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NATURE COMMUNICATIONS脑电研究:工作记忆期间大脑慢速震荡对区域间皮层交流的动态调节
发布者:admin 发布时间:2019/11/29

 

工作记忆在大脑中是通过分布式的额顶叶认知控制网络来实现的,但在这个网络中控制相互作用的神经机制尚未清晰。来自德国慕尼黑大学心理学系的B. Berger等人在NATURE COMMUNICATIONS发表了相关文章。

研究者展示了在工作记忆任务中,大脑使用一种振荡机制来调节前额叶认知资源的获取,从而动态控制前额皮质与远端皮层的相互作用结合脑电图与非侵入性脑刺激表明,后脑的快速节律性活动嵌套在前额慢波中根据认知需求,这种高频活动被嵌套在慢波的不同阶段,从而根据认知力调整的额顶叶控制网络能够动态耦合和去耦合

 

研究背景

有关工作记忆(WM,Working Memory信息处理过程在大脑中常由背外侧前额叶皮层、前扣带皮层和后顶叶皮层的神经活动依赖于前扣带皮层和后顶叶皮层之间的相互作用形成的控制认知网络来完成。但在需要高度认知控制情况下,后脑区域动态获取前额叶资源的确切神经机制仍然未知。认知资源的分配常与内侧前额叶皮层(PFC, prefrontal cortex,)4-8Hz频率范围内的脑电的节律性波动有关。Theta振荡可以促进神经元的快速振荡活动,而快速的脑振荡更可能发生在兴奋期而不是抑制期。WM过程与增加负荷和认知需求下FM-theta(FM, frontal-midline,额叶中线)活动的增加有关。

 

研究假设

FM-theta活动和相关的兴奋性相位波动代表了额顶叶控制网络中的一种高效的控制机制,允许或阻止对符合认知负荷的前额叶认知资源的获取。FM-theta与远端皮层区域高频神经元活动的关系表明在认知区域内同时发生神经元活动的可能性控制网络,而且该网络的强耦合或去耦合依赖于认知需求。

 

方法

实验1 视觉空间WM任务

被试

被试:25名,其中,16名男性,9名女性;22名右利手,3名左利手。

实验设计

被试在光线昏暗的房间里进行视觉空间延迟匹配样本任务(见图1a)。刺激材料被呈现在LCD显示器上。

在每个试次开始时,在负荷1和负荷4两种情况下分别呈现500ms 6×6小方块矩阵,负荷1包含一个彩色方块,负荷 4包含了四个彩色方块。如果方块以绿色显示,被试必须在2000ms记忆中保持方块的位置(保留条件)。如果方块被显示为红色,被试必须将方块的位置反映在矩阵垂直间隙周围的位置,并将新位置保存在记忆中(操作条件)经过2000ms的刺激后,根据出现的彩色小方块数目,相应的呈现一个(负荷 1)或者四个(负荷 4)灰色标记小方块的探测矩阵,时间为2000ms。被试通过按键来指示保留条件下和操作条件下的位置是否与探测矩阵中的小方块匹配。在1500 - 2000ms的实验间隔期间中呈现注视点。四种条件为:操作负荷1 (ManL1)、操作负荷4 (ManL4)、保留负荷1 (RetL1)、保留负荷4 (RetL4)每种条件70trail。其中,一半的试次是匹配的,另一半是不匹配的。不同任务的试次按随机顺序进行,红色和绿色方块的亮度相等。

行为数据符合正态分布,采用双因素重复测量方差分析进行统计分析,双因素分别为条件(保留 vs 操作)和负荷(负荷1 vs 负荷4),WM平均正确率为因变量,使用FDR进行事后检验校正。

 

1 a:实验范式

b:行为结果

c:FM-theta幅值以及相应地形图

 

EEG数据采集

根据国际10-10系统记录了60个头皮电极信号。为了控制垂直眼动和水平眼动,两个电极被放置在右眼上方和旁边。另外两个电极分别安装在左耳垂和右耳垂上,以便重参考。EEG信号的频率为0.016Hz-80Hz,采样率为1000Hz。凹陷滤波器设定在50 Hz,阻抗低于20KΩ. 

