Utbredda krusningar synkroniserar mänsklig kortikal aktivitet under sömn, vaken och minnesåterkallelse del 2

Hippocampus Sharpwave Ripples leder till kortikala Ripples under NREM.

Medan resultaten ovan visar att kortikala krusningar föregår hippocampus krusningar under uppvaknandet, verkar deras ordning under NREM vara en blandad bild, som vi antar beror på om hippocampus krusningar uppstår i samband med en skarp våg eller spindel (2, 21, 22). Vi fann att hippocampus krusningar med skarpa vågor signifikant föregick kortikala krusningar med ~250 ms (SI Appendix, Fig. S4A; P=0.002, tvåsidigt binomialtest, förväntat värde=0.5), medan spindelrippel var samtidiga (SI Bilaga, Fig. S4B; P=1).

Förhållandet mellan hippocampus krusningar och minne är ett område av stort intresse. Hippocampus är en av de viktigaste regionerna i hjärnan. Den är belägen inuti tinningloben och är nära relaterad till kognitiva funktioner som inlärning och minne. Hippocampus krusningar är en speciell typ av hjärnaktivitet som tros vara relaterad till minneskodning och informationsintegration. Under de senaste åren har forskare gjort oförtröttliga ansträngningar för att på djupet utforska den inre mekanismen av krusningar i hippocampus och minne.

Forskning visar att hippocampus krusningar är den elektriska aktiviteten hos speciella celler i hippocampus, som vanligtvis uppträder när hjärnan är i ett lugnt tillstånd. Genereringsprocessen av krusningar i hippocampus kräver interaktion av flera faktorer, inklusive genreglering, nervsignaltransduktion, etc. När väl hippocampus krusningar bildas hjälper de till att stärka associerade minneskodningsprocesser.

En studie visade en gång att styrkan hos krusningar i hippocampus är positivt korrelerad med minnesstyrka. När hjärnan är i ett lugnt tillstånd producerar neuroner i hippocampus specifik elektrisk aktivitet som har en "studs" "liknande form, vilket hjälper minnen att omvandlas och lagras i hjärnan. Samtidigt kan hippocampus krusningar också förbättra synkronisering av neuroner i hjärnan, vilket ytterligare stärker kopplingarna och informationsöverföringen mellan olika neuroner.

Baserat på ovanstående forskningsresultat kan vi dra slutsatsen att hippocampus krusningar är avgörande för hjärnans minneskodning och lagring. Genom att öka aktiviteten i hippocampus och stärka kopplingarna mellan relaterade neuroner kan vi förbättra lagringen och hämtningen av minnen i hjärnan. Samtidigt kan vi också skapa en bättre miljö för hjärnan och främja genereringen av krusningar i hippocampus genom balanserad kost, måttlig träning och bibehålla mental hälsa, och därigenom uppnå bättre minneseffekter.

Sammanfattningsvis är förhållandet mellan hippocampus krusningar och minne ett område för intensiv forskning. Genom att djupt studera dess inre mekanism kan vi utforska mer effektiva metoder för minnesförbättring, och därigenom ge fler fördelar för personlig inlärning och karriärutveckling. Låt oss ta aktiva åtgärder tillsammans för att skapa en bättre miljö för våra hjärnor och bli en bättre version av oss själva! Det kan ses att vi behöver förbättra minnet, och Cistanche deserticola kan förbättra minnet avsevärt, eftersom Cistanche deserticola också kan reglera balansen av signalsubstanser, som att öka nivåerna av acetylkolin och tillväxtfaktorer. Dessa ämnen är viktiga för minne och inlärning. Dessutom kan Kött också förbättra blodflödet och främja syretillförseln, vilket kan säkerställa att hjärnan får tillräckligt med näringsämnen och energi, och därigenom förbättra hjärnans vitalitet och uthållighet.

Klicka på vet kosttillskott för att öka minnet

Dessa resultat förstärker ett tidigare förslag om att krusningar med skarpa vågor och spindel ger sekventiella bidrag till konsolidering. Sammantaget, som förutspåtts av modeller för hippocampo-kortikal interaktion för minnet, leder hippocampus krusningar vanligtvis till kortikala under sömnen, och kortikala vanligtvis leder till hippocampus under uppvaknandet.

