Kortikala krusningar under NREM-sömn och uppvaknande hos människor del 3

PY-skjutning föregår IN-skjutning vid kortikala krusningstoppar

Med hjälp av mikroelektrodarrayinspelningar från granulära/supragranulära skikt av den laterala temporala cortexen under NREM upptäckte vi ripples (Fig. 11A) såväl som aktionspotentialer, som sorterades i de som härrörde från förmodade enstaka PY- eller IN-enheter. Den genomsnittliga 6 SD-rippeloscillationsfrekvensen över mikroelektrodkanaler (N=72) var 89.6 6 1.4 Hz, och över individuella rippel (N=50,967) var 90.{{9} }.2 Hz. Vi fann att INs hade en stark tendens att skjuta vid toppen av krusningen, medan PYs sköt kort innan (Fig. 11B).

I den mänskliga hjärnans organisationsstruktur anses tinningloben vara ett viktigt område som är nära relaterat till minnet. Det granulära lagret i den temporala cortex tros spela en avgörande roll i denna process. Speciellt i korttidsminnesprocessen kommer aktivitetsnivån och antalet av det granulära lagret i tinninglobsbarken direkt att bestämma individens minnesprestanda. Därför är det viktigt att hålla temporala kortikala granulat friska för vår hjärna och minne.

Så, hur håller du temporala kortikala granulat friska? För det första kan adekvat sömn främja tillväxten av hjärnneuroner och förbättra stabiliteten i neurala kretsar, och därigenom öka antalet och aktiviteten hos temporala cortexgranuler. Dessutom kan mer träning, mer inlärning och mer social interaktion också stimulera neuronaktivitet i hjärnan och öka antalet neuroner, vilket är gynnsamt för tinninglobens cortexgranulers hälsa.

Utöver ovanstående metoder kan du även bibehålla hälsan hos de temporala cortexpartiklarna genom goda matvanor. Studier har visat att vissa näringsämnen i livsmedel som blåbär, valnötter, lax och torsk kan bidra till att förbättra minnet och kognitiva förmågor, och kan också bromsa nedgången i temporal cortex granulat.

Kort sagt, kortikala tinninglobsgranulat är nära besläktade med minnet, så det är mycket viktigt att upprätthålla hälsan hos tinninglobens kortikala granulat. Att träna mer, studera mer, umgås mer, få tillräckligt med sömn och goda matvanor bidrar alla till att öka antalet och aktiviteten av granulat i tinninglobens cortex, vilket förbättrar vår kognitiva förmåga och minne. Det kan ses att vi behöver förbättra minnet, och Cistanche deserticola kan förbättra minnet avsevärt eftersom Cistanche deserticola är ett traditionellt kinesiskt läkemedelsmaterial som har många unika effekter, varav en är att förbättra minnet. Effekten av malet kött kommer från de olika aktiva ingredienserna det innehåller, inklusive syra, polysackarider, flavonoider, etc. Dessa ingredienser kan främja hjärnans hälsa på en mängd olika sätt.

Klicka på Vet för att förbättra korttidsminnet

Vi har tidigare visat att inhumans, upstates (Csercsa et al., 2010) och spindlar (Dickey et al., 2021) är förknippade med ökad enhetsskjuthastighet. Eftersom kortikala krusningar är exakt kopplade till dessa händelser (Fig. 10), innebär deras förekomst på upptillstånd och spindlar en underliggande fasisk depolarisering, som kan generera;90 Hz-svängningar inberäknings- och experimentella modeller via PY-IN-återkopplingshämning (Bazhenov et al., 2008) ; Buzsáki, 2015). Depolarisering får korgceller att avfyras synkront, vilket hämmar andra korgceller och pyramider via GABAA. Pyramiderna eldar på återhämtning, spännande korgceller när de återhämtar sig, vilket leder till en ny cykel.

Som denna modell skulle förutsäga, fann vi att PY och IN var starkt faslåsta till kortikala krusningar (Fig. 11B), med PY som signifikant ledde till IN-spik (Fig. 11C, D). Vidare avfyrade INs vid rippeltoppen, när pyramidal somatisk hämning skulle vara maximal, vilket finns hos katter (Grenier et al., 2001). På liknande sätt var krusningsamplituden högre vid uppvaknande än NREM (fig. 3B, 8C), i överensstämmelse med relativ depolarisering av pyramidmembranpotentialen under uppvaknandet. Fasisk depolarisering under vakande grepp föreslogs också av ökad 0,200 Hz amplitud (fig. 2B, J, 3E, 8F). Således är mänskliga kortikala krusningar förknippade med starka toniska och faslåsta ökningar av PY och avfyring och genereras sannolikt av en plötslig depolarisering som utlöser PY-IN-feedbacksvängningar (Fig. 11E).

