ditentukan dalam 12. Maklumat demografi seperti umur dan jantina hanya tersedia untuk 85 pesakit (min umur 35.6 tahun dengan sisihan piawai 11.6 tahun; 43 Perempuan hingga 42 Lelaki, Bekalan Jadual 1) disebabkan akses terhad kepada maklumat penjagaan kesihatan sensitif daripada berbilang pusat klinikal yang mengumpul set data agregat. Rakaman elektrofisiologi dikumpulkan daripada elektrod subdural dan kedalaman klinikal standard (AdTech Inc., PMT Inc.) yang ditanam pada permukaan kortikal dan ke dalam parenkim otak, masing-masing. Hubungan elektrod subdural disusun sama ada dalam grid atau konfigurasi jalur dengan pemisahan 10 mm, dan hubungan elektrod kedalaman dipisahkan sebanyak 5 hingga 10 mm. Peletakan elektrod telah ditentukan oleh pasukan klinikal untuk menyetempatkan fokus sawan untuk kemungkinan pembedahan epilepsi atau implantasi peranti untuk rangsangan otak elektrik terapeutik.

2.2. Penyetempatan anatomi dan pemetaan permukaan otak

Petak permukaan kortikal dijana untuk setiap peserta daripada imbasan MRI pra-implan (urutan berwajaran T{1}}volumetrik) - perisian Freesurfer (RRID: SCR_001847). Hippocampus dan kawasan kortikal sekeliling telah digariskan secara berasingan berdasarkan imbasan berwajaran koronal T2-tebal 2 mm tambahan menggunakan kaedah pembahagian berbilang atlas Segmentasi Automatik Hippocampal Subfields (ASHS). Koordinat sentuhan elektrod yang diperoleh daripada imbasan CT pasca implan yang didaftarkan bersama kemudiannya dipetakan ke imbasan MRI pra-implan untuk menentukan lokasi anatomi mereka. Untuk jalur dan grid subdural, hubungan elektrod juga diunjurkan ke permukaan kortikal menggunakan algoritma pengecilan tenaga untuk mengambil kira peralihan otak selepas operasi. Lokasi hubungan telah disemak dan disahkan pada permukaan dan imej keratan rentas oleh pakar neuroradiologi. Imbasan MRI berwajaran T1-juga didaftarkan kepada otak standard MNI152 untuk membolehkan perbandingan tapak rakaman dalam ruang bersama merentas subjek. Lokasi anatomi tapak rakaman, termasuk kawasan Brodmann, diperoleh dengan menukar koordinat MNI kepada ruang Talairach dan menanyakan daemon Ta- Talairach (www.talairach.org).

2.3. Rakaman elektrofisiologi

Isyarat EEG telah direkodkan menggunakan salah satu daripada sistem pemerolehan elektrofisiologi klinikal berikut (bergantung kepada institusi pengumpulan data): Nihon Kohden EEG-1200, Natus XLTek EMU 128 atau Grass Aura-LTM64. Bergantung pada sistem pemerolehan dan keutamaan pasukan klinikal, isyarat telah disampel pada sama ada 500, 1000, atau 1600 Hz dan dirujuk kepada sentuhan biasa yang diletakkan sama ada secara intrakranial, pada kulit kepala, atau proses mastoid. Untuk analisis, semua rakaman yang menggunakan kadar persampelan yang lebih tinggi telah ditapis oleh penapis antialiasing dan dikurangkan sampel kepada 500 Hz. Montaj bipolar biasa dikira post hoc untuk setiap subjek dengan menolak siri masa voltan yang diukur pada semua pasangan sesentuh bersebelahan ruang. Ini menghasilkan isyarat bipolar N-1 dalam kes elektrod penembusan dan jalur, dan N=(i − 1)∗j tambah (j − 1)∗I, di mana i dan j adalah bilangan kenalan dalam dimensi menegak dan mendatar grid. Untuk analisis data kajian ini, satu "elektrod" merujuk kepada isyarat bipolar daripada satu pasangan bipolar kenalan. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa sesentuh boleh digunakan untuk berbilang elektrod, jadi tidak semua isyarat benar-benar bebas.