Cortical Ripple Samförekomst underlättas genom aktivering på flera platser.

Hos varje patient fann vi att när två kortikala platser försämrades, kan en eller flera ytterligare platser ansluta sig till dem (SI Bilaga, Fig. S5). För att testa om två kortikala ställen som korpling gjorde det mer sannolikt att andra ställen också krusade, beräknade vi ett χ2-test av proportioner för alla möjliga grupper av trekortikala kanaler under nollhypotesen att samförekomsten av kanalerna A och B inte har någon relation till sam- förekomst av Aan och C. Vi fann signifikant ökad samtidig förekomst av det tredje stället i i genomsnitt 14,1 % av trillingarna under NREM och 38,8 % under uppvaknandet (patientspecifika resultat rapporterade i SIAppendix, Tabell 4, χ2-test av proportioner, FDR- korrigerade P-värden över kanaltripletter inom patienter).

In further support that rippling is facilitated through activation across multiple sites, we found that the number of ripple co-occurrences relative to chance increased with the number of locations rippling (>2) (Fig. 2D). Ökningen var uttalad, så att det observerade antalet samtidiga förekomster i förhållande till baslinjen för 25 % av alla kanaler ökade med en faktor på ~104 under uppvaknandet och ~5 × 103 under NREM. Således verkar porlande ge upphov till mer porlande, vilket tyder på att möjlighet till självförstärkande spridning.

Kortikala krusningar samtidigt uppträder kraftigt över avstånd.

Bindning av krusningar kräver att de förekommer samtidigt över utbredda kortikala områden. Vi jämförde villkorade sannolikheter för samtidiga förekomster av kortiko-kortikalrippel (dvs sannolikheten för en krusning i en kortikal plats givet en krusning i en annan kortikal plats, som kräver större än eller lika med 25- ms överlappning) mot vit-substans strömlinjeavstånd mellan kortikala platser. Strömlinjeavstånden beräknades med hjälp av de 36 0 paketen i HCP-MMP1.0-atlasen (23), som bestämts genom probabilistisk diffusions-MRI-traktografi (24), och befolkningsmedelvärden (25).

Vi fann att sannolikheten för kortiko-kortikal krusning inte minskade med fiberkanalsavstånd under NREM (Fig. 2E, r=0.04, P=0.22, linjära blandade effekter med patienten som slumpmässig effekt) utan snarare bibehölls upp till 25-cm separation, över lober och mellan hemisfärer. Under uppvaknandet bibehölls även rippelsannolikheter över detta avståndsområde, om än med ett svagt men signifikant negativt linjärt samband (Fig. 2F, r=0 .10, P=4 × 105). Se SI Appendix, Fig. S6A och B för enskilda patienter.

Ripples i alla kortikala områden uppstår samtidigt med Hippocampal Ripples.

Det har tidigare rapporterats att krusningskoppling sker mellan parahippocampus gyrus och 16,4% av laterala temporala elektroder men endast 3,3% av rolandic (8), vilket kanske återspeglar den anatomiska placeringen av hippocampus vid spetsen av den kortikala hierarkin (26). Vi fann dock att krusningar i hippocampus uppträdde tillsammans med krusningar i alla kortikala områden med ungefär samma hastighet i både NREM och vaken.

Med myeliniseringsindexet som ett mått på positionen i kortikalhierarkin [associationsområden är mindre myeliniserade (27)], fann vi en svag men signifikant effekt under NREM men inte när vi vaknade. Under NREM var hippocampo-kortikal samtidig förekomst positivt korrelerad med myelinisering (SI) Appendix, Fig. S7; r=0.15, P=0.01), vilket indikerar att hippocampus krusningar är något mer benägna att uppträda tillsammans med krusningar i primära kortikala områden.

Cortico-Cortical och Hippocampo-Cortical Ripple Samförekomst föregår återkallelse.

. Om krusningar i olika kortikala regioner binder minneselementen, skulle det förväntas att kortikala krusningar uppträder samtidigt före återkallande, vilket kräver att dessa element samaktiveras. För att testa denna hypotes analyserade vi minnesuppgiftsdata från fem SEEG-patienter (Fig. 3A och SI-bilaga, Tabell 1 och 5). Före fördröjt cuedrecall fanns det en signifikant ökning av förekomsten av kortikala krusningar (P=1 × 1011; linjära blandade effekter med patienten som en slumpmässig effekt) med 330 % av chansen (beräknad på försöksbasis, alltså slumpen bestämdes separat för omedelbar och fördröjd återuppringning) och en ännu större ökning av kortiko-kortikal rippel-samförekomst på 758 % jämfört med slumpen (P=0.0004; Fig. 3B–E).