Kortikala krusningar grupp sambränning med timing optimal för STDP

Den ökade toniska och faslåsta enhetens avfyrning och förekomsten av krusningar på spindlar på övergångarna ner till uppåt antyder att krusningar kan underlätta kortikal plasticitet (Dickey et al., 2021). Detta kan uppstå genom kort latens samtändning mellan enheter som leder till STDP. Faktum är att vi fann en stor ökning under krusningar av kort latens (,5 ms) samtändning mellan PY–PY enhetspar och PY–IN enhetspar (Fig. 11F). Specifikt var det en ökning av sambränning under ripplesversus nonripples (PY–PY: 7.16-faldig ökning, p=2 10159,N=4638, t=28.0; PY–IN: 9.78-faldig ökning, p { {15}} 1099,N=1561, t=22.7; enkelsidigt parat t-test). Jämförelseperioder utan krusningar var slumpmässigt valda epoker mellan krusningar matchade i antal och varaktighet.

För att testa om denna ökning av cofiring inte bara berodde på en ökning av den totala avfyrningshastigheten för enheter under krusningar, eller till och med deras rytmicitet, utan snarare en specifik organisation av cofiring genom fasen av individuella krusningscykler, konstruerade vi en kontrolldatauppsättning bestående av neuronalfiring under krusningar där spiktiderna blandades slumpmässigt. Jämfört med den här blandade kontrollen, var det en signifikant ökning av kort-latens samtändning under rippels med deras faktiska topptider (PY–PY:1.21-faldig ökning, p=1 107, N=4638 ,t=5.2; PY–IN: 1.15-faldig ökning, p=1 107, N=1561, t=5.2, en- sidigt parat t-test). Detta fynd indikerar att ökningen av sambränning beror på en specifik organisation av sambränning efter fasen av de individuella krusningscyklerna. Sålunda skapar krusningar ett nödvändigt och tillräckligt villkor för STDP och kan därför ligga till grund för det avgörande bidraget från dessa kapslade wavesto-konsolideringar (Dickey et al., 2021).

Diskussion

Den aktuella studien ger den första heltäckande karaktäriseringen av kortikala krusningar under uppvaknandet och NREM hos människor. Med hjälp av intrakraniella inspelningar rapporterar vi att mänskliga kortikala krusningar är utbredda under NREM förutom att vakna. Grundläggande krusningsegenskaper (förekomsthastighet, amplitud, oscillationsfrekvens, varaktighet, fördelning över kortikala områden) är stereotypa tvärelektroder och kortikala paket. De är också mycket lika i cortex kontra hippocampus, och i NREM kontra waking. Cortical ripple stereotypy och allestädes närvarande tvärs över strukturer och tillstånd tyder på att de kan utgöra en distinkt och funktionellt viktig neurofysiologisk enhet.

Egenskaperna hos mänskliga krusningar liknar dem hos gnagare med två undantag. För det första är centrumfrekvensen för mänskliga krusningar fokalt;90 Hz (Jiang et al., 2019a), medan det hos gnagare är;130 Hz (Khodagholy et al., 2017). Tänkbart kan den större mänskliga hjärnan kräva mer tid för kortikokortikal och hippocampo-kortikalintegration än gnagarhjärnan. Den andra uppenbara skillnaden mellan människor och gnagare är i kortikal distribution. En tidigare gnagarstudie fann att kortikala krumlingar var begränsade till associationsbarken (Khodagholy et al., 2017), och konsekventa observationer rapporterades om människor (Vaz et al., 2019). Däremot registrerade vi kortikala ripples i alla områden som provades, med något lägre förekomster i associationsområden, vilket indikeras av den positiva korrelationen mellan förekomsthastighet och myeliniseringsindex.

I motsats till likheterna mellan grundläggande egenskaper fann vi att krusningar i vaken kontra NREM förekommer inom många olika omedelbara fysiologiska sammanhang. I NREM är kortikala krusningar starkt förknippade med lokala downstater och upstater, och mindre starkt med sömnspindlar. Karakteristiskt är att krusningar inträffar i uppförsbacken; 100 ms före toppen av den övre delstaten. Tidigare studier fann att sömnspindlar (Dickey et al., 2021) och upstater (Csercsa et al., 2010) är förknippade med stark ökning av avfyring av lokala enheter, och vi fann att det också var fallet för kortikala krusningar under NREM. Hippocampus krusningar under NREM i tidigare studier visade sig också ofta förekomma under lokala skarpa vågor eller spindlar (Staresina et al., 2015; Jiang et al., 2019a, b, c).