2.4. Tugasan ingat percuma

Paradigma klasik untuk menyelidik pembentukan episodik lisaningatantelah bekerja (Kahana, 2014), di mana subjek ditunjukkan senarai perkataan untuk ingatan percuma seterusnya. Para peserta telah diarahkan untuk mengkaji senarai perkataan yang dibentangkan pada skrin komputer riba untuk ujian tertunda ingatan vokal. Senarai terdiri daripada 12 perkataan yang dipilih secara rawak dan tanpa penggantian daripada kumpulan kata nama frekuensi tinggi dalam bahasa ibunda subjek (sama ada bahasa Inggeris atau Sepanyol; http://memory.psych.upenn.edu/WordPools). Setiap perkataan muncul pada skrin selama 1600 ms, diikuti dengan jitter rawak 750 hingga 1000 ms selang kosong antara rangsangan. Pada akhir setiap senarai perkataan, tugas distraktor dilakukan oleh subjek. Tugasan ini berlangsung selama 20 s dan terdiri daripada satu siri masalah aritmetik yang mudah dalam format A tambah B tambah C, di mana A, B dan C ialah integer satu digit rawak antara 1 dan 9. Selepas tugasan distraktor, peserta diberi 30 saat untuk mengingati sebanyak mungkin perkataan daripada senarai dalam sebarang susunan (Rajah 1). Respons vokal telah direkodkan secara digital oleh komputer riba dan kemudiannya dijaringkan secara manual untuk analisis. Hanya subjek yang mengingat sekurang-kurangnya 15 peratus perkataan dan menyelesaikan sekurang-kurangnya 12 senarai tugasan dimasukkan dalam analisis lanjut (Long et al., 2014). Ini meninggalkan 139 daripada 164 subjek asal untuk sejumlah 14,219 elektrod yang digunakan dalam kajian ini. Rakaman logik elektrolisis telah disegerakkan kepada penampilan rangsangan pada skrin melalui penjana nadi elektrik yang dikendalikan oleh komputer riba tugas, yang menghantar denyutan ke saluran acara yang ditetapkan dalam sistem pemerolehan klinikal. Peristiwa telah dicap masa selepas sesi rakaman menggunakan kod MATLAB yang ditulis tersuai dan digunakan untuk mengekstrak zaman tertentu yang menarik di sekitar persembahan perkataan. Setiap zaman yang direkodkan adalah 3000 ms panjang dan termasuk 1600 ms persembahan perkataan pada skrin dengan 700 ms skrin kosong selang interstimulus sebelum dan selepas setiap pembentangan perkataan.

Kuasa spektrum purata percubaan bagi isyarat EEG daripada zaman pembentangan perkataan (satu perkataan setiap percubaan) telah disepadukan merentasi zaman dan digunakan sebagai ciri untuk mengklasifikasikan elektrod aktif yang merekodkan dari kawasan otak yang terlibat dalam lisaningatanpengekodan. Elektrod aktif dikelaskan secara bebas dalam enam jalur frekuensi spektrum EEG menggunakan anggaran normal perubahan kuasa (transformasi skor-z). Prosedur pengelasan menggunakan kaedah tanpa pengawasan berdasarkan Model Campuran Gaussian (Saboo et al., 2019). Perhatikan aktiviti teraruh merentas kesemua enam jalur frekuensi dalam contoh spektrogram yang diplot daripada aktiviti purata percubaan daripada satu elektrod yang disetempatkan dalam korteks oksipital.

2.5. Analisis data

Kami menganalisis zaman rakaman iEEG semasa pembentangan perkataan untukingatanpengekodan. Setiap zaman pembentangan ditapis FIR (2000- perintah Barlett-Hanning dengan penapisan herotan fasa sifar, laluan jalur dengan had frekuensi yang ditentukan untuk setiap jalur frekuensi) sebelum diuraikan secara spektrum, dinormalkan dan dibinkan secara bebas ke dalam jalur frekuensi yang berbeza antara 2 dan 120 Hz: theta rendah (2–4 Hz), theta tinggi (5–9 Hz), alfa (10–15 Hz), beta (16–25 Hz), gamma rendah (25– 55 Hz) dan tinggi gamma (65–115 Hz). Sempadan untuk jalur frekuensi ini ditentukan berdasarkan julat tidak bertindih dan berterusan yang semakin lebar sepanjang spektrum frekuensi. Had atas 115 Hz dipilih untuk memastikan sekurang-kurangnya 4 sampel setiap kitaran diberikan kekerapan pensampelan 500 Hz dan untuk mengelakkan harmonik bunyi talian 60 Hz. Untuk menukar isyarat yang ditapis kepada spektrogram dengan a