Vidare var förekomsten av kortikal rippel (P=0.002) och kortiko-kortikal (P=0.002) och hippocampo-kortikal (P=0.008) rippel samförekomstmoduleringar större föregångare delayedvs. omedelbart återkallande, som delade samma stimuli och svar. Slutligen förstärktes kortiko-kortikal (P=0.04) och hippocampo-kortikal (P=0.004) krusning före korrekt eller felaktigt försenat återkallande , vilket inte var fallet för kortikala (P=0.08) eller hippocampala (P=0.94) krusningar i allmänhet.

Noterbart är att försenat men inte omedelbart återkallande av parade associerade är allvarligt försämrat av skada på hippocampus (12). Dessa data demonstrerar ökad krusning mellan kortikala platser och mellan hippocampus och cortex under hippocampus-beroende hämtning av nya kombinationer av tidigare orelaterade föremål. Detta fynd stöder hypotesen att hippocampo-kortikal och kortikokortikal krusning kan bidra till återuppbyggnaden av deklarativa minnen hos människor.

Eftersom hjärnans tillstånd kan påverka återkallningsprestandan, testade vi om det fanns en skillnad i alfa (7 till 13 Hz) analytisk amplitud mellan korrekta och felaktiga svar. Vi hittade ingen signifikant skillnad i den genomsnittliga alfaanalytiska amplituden över kortikala kanaler inom ett ±1-s-fönster kring svarstider för korrektvs. felaktigt för någon av de fem patienterna med aktivitetsdata för parade associerade (P=0.24 till 0.64 och t=0.36 till 1.6, ensidigt tvåprovstest, FDR-korrigerade P-värden för flera patienter).

Cortical Ripples Phase-Lock över utbredda regioner.

Faslåsta oscillationer på utbredda platser har antagits ligga bakom integrationen ("bindning") av olika komponenter av händelser över den kortikala ytan. För varje kanalpar beräknade vi faslåsningsvärdet (PLV), ett mått på konsistensen av 70- till 100-Hz faser mellan platser, oberoende av amplitud (28), över alla deras rippelhändelser i antingen NREM eller vaken. Observera att konsistens mäts mellan olika ringar, vid varje 1- ms bin i förhållande till krusningscentrumet, inte inom krusningar.

Vi fann signifikant PLV av samtidigt förekommande krusningar mellan alla provtagna kortikala regioner, inklusive mellan hemisfärer, i båda tillstånden (Fig. 4A–C). Det fanns fler kanalpar med signifikanta PLV-moduleringar under NREM än vakna (Fig. 4C och SI Appendix, Tabell 6; post-FDR P < 0.05, randomiseringstest; icke-signifikanta resultat i SI-bilaga, Fig. S8A och B).

Ett exempel på en konsekvent fas mellan två kortikala lägen över två krusningar visas i Fig. 4A. För varje kanalpar mättes PLV vid varje latens i förhållande till mitten av deras rippel (Fig. 4B), och dessa tidsförlopp var medelvärde över alla signifikanta kanalpar (Fig. 4C). Den ökade PLV varade under hela perioden när platserna krusade och uppstod abrupt från baslinjen. PLV-tidsförloppet var anmärkningsvärt likt över kanalpar. Under sömnen hade 2 106/2 275 kortiko-kortikala kanalpar mer än 40 samtidigt förekommande krusningar, vilket krävs för en tillförlitlig PLV-uppskattning. Av dessa hade 26,3 % (554/2 106) signifikanta PLV-moduleringar.

Under uppvaknandet hade 1 939/2 275 fler än 40 samtidigt förekommande krusningar, och 13,9 % (269/1 939) av dessa hade signifikanta PLV-moduleringar (SI Appendix, Tabell 6). Liksom vad vi fann för samtidiga förekomster (SI Appendix, Fig.S3A) ), var kortiko-kortikala rippel-topp-PLV över kanalpar positivt korrelerade mellan NREM och uppvaknande (SIAppendix, Fig. S3B; r=0.20, P=4 × 1022, signifikans avr). Sammanfattningsvis visade sig avlägsna par av platser i hela cortexen ha konsekventa faser under krusningar i både NREM och vaken.