Eftersom sömnspindlar och nedåt-till-upptillstånd är karakteristiska för NREM, skulle de inte förväntas inträffa med vakna krusningar. Även om vi inte hittade någon annan lågfrekvent våg som konsekvent var förknippad med krusningar under uppvaknandet, inträffade både kortikala och hippocampala krusningar under kraftigt ökad lokal 0,200 Hz amplitudaktivitet, ett surrogat för enhetsavfyrning (Mukamel et al., 2005). Således är de lokala sammanhangen för både kortikala och hippocampala krusningar, i både NREM och vakna, plötsliga ökningar i lokal excitabilitet som varar minst lika länge som krusningen (;70 ms). NREM och uppvaknande är olika genom att den depolariserande pulsen organiseras av endogena sömnrytmer i NREM, men tycks vara relaterad till exogen inmatning, såsom en återvinningssignal, under uppvaknandet.

Beräkningsneurala modeller och experimentella studier har funnit att depolariserande pulser kan inducera svängningar från;20 till 160 Hz (Buzsáki och Wang, 2012; Buzsáki, 2015). Depolarisering orsakar synkron PY-avfyrning, som hämmas under en bestämd tid av återkommande korghämningar från lokala celler. PY:erna avfyras sedan igen, vilket resulterar i Pyramidal InterneuronNetwork Gamma. Som förutspått av denna modell, fann vi stark ripple-fasmodulering av förmodad PY och internuronal avfyring, med PYs regelbundet före INs. Våra fynd överensstämmer också med Pyramidal Interneuron Network Gamma kompletterat med synkroniserad korgcellsavfyring och ömsesidig hämning (Interneuron Network Gamma) (Bartos et al., 2002). Definitiv mekanistisk demonstration skulle kräva experiment som för närvarande inte är möjliga in vivo på människor (Stark et al., 2014).

Tidigare studier har visat att kortikala krusningar uppträder på upptillstånd och spindeltoppar hos katter (Grenier et al., 2001) och råttor (Khodagholy et al., 2017), och parahippocampus g-skurar av olika frekvenser förekommer på upstate hos människor (Le Van Quyen et al. ., 2010). Här rapporterar vi liknande relationer hos människor, i överensstämmelse med ett tidigare fynd att kortikala krusningar under mänsklig NREM undertrycks under och ökade efterföljande nedgångar (von Ellenrieder et al., 2016).

Den kritiska rollen för gnagare hippocampus krusningar i minneskonsolidering under NREM (Girardeau et al., 2009) är beroende av deras association med kortikala sömnvågor (spindlar, downstates, upstates) (Siapas och Wilson, 1998; Maigret et al., 2016; Latchoumaneet al. ., 2017). Hos människor är krusningar i hippocampus också associerade med sömnvågor (Staresina et al., 2015; Latchoumane et al., 2017; Jiang et al., 2019a,b), och kortikala sömnvågor är också associerade med konsolidering (Niknazar et al., 2015). Således är vår observation att mänskliga kortikala krusningar under NREM är starkt associerade med upstates, och mindre starkt med downstater och spindlar, överensstämmande med rollen av inkonsolidering av mänskliga kortikala krusningar. Detta stöds av en nyligen genomförd studie som visar att kortikala krusningar under NREM markerar uppspelningen av inlärda motormönster från tidigare uppvaknande (Rubin et al., 2022).

Konsolidering kräver plasticitet för att öka styrkan hos de anslutningar som förkroppsligar minnet, vilket kan inträffa när presynaptiska och postsynaptiska celler eldas i nära temporal närhet, kallat STDP (Feldman, 2012). Vi visar här att lokala neuroner är mycket mer benägna att skjuta vid fördröjningar som är optimala för STDP under krusningar än kontrollperioder, och att cofiring organiseras utöver vad som skulle förväntas av en allmän ökning av inneuronavfyrning. En liknande ökning observeras också under sömnspindlar och upstates hos människor (Dickey et al., 2021). Eftersom vi också visar att NREM kortikala krusningar är tidsmässigt koordinerade med sömnspindlar och upstates, stöder detta synergistisk underlättande av plasticitet. Således är flera egenskaper hos kortikala krusningar förenliga med att de spelar en roll i konsolideringen, men direkt bekräftelse av denna roll kommer att kräva interventioner som inte utfördes i den aktuella studien.