Resolusi tong frekuensi 2 Hz dari 2 Hz hingga 115 Hz, kami menggunakan tetingkap gelongsor 500 ms dengan panjang slaid 5 ms dan kaedah berbilang tirus dengan 1 tirus daripada kotak alat kronik dalam MATLAB (http://chronux.org/; Mitra, 2007). Spektrogram bagi zaman pembentangan perkataan dipura- tuakan bersama-sama selepas penormalan log dan transformasi skor-z bagi setiap titik kekerapan masa. Pemarkahan Z dilakukan mengikut formula berikut:

x(t, f) − μ

z(t, f)=σ

di mana x ialah isyarat, t ialah tong masa, f ialah tong frekuensi, f ialah min, dan f ialah sisihan piawai untuk frekuensi yang diberi. Setiap percubaan dinormalisasi secara berasingan. Normalisasi log telah dilaksanakan untuk membetulkan kesan undang-undang kuasa 1/f bagi frekuensi yang lebih rendah pada anggaran kuasa dalam jalur frekuensi yang lebih tinggi, dan transformasi skor z dilakukan untuk menyediakan skala perubahan kuasa yang dinormalkan untuk perbandingan isyarat daripada elektrod yang berbeza. , sesi dan peserta (Kucewicz et al., 2019, 2017; Saboo et al., 2019). Normalisasi skor z ini menghasilkan perubahan kuasa positif dan negatif berbanding kuasa min dalam mana-mana zaman satu perkataan dan bukannya menggunakan tempoh "garis dasar". Oleh itu, penyimpangan positif atau negatif yang kecil bagi kuasa mutlak secara efektif akan ditambah secara relatif kepada min isyarat, seperti yang diterangkan sebelum ini (Kucewicz et al., 2019; Alotaiby et al., 2015). Artifak tepi dalam anggaran kuasa telah dihapuskan dengan memotong tong dua kali dari kedua-dua hujung spektrogram akhir untuk semua frekuensi. Untuk setiap elektrod dan jalur frekuensi, kami menentukan purata kuasa spektrum pada setiap bin masa merentas semua zaman pembentangan perkataan. Kuasa teraruh keseluruhan dalam jalur frekuensi tertentu semasa tempoh pembentangan perkataan dikira sebagai kawasan di bawah nilai mutlak keluk siri masa yang sepadan, seperti ditunjukkan dalam Rajah. 1. Elektrod kemudiannya dikelaskan kepada "aktif" dan "tidak aktif" dalam setiap jalur khusus menggunakan kaedah pengelompokan tanpa pengawasan kami berdasarkan Pemodelan Campuran Gaussian (GMM) untuk mengenal pasti yang menunjukkan perubahan kuasa yang disebabkan oleh tugas (Saboo et al., 2019). ). Kaedah ini pada asasnya melaksanakan pengelasan pembelajaran mesin binari bagi saluran aktif dan tidak aktif berdasarkan nilai kuasa teraruh bagi setiap saluran. Klasifikasi telah dilakukan secara berasingan untuk setiap jalur frekuensi yang diminati. Keseluruhan prosedur diringkaskan dalam Rajah. 1.

Kami memilih kaedah berasaskan GMM untuk memastikan bahawa nombor yang berbeza mencerminkan perdagangan akan dibenarkan untuk kelompok elektrod aktif dan elektrod tidak aktif. Bilangan gugusan ditetapkan kepada dua kerana pengkategorian aktif-tidak aktif elektrod adalah binari: perubahan dalam kuasa spektrum boleh sama ada teraruh (bertambah atau berkurang) atau tidak semasa tempoh pembentangan perkataan. Penggunaan GMM juga membolehkan pengkelasan tanpa keperluan untuk data kebenaran asas. Elektrod dikumpulkan merentasi subjek dan kemudian dikelompokkan untuk mengenal pasti elektrod aktif.