Faslåsta krusningar har ett bredare intervall av faslagsin NREM jämfört med att vakna och kan variera över nätterna.

Efter att ha visat signifikant faslåsning mellan kortikala krusningsställen, utvärderade vi fördelningen av de cirkulära medelfasvinklarna över platspar. Vi fann att under NREM hade de genomsnittliga fasvinklarna för olika kortikala platspar som hade signifikant rippelfaslåsning en ganska jämn fördelning från {{0}} till 2π radianer (Fig. 4D, längst ner till vänster). Under uppvaknandet tenderade dock rippelfaseftersläpningar över par att vara ~0 eller ~π (fig. 4D, nedre höger).

Denna skillnad var signifikant (P {{0}} × 108, χ2=29.8, df=1; med räkningar inom 0 ± π/6 eller π ± π/6 vs. utanför dessa intervall för NREM vs. vakning). Denna observation tyder på en större tendens till nollfasfördröjning under uppvaknandet. Vi tillhandahåller bevis nedan att ~0 och ~π fördröjningar är funktionellt ekvivalenta och kan bero på variabilitet i finskalig elektrodkontaktplacering i förhållande till kortikala lager. Detta kan vara relaterat till den större tendensen hos krusningar att koppla ihop med nästan noll latens under uppvaknandet (Fig. 2A).

Vi testade också om fasfördröjningar under NREM varierade över nätterna. För varje patient med flera sömnnätter (n {{0}}), jämförde vi rippelfasfördröjningarna mellan alla möjliga par sömnnätter inom kanalpar som hade signifikanta PLV-moduleringar. Vi fann att 51,8 % (1 256/2 426) av sådana par hade signifikant olika fasfördröjningar mellan nätterna (Fig. 4E; efter FDR P < 0,05, Watson–Williams test; minst 30 krusningar natt per kanalpar). Dessa skillnader i rippelfasfördröjningar mellan särskilda kortikala platser tyder på att de kan delta i olika nätverk över nätterna, vilket kan hända, till exempel, när de återaktiverar kortikala representationer associerade med olika minnen. Liknande fenomen har noterats i storskaliga kortikala modeller (29).

Ripplar Phase-Lock Robust över långa avstånd.

Eftersom deklarativa minnen karakteristiskt förenar olika element som är kodade på utbredda kortikala platser i båda hemisfärerna, måste alla neurofysiologiska processer som stöder deras kodning, konsolidering eller hämtning också fungera över dessa avstånd. Sålunda, med tanke på att kortiko-kortikala rippelco-förekomster har liten eller ingen minskning med avståndet (testade upp till 200 mm; Fig. 2E och F), antog vi att kortikokortikal rippelfaslåsning inte heller minskar med avståndet.

I själva verket fann vi att, liksom rippel-samförekomster, andelen kanalpar med signifikanta PLV-moduleringar (Fig. 4F; r=0.07, P=0.36, linjära blandade effekter med patienterna. en slumpmässig effekt) och storleken på dessa PLV-modulationer (Fig. 4G; r=0.05, P=0.67) minskade inte signifikant med mellanliggande fiberkanalavstånd under NREM. Under uppvaknandet skedde en signifikant minskning av andelen kanalpar med signifikanta PLV-moduleringar med avstånd, särskilt vid kortare avstånd (Fig. 4F; r=0.07, P=0.001), men ingen minskning i storleken av signifikanta kanalparPLV-moduleringar med avstånd (Fig. 4G; r=0.004, P=0.94). Den fysiologiska verkan som stöds av rippling kan således sträcka sig över hela kortikala ytan.

Faslåsning ökar med fler kortikala platser som försämras.

Ripples faslåste ofta över flera ställen, inklusive mellan halvklot (fig. 4H), och som beskrivits ovan fann vi att två ställen försämrade gjorde det mer sannolikt att en tredje ställe var försämrad. Dessa fynd väcker frågan om aktiveringen av utbredda rippling-nätverk underlättar större nätverkssynkronisering. Vi fann en stark positiv linjärkorrelation mellan antalet sidor som krusar och den kortiko-kortikala krusningen faslåsande toppamplituden (Fig. 4I).