Nyligen visades mänskliga vakna kortikala krusningar markera spatiotemporala avfyrningsmönster under återkallande av föremål som återgav de som tidigare framkallats av samma föremål under deras första presentation (Jiang et al., 2017). Detta tyder på möjligheten att krusningar, hos människor och gnagare, NREM och vaken, hippocampus och cortex, delar en gemensam roll i att bidra till återuppbyggnaden av tidigare förekommande eldningsmönster. De liknande egenskaperna hos mänskliga krusningar, i NREM och vaken, hippocampus och cortex , överensstämmer med denna spekulation.

Tidigare rapporter hos gnagare (Khodagholy et al., 2017) och människor (Vaz et al., 2019) om att kortikala krusningar var begränsade till associeringsbarken tolkades också som förenliga med aselektiv interaktion av kortikala krusningar med hippocampus. Men i vårt mer omfattande prov av kortikala platser, observerade vi en lägre krusningsdensitet i den högre associativa cortexen. Dessutom fann vi inget samband över kortikala paket mellan deras grad av anslutning till hippocampusbildningen (härledd från diffusionsavbildning) (Rosen och Halgren, 2021) och kortikal krusningstäthet eller någon annan krusningsegenskap. I andra arbeten har vi faktiskt visat att kortikala krusningar är mer benägna att uppstå och faslåsa med andra kortikalisiter än hippocampus (Dickey et al., 2022). Således kan den funktionella rollen för kortikala krusningar inte begränsas till minneskonsolidering och återkallande.

Sammanfattningsvis ger den aktuella studien den första rapporten om kortikala krusningar under sömn hos människor. Kortikala krusningar under NREM visade sig ha grundläggande egenskaper (varaktighet, oscillationsfrekvens och förekomstfrekvens) som är mycket lik de kortikala krusningar under uppvaknandet såväl som krusningar i hippocampus. Kortikala rippeloscillationsfrekvenser var tätt fokuserade vid 90 Hz. Detta fynd, tillsammans med deras stereotypi och allestädes närvarande över strukturer och tillstånd, tyder på att kortikala krusningar kan utgöra en distinkt och funktionellt viktig neurofysiologisk enhet.

Enhetsavfyrning under mänskliga kortikala NREM-krusningar stödde den mekanism som föreslagits för gnagare i hippocampus, baserat på PY-IN-feedback. Kortikala krusningar under NREM inträffar typiskt efter downstate, under spindlar, och strax före toppen av upstate, en association och timing som är viktiga för konsolideringen av minnen under sömn. Dessutom var NREM-kortikala krusningar associerade med ökad lokal sambränning mellan enheter, vilket uppfyllde grundläggande krav för STDP. Kortikala krusningar var emellertid utbredda över kortikala paket, oavsett deras troliga anslutning till hippocampus. Sammantaget överensstämmer dessa egenskaper hos kortikala krusningar under mänsklig NREM med en roll som inkluderar men kanske inte är begränsad till sömnberoende minneskonsolidering.

Referens

1. Axmacher N, Elger CE, Fell J (2008) Ripples i den mediala temporalloben är relevanta för konsolidering av mänskligt minne. Hjärna 131:1806–1817.

2. Bartos M, Vida I, Frotscher M, Meyer A, Monyer H, Geiger JR, Jonas P (2002) Snabb synaptisk hämning främjar synkroniserade gammaoscillationer i hippocampus interneuronnätverk. Proc Natl Acad Sci USA99:13222–13227.

3. Bazhenov M, Rulkov NF, Timofeev I (2008) Effekt av synaptisk anslutning på långväga synkronisering av snabba kortikala svängningar. J Neurophysiol100:1562-1575.

4. Bechtold B (2016) Fiolplaner för Matlab. Github-projekt.

5. Behrens TE, Berg HJ, Jbabdi S, Rushworth MF, Woolrich MW (2007) Probabilistisk diffusionstraktografi med flera fiberorienteringar: vad kan vi vinna? Neurobild 34:144–155.

6. Benjamini Y, Hochberg Y (1995) Att kontrollera antalet falska upptäckter: en praktisk och kraftfull metod för multipeltestning. JR Stat Soc B 57:289–300.

7. Berens P (2009) CircStat: en MATLAB-verktygslåda för cirkulär statistik. J StatSoftw 31:1–21.

8. Bragin A, Engel Jr, Wilson CL, Fried I, Buzsáki G (1999) Högfrekventa svängningar i den mänskliga hjärnan. Hippocampus 9:137–142.

9. Buzsáki G (2015) Hippocampus skarpa våg-rippel: en kognitiv biomarkör förepisodisk minne och planering. Hippocampus 25:1073–1188.

10.Buzsáki G, Wang XJ (2012) Mechanisms of gamma oscillations. Annu RevNeurosci 35:203–225.

For more information:1950477648nn@gmail.com