2.6. Pemetaan kuasa teraruh

Kebanyakan elektrod aktif disetempat di kawasan kortikal yang berkaitan dengan pemprosesan maklumat visual dan semantik, serta dengan pengisytiharan.ingatandan fungsi eksekutif. Daripada 39 Kawasan Brod- Mann, majoriti lokasi elektrod dikumpulkan kepada 9 kawasan semula otak yang masing-masing terdiri daripada Kawasan Brodmann: visual (kawasan Brodmann 18 dan 19), temporal inferior (kawasan Brodmann 20 dan 37), precuneus (kawasan utama Brod 30 dan 31), parietal sisi (kawasan Brodmann 7 dan 39), temporal mesial (kawasan Brodmann 28 dan Hippocampus), temporal sisi (kawasan Brodmann 21 dan 22), kawasan Broca (kawasan Brodmann 44 dan 45), prefrontal sisi (kawasan Brodmann 9 dan 46), dan tiang hadapan (kawasan Brodmann 10 dan 11). Melainkan dinyatakan sebaliknya, semua analisis lanjut tertumpu pada zaman perkataan yang dipanggil semula, iaitu zaman dengan perkataan yang berjaya dikodkan yang kemudiannya dipanggil semula secara bebas, dalam sembilan kawasan kortikal ini.

Perubahan kuasa teraruh dalam setiap jalur frekuensi telah diplot daripada semua elektrod aktif ke permukaan otak purata untuk setiap titik masa zaman perkataan menggunakan kod MATLAB tersuai untuk teknik penimbang yang bergantung kepada lokasi elektrod. Permukaan otak dicipta sebagai jejaring, di mana setiap elemen jejaring diberi warna bergantung kepada kuasa teraruh elektrod sekeliling yang ditimbang dengan jarak relatif kepada elemen (berat lebih besar kepada elektrod yang lebih proksimal). Bagi setiap elemen jaringan pada permukaan otak yang diplot, hanya kesan elektrod dalam ambang 10 mm dari titik pusat elemen dipertimbangkan. Oleh itu, kuasa teraruh dipuratakan daripada semua elektrod dalam jejari ambang yang ditimbang secara linear oleh kedekatannya mengikut formula berikut:

IP1∗ (ambang− r1) campur IP2∗ (ambang− r2) tambah … tambah IP ∗ (ambang− rn )

(ambang− r1 ) tambah (ambang− r2 ) tambah … tambah (ambang− rn )

di mana IP ialah nilai perubahan kuasa teraruh untuk elektrod, dan r ialah jarak antara elektrod dan elemen pilihan jaringan permukaan otak.

2.7. Perangkaan

Ujian ANOVA dengan pelbagai pembetulan perbandingan untuk kesan jalur frekuensi, kawasan otak (Kawasan Brodmann), dan hemisfera digunakan untuk menganalisis peratusan elektrod dalam kawasan yang dilabel sebagai "masa (Rajah 2). Perbezaan temporal antara hemisfera. telah dikuantifikasi menggunakan statistik ujian-t dua ekor, tidak berpasangan dengan pembetulan Bonferroni (Gamb.3A). Kami kemudian memecahkan setiap zaman perkataan kepada fasa pra-pengekodan, pengekodan awal, pengekodan lewat dan pasca pengekodan (Burke et al. , 2014; Kucewicz et al., 2019) dan menggunakan langkah berulang ANOVA (fasa pengekodan sebagai faktor dalam-subjek) dengan ujian Tukey-Kramer posthoc untuk menganalisis kesan jalur frekuensi, kawasan otak dan hemisfera pada kuasa teraruh semasa setiap fasa lisaningatantugasan (Gamb.3B). Latensi puncak untuk setiap jalur frekuensi dan kawasan ditentukan sebagai tong masa dengan puncak positif maksimum kuasa teraruh. Bandar Latin dibandingkan menggunakan langkah berulang ANOVA (fasa pengekodan sebagai faktor dalam subjek) dan ujian perbandingan berbilang Tukey-Kramer post-hoc (Rajah 4). Ujian korelasi Pearson digunakan untuk menilai kesan kedudukan di sepanjang setiap paksi otak pada masa kependaman kuasa puncak (Rajah 5B). Nilai alfa untuk semua ujian telah ditetapkan pada 0.05.