Dessa resultat återfanns när ΔPLV (peak PLVminus baseline PLV) användes istället för topp PLV (ΔPLV:n {{0}}/17 patienter signifikanta under NREM, n=1/17 signifikanta under uppvaknande, post-FDR P < 0.05, betydelsen av r). För att testa om mer corippling helt enkelt berodde på större rippelamplitud, mätte vi den genomsnittliga 70- till 100-Hz analyticamplituden för koripplarna och fann att endast 2/17 patienter i NREM och 0/17 vakna patienter hade signifikanta korrelationer (post-FDR P < 0,05, signifikans av r), och de signifikanta korrelationerna var båda negativa, vilket visar att mer korippling inte berodde på större amplitud. Sammanfattningsvis främjar samförekomsten av krusningar ytterligare samtidig förekomst, vilket förbättrar faslåsningen.

Kortiko-kortikala coripples har konsekventa fasfördröjningar över på varandra följande cykler.

Vi antog att ett platspar effektivt skulle vara "faslåst" över successiva rippelcykler eftersom rippeloscillationsfrekvensen på ~90 Hz är så lik över rippel och platser. För varje rippel från varje kortiko-kortikalt kanalpar beräknade vi PLV ​​över eftersläpningen mellan de två pulserna med hjälp av deras fem toppar närmast rippeltidscentrumet och fann signifikant faslåsning inom rippel för 98,3 % av de 807 213 krusningar under NREM och 98,0 % av de 1 348 696 krusningarna under uppvaknandet (P < 0,05; randomiseringstest, n=1,000 slumpmässiga fasfördröjningar, FDR-korrigering över krusningar). Sålunda är faslåsning inom rippelfas närvarande i nästan alla kortiko-kortikala coripples.

Hippocampo-kortikala par sällan, om någonsin, faslås.

Kortiko-kortikal faslåsning kan drivas genom ett nätverk av kopplade kortikala oscillatorer, en central drivmekanism eller en kombination. Eftersom hippocampus krusningar starkt förekommer tillsammans med kortikala krusningar (Fig. 2B), undersökte vi om hippocampus driver faslåsning av krusningar i cortex genom att testa om det finns faslåsning mellan hippocampo-kortikala coripples.

För hippocampo-kortikala par under sömn hade 277/461 fler än 40 samtidiga krusningar, och 1,4 % (4/277) av dessa hade signifikanta PLV-moduleringar. Under uppvaknandet hade 333/461 av hippocampo-kortikala kanalparen mer än 40 samtidigt förekommande krusningar, och 0,3% (1/333) av dessa hade en signifikant PLV-modulering (SI bilaga, fig. S8C-F och tabell S6).

Undersökning av elektrodbanor antydde att hippocampuskontakterna med signifikanta PLVs med kortikala platser troligen var belägna i subicular komplexet snarare än hippocampus egentliga, i överensstämmelse med fyndet hos möss som ripple propagation från hippocampus till retrosplenial cortex via subiculum (10). Det är således osannolikt att kortiko-kortikal rippel faslåsning drivs av vanliga insignaler från en hippocampus rippel, vilket stöder hypotesen att kortiko-kortikal rippel faslåsning drivs intrakortikalt.

Kortikala krusningar är förknippade med ökad och fasmodulerad en-enhetsavfyring.

För att krusningar ska ha en roll i kommunikationen och integrationen av information mellan avlägsna kortikala platser krävs att neuronala aktionspotentialer samordnar med krusningsförekomst och fas. Vi analyserade mikroarrayinspelningar från mänskliga laterala temporala cortex granulära/supragranulära lager i tre patienter (SI Appendix, Tabell 7) under NREM för att testa om krusningar modulerar lokal spikning med en enda enhet.

Vi upptäckte spikar och sorterade dem i förmodade pyramidala (PY) och interneuron (IN) enheter baserat på vågformsformer och spiktimingsegenskaper enligt tidigare etablerade metoder (30) och verifierade att enheterna hade stora toppsignal-till-noiseratios (PY: 9,1 ± 3,4; IN: 5,2 ± 2,9), hade minimala spikintervall som var<3 ms (PY: 0.2 ± 0.3%; IN: 0.3 ± 0.6%; low percentages indicate minimal contamination by other units), and were well-isolated from one another based on the projection test (31) (PY: 95.4 ± 86.0 SD; IN: 82.8 ± 83.4 SD). 