3. Keputusan

3.1. Aktiviti spektrum yang disebabkan semasa pengekodan ingatan diedarkan secara heterogen merentasi korteks manusia

Kami mula-mula mengenal pasti subset elektrod dari kawasan kortikal yang diaktifkan semasaingatanpengekodan. Untuk tujuan ini, kuasa dalam jalur spektrum dalam enam julat frekuensi tidak bertindih (theta rendah: 2–4 Hz, theta tinggi: 5–9 Hz, alfa: 10–15 Hz, beta: 16– 25 Hz, gamma rendah: 25–55 Hz, gamma tinggi: 65–115 Hz) digunakan sebagai ciri untuk pengelasan automatik elektrod aktif (Saboo et al., 20}19) secara bebas dalam setiap jalur (Gamb. 1). Daripada jumlah 14,219 elektrod yang ditanam di semua peserta, 4738 (33.3 peratus ) menunjukkan kuasa spektrum teraruh dalam sekurang-kurangnya satu jalur frekuensi. Oleh itu, tapak elektrod biasa menunjukkan kuasa teraruh dalam julat yang ditentukan sama ada jalur frekuensi rendah, pertengahan atau tinggi (Rajah 2A). Selaras dengan keputusan kami sebelum ini (Kucewicz et al., 2019; Alotaiby et al., 2015), elektrod aktif ini diedarkan secara meluas di 39 kawasan Brodmann yang ditakrifkan dalam semua lobus kortikal (Rajah 2B). Perkadaran relatif elektrod di setiap kawasan Brodmann yang aktif berubah daripada 4.3 peratus hingga 75 peratus , bergantung pada lokasi dalam limbik, hadapan, prefrontal, parietal, temporal atau lobus oksipital (ANOVA F=99.21, p < 0.001,="" df="5)," dengan="" elektrod="" yang="" lebih="" aktif="" secara="" ketara="" ditemui="" dalam="" kawasan="" visual="" deria="" oksipital="" dan="" korteks="" parietal="" (posthoc="" tukey="" kramer,="" p=""><0.05). dalam="" setiap="" kawasan,="" perkadaran="" yang="" serupa="" diperhatikan="" dalam="" setiap="" jalur="" frekuensi,="" termasuk="" jalur="" alfa="" dan="" beta,="" tanpa="" perbezaan="" yang="" ketara="" merentas="" spektrum="" (anova="" f="0" arah-n}.17,="" p="0.9747" ,="" df="5)." ringkasnya,="" tanpa="" mengira="" jalur="" frekuensi="" yang="" dianalisis,="" sekurang-kurangnya="" 4="" peratus="" tapak="" elektrod="" dalam="" mana-mana="" kawasan="" kortikal="" yang="" dianalisis="" mendedahkan="" kuasa="" yang="" didorong="" dengan="" ketara="" semasa="">

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 peserta; lihat jadual 1). Elektrod boleh aktif dalam satu atau lebih jalur. Kami mendapati bahawa bahagian elektrod tertinggi adalah aktif hanya dalam satu (43.12 peratus) atau dua (22.94 peratus) jalur, dan secara proporsional lebih sedikit dalam lebih daripada dua jalur dengan hanya minoriti (5.4 peratus) aktif dalam kesemua enam (Rajah 1). 2C). Pertindihan tertinggi kuasa spektrum teraruh dalam lebih daripada dua jalur diperhatikan untuk elektrod dalam kawasan visual deria posterior korteks oksipital (Rajah 2C; merah), di mana 4-5 jalur telah diaktifkan secara purata setiap elektrod semasa pengekodan perkataan. Kawasan visual lain korteks temporal dan parietal juga menunjukkan taburan elektrod yang agak tinggi dengan lebih daripada dua jalur diaktifkan, berbeza dengan kawasan pemprosesan urutan tinggi anterior dalam korteks temporal dan prefrontal, di mana elektrod aktif dalam 1-2 jalur frekuensi. (Rajah 2C; hitam). Secara keseluruhannya, majoriti tapak elektrod menunjukkan kuasa spektrum yang berkurangan dalam satu atau dua jalur frekuensi tertentu, menunjukkan bahawa pelbagai aktiviti diasingkan secara spatial dalam korteks.