Vi upptäckte också krusningar som registrerats av arrayens mikrokontakter med den genomsnittliga spikvågformen för varje enhet subtraherad vid tidpunkterna för spikarna på enhetens kanal för att förhindra enhetsspikkontamination av LFP. Vi fann att kortikala krusningar var förknippade med ökad avfyring med en enda enhet (Fig. 5A och B). PY hade en ökning med 255 % och IN hade en ökning med 297 % i topphastigheter under krusningar jämfört med baslinjen (slumpmässigt valda epoker mellan krusningar som matchades i antal och varaktighet till krusningarna).

Vidare var enhetsavfyrning starkt fasmodulerad av krusningarna (fig. 5A), med 49 % (32/66) av PY och 71 % (24/34) av IN med signifikant 70- till 100- Hz-fasmodulationer under lokala rippel (fig. 5C; post-FDR P < 0.05, binomialtest mellan faser inom0 ± π/2 vs. π ± π/2, förväntat värde {{ 17}}.5, minst 30 spikesper-enheter över krusningar).

Eftersom enhetsspikning är kopplad till den lokala krusningsfasen och eftersom krusningsfaser synkroniseras på långa avstånd, tyder dessa data på att krusningar koordinerar enhetens spiktiming mellan breda separationer i cortex, vilket skulle kunna möjliggöra fasval, koincidensdetektering, återinträdesbearbetning och spike- tidsberoende plasticitet. Dessa grundläggande neurofysiologiska processer skulle påverka det kooperativa urvalet av cellsammansättningar mellan kortikala områden, essensen av bindning.

Corippling ökar förmodad enhetsaktivitetskorrelation mellan avlägsna kortikala platser.

Våra upptäckter att krusningar ofta är faslåsta över avlägsna platser och att enhetsskjutning är faslåst till lokala krusningar tillsammans antyder att enhetsskjutning också är korrelerad över avlägsna platser. Vi kunde inte testa detta direkt eftersom vi inte utförde mikroelektrodinspelningar av enheter på flera platser åtskilda med mer än ~5 mm.

Rather, as an indirect test, we used >200-Hz analytisk amplitud från SEEG-inspelningar som en proxy för enhetsavfyrning (32). Under uppvaknande, men inte NREM, var detta mått signifikant mer korrelerad när kortikala platser var porlande jämfört med när de inte var det (Fig. 5D, P=8 × 10303, tvåsidigt parat t-test). Korrelationen mellan porlande platser minskade inte signifikant inom ökande avstånd mellan platserna (Fig. 5E).

Som beskrivits ovan, fördröjer rippelfas mellan kanalerna att vara nära 0 eller π, särskilt under uppvaknande. Detta kan indikera att korippling ibland representerar ett tillstånd av hämmad kommunikation, eller helt enkelt att våra bipolära SEEG-avledningar hade varierande relationer till lokala rippelgenererande dipoler. Faktum är att den 3-mm bipolära SEEG-kontaktseparationen är tillräckligt stor för att spela in från flera rippeldipoler med olika orienteringar. Hos råttor upptar krusningsgeneratorer ~1 mm2 av kortikal yta (5), och cellulära generatorer är placerade i flera lager åtskilda med ~1 mm (10).

För att testa dessa hypoteser jämförde vi korrelationerna för de analytiska amplituderna för {{0}}Hz högpasserade signaler mellan webbplatser, när webbplatserna hade fasfördröjningar på 0 ± π/6 vs. π ± π/6 (medelvärde inom dessa intervall för varje kanalpar). Ingen signifikant skillnad hittades för NREM eller uppvaknande (NREM: P=0.07; vakning:P=0.17; tvåsidigt parat t-test, n=2, 275 kanalpar) , vilket antyder att fördröjningarna nära 0 och π är funktionellt ekvivalenta, vilket skulle förväntas om de beror på små skillnader i elektrodplacering i förhållande till kortikala lamina.

For more information:1950477648nn@gmail.com