Rajah 2. Aktiviti spektrum yang disebabkan semasa pengekodan ingatan lisan diagihkan secara tidak seragam di seluruh otak manusia. (A) Contoh perwakilan spektrogram purata percubaan semasa pengekodan perkataan daripada elektrod aktif menunjukkan perubahan kuasa teraruh yang terhad secara bebas kepada setiap tiga kumpulan frekuensi dari lokasi anatomi yang berbeza. (B) Perkadaran elektrod aktif dalam enam jalur frekuensi yang dikaji (theta rendah: 2–4 Hz, theta tinggi: 5–9 Hz, alfa: 10–15 Hz) beta:

16–25 Hz, gamma rendah: 25–55 Hz, gamma tinggi: 65–115 Hz) menunjukkan perbezaan ketara (ANOVA) dalam taburan anatomi (asteris merah; p < 0.05="" ujian="" tukey="" kramer="" post-hoc="" )="" tetapi="" tidak="" merentasi="" jalur="" frekuensi="" seperti="" yang="" diringkaskan="" dalam="" plot="" kotak="" sisipan.="" (c)="" taburan="" elektrod="" yang="" aktif="" dalam="" satu="" atau="" lebih="" jalur="" frekuensi="" mendedahkan="" pertindihan="" tertinggi="" di="" kawasan="" posterior="" korteks="" visual="" oksipital="" dan="" parietal,="" yang="" secara="" beransur-ansur="" berkurangan="" di="" kawasan="" kortikal="" yang="" lebih="" anterior="" seperti="" yang="" ditunjukkan="" dalam="" plot="" permukaan="" otak="" purata="" dan="" ringkasan="" kartun="" semua="" elektrod="" aktif="" (titik="" berwarna="" mengikut="" carta="" bar)="" dan="" dalam="" plot="" biola="" (garis="" hitam="" dan="" merah="" menunjukkan="" min="" dan="" median,="" resp.="" (hoffmann,2015)).="" (d)="" taburan="" semua="" elektrod="" yang="" aktif="" dalam="" jalur="" gamma="" (frekuensi="" tinggi),="" alfa/beta="" (frekuensi="" pertengahan),="" dan="" theta="" (frekuensi="" rendah)="" berbeza="" merentasi="" sembilan="" kawasan="" kortikal="" terpilih="" yang="" diminati="" (v="" -="" visual;="" it="" -="" temporal="" inferior;="" pra="" -="" precuneus;="" par="" -="" parietal="" sisi;="" mtl="" -="" lobus="" temporal="" mesial;="" lt="" -="" temporal="" sisi;="" br="" -="" kawasan="" broca;="" pfc="" -="" korteks="" prefrontal;="" fp="" -="" kutub="" hadapan)="" dengan="" elektrod="" yang="" agak="" lebih="" prefrontal="" aktif="" dalam="" jalur="" gamma="" (merah)="" dan="" lebih="" banyak="" elektrod="" dalam="" kawasan="" visual="" yang="" aktif="" merentas="" semua="" jalur="" (hitam)="" seperti="" yang="" ditunjukkan="" dalam="" plot="" permukaan="" otak="" purata,="" ringkasan="" kartun="" dan="" plot="" biola.="" perhatikan="" bahawa="" kebanyakan="" elektrod="" secara="" keseluruhan="" aktif="" dalam="" hanya="" satu="" atau="" dua="" jalur="" frekuensi="" sama="" ada="" frekuensi="" rendah,="" pertengahan="" atau="" tinggi,="" kecuali="" untuk="" kawasan="" visual="" dengan="" lebih="" daripada="" dua="" jalur="" frekuensi="" aktif="" bagi="" setiap="" elektrod="" sesiapa="" sahaja="" (untuk="" tafsiran="" rujukan="" kepada="" warna="" dalam="" ini="" legenda="" tokoh,="" pembaca="" dirujuk="" kepada="" versi="" web="" artikel="">

Kami seterusnya bertanya sama ada aktiviti spektrum yang diinduksi di mana-mana tapak elektrod bertindih dalam julat frekuensi yang sama. Kami mengumpulkan aktiviti kepada kumpulan rendah, sederhana dan frekuensi tinggi (masing-masing theta, alpha/beta dan gamma) dan membandingkan perkadaran elektrod aktif dengan gabungan kumpulan yang berbeza. Lebih separuh daripada semua elektrod aktif menunjukkan kuasa teraruh secara eksklusif dalam jalur frekuensi rendah, pertengahan atau tinggi (Gamb.2D). Elektrod dengan pertindihan tinggi merentas semua kumpulan kebanyakannya disetempat di kawasan visual posterior (Rajah 2D; hitam). Tapak elektrod selebihnya yang menunjukkan kuasa teraruh dalam salah satu daripada tiga kumpulan frekuensi telah diedarkan secara seragam merentasi korteks dengan proporsi yang sama dalam setiap ROI, selain daripada kawasan prefrontal di mana aktiviti gamma frekuensi tinggi yang lebih tinggi terdapat semasa pengekodan memori (Rajah). .2D; merah). Keputusan kami menunjukkan bahawa aktiviti julat frekuensi tertentu telah diinduksi kebanyakannya di tapak kortikal tertentu, membentuk corak pengedaran seperti mozek yang konsisten dengan tanggapan "cap jari spektrum" (Siegel et al., 2012).

3.2. Kesan keterlaluan kuasa teraruh adalah khusus kepada frekuensi tertentu dan kawasan kortikal

Soalan seterusnya kami ialah jika jumlah kuasa-dalam-jalur teraruh semasa pengekodan perkataan (Rajah 1) adalah berbeza bergantung pada lokasi anatomi, jalur frekuensi, atau hemisfera. Elektrod aktif individu boleh menunjukkan magnitud yang sama bagi kuasa teraruh, walaupun taburan heterogen merentasi kawasan kortikal (Rajah 2). Secara keseluruhannya, terdapat kesan ketara jalur frekuensi pada kuasa teraruh (langkah berulang ANOVA F=1346.99,p < 0.001,="" df="" {="" {8}}).="" rantau="" otak="" (anova="" f="38.21," p="">< 0.001,="" df="37)" dan="" lokasi="" hemisfera="" elektrod="" (anova="" f="17.4," p="">< 0.001,="" df="" {{="" 18}}).="">

Rajah 3. Profil temporal kuasa teraruh semasa pengekodan kesan sisian re-veal dalam frekuensi tertentu dan kawasan kortikal. (A) Setiap panel menunjukkan perubahan kuasa purata percubaan merentas masa pembentangan perkataan (latar belakang kelabu) yang dianggarkan daripada semua elektrod aktif dalam jalur frekuensi tertentu dan kawasan otak yang diplot secara berasingan untuk hemisfera kiri dan kanan (merah dan biru, resp.) . Plot kawasan kelabu di latar belakang meringkaskan perbezaan statistik (statistik-t) antara dua hemisfera dalam tong masa 50 ms dengan kelabu gelap yang menunjukkan secara signifikan lebih banyak (nilai t positif) atau kurang (nilai t negatif) kuasa dalam hemisfera kiri (garis putus-putus mendatar; Ujian-t pelajar, p < 0.05).="" perhatikan="" bahawa="" kesan="" sisian="" yang="" ketara="" disetempat="" dalam="" jalur="" frekuensi="" tertentu="" di="" kawasan="" otak="" tertentu.="" (b)="" ringkasan="" perbandingan="" jumlah="" kuasa="" teraruh="" (langkah="" berulang="" anova)="" daripada="" semua="" jalur="" frekuensi="" merentasi="" sembilan="" kawasan="" otak="" (lihat="" rajah="" 2="" untuk="" label)="" dan="" empat="" peringkat="" pengekodan="" memori="" –="" faktor="" dalam="" subjek="" (asteris="" merah="" menunjukkan="" perbezaan="" yang="" ketara.="" ;="" ujian="" tukey-kramer,="" p=""><0.05).>Ingatankesan adalah yang terbesar dalam korteks prefrontal kiri (ditunjukkan oleh anak panah berganda hitam), manakala, MTL menunjukkan kesan terbesar di kawasan hemisfera kanan (Untuk tafsiran rujukan kepada warna dalam legenda angka ini, pembaca dirujuk ke web versi artikel ini.).

analisis kumpulan (Tukey-Kramer, p < 0.05)="" mengesahkan="" kuasa="" yang="" lebih="" kecil="" dengan="" peningkatan="" frekuensi="" jalur,="" kecuali="" antara="" jalur="" gamma="" rendah="" dan="" tinggi="" (tambahan="" rajah="" 1).="" elektrod="" dalam="" lobus="" oksipital="" menunjukkan="" kuasa="" teraruh="" yang="" jauh="" lebih="" tinggi="" daripada="" di="" mana-mana="" kawasan="" lain="" selaras="" dengan="" kajian="" terdahulu="" kami="" tentang="" aktiviti="" gamma="" tinggi="" (kucewicz="" et="" al.,="">