 

EEG数据分析

EEG数据采用BrainVision Analyzer Matlab进行分析。采用SPSSJASPMatlab软件进行统计分析。用双侧乳突进行重参考,使用BrainVision Analyzer 2.0进行1Hz的高通滤波,使用ICA进行眼动校正,以消除眨眼和眼球运动。然后手工检查数据并校正。最后进行拉普拉斯变化得到源电流密度(CSD)来排除共同源影响。数据分段为3100ms(600 ms基线周期、500 ms编码矩阵和2000 ms延迟周期)2000ms延迟周期被分为4个时间窗(时间1:500-1000 ms,时间2:1000-1500 ms,时间3:1500-2000 ms,时间4:2000-2500 ms) 

 

事件相关幅度(ERA)分析:

将单个试次进行小波滤波对低频(1 - 30 Hz)和高频(30-70 Hz)的数据分别进行滤波,滤波分别为1Hz10 Hz。然后,对每个条件和ERA计算过滤试次估计值的平均值。ERA定义为相对于基线期的增减百分比([活动期-基线期]/基线期×100)提取编码矩阵之前的基线周期,低频为-500ms-200ms,高频为-300-200毫秒。从延迟间隔估计的振幅然后平均到四个时间窗。在AFz电极上(与相邻电极相比,AFz位点具有最强的同步性)对4 - 7 Hz频带ERA进行了三因素方差分析条件(保留、操作)、负载(负载1、负载4)和时间窗(时间1、时间2、时间3、时间4)数据呈正态分布。

 

 FM-theta相位对Gamma振幅调制

在每个单独的试次和实验条件下,估计了AFz电极的theta频率(5Hz)的单试次相位值和60个电极点gamma频段频率(30Hz,40Hz,50Hz,60Hz70Hz)的单次试次振幅值。根据AFz瞬时相位角对30Hz40Hz50Hz60Hz70 HzZ变换的振幅值进行排序,并取平均值放入10FM-Theta相位箱(phase bins)。进行五因素重复测量方差分析

频率(30 Hz40 Hz50 Hz60 Hz70 Hz)

时间(时间1,时间2, 时间3, 时间4)条件(保留,操作)

负荷(负荷1,负荷4)

FM-Theta相位(10个相位箱)以幅值为因变量

通过FM-theta相位显示gamma振幅调制的三个电极簇:额叶(FP1F7FC5FC1FCzFC2)左侧颞顶叶(C3CP1CP3CP5 T7TP7P7P5)右侧颞顶叶(C6CP6TP8P2P3P6)

 

 Theta相位和Gamma振幅相互关系

为了进一步评估gamma振幅是否被FM-theta相位调制每个被试的FM-theta相位排序的gamma振幅在三个电极簇上分别取平均值,然后与一个theta余弦波模板做交叉相关如果后波振幅没有被FM-theta相位调制,那么相位系数接近于零。而通过FM-theta相位调制的振幅会产生一个不同的交叉相关图。将互相关方法分别应用于每个被试。用交叉相关图的绝对最大值作为测量的gamma振幅被FM-theta相位调制的指标然后,在每个被试的单次试次中,对电极簇的FM-theta相位和gamma振幅进行一次位移,在移位数据中,FM-thetagamma振幅之间不应该有很强的关联。对移位数据重复使用互相关方法然后将交叉相关图的绝对极大值与真实数据进行Fisher-Z变换后的绝对极大值进行统计比较 

 

结果

正确率在两种不同因素下(保留/操作,负荷1/负荷4),保留条件下平均正确率比操作条件下平均正确率更高,负荷1平均正确率比负荷4平均正确率更高,同时方差分析显示条件和负荷的主效应均显著,且交互作用显著事后检验显示(经过FDR校正):在负荷1中,保留条件下和操作条件下没有显著差异,而在负荷4中,操作条件的平均正确率下降了11.8%(图1b)。该结果表明,认知需求从保留负荷1增加到操作负荷4,在两种负荷1条件下可能存在正确率的天花板效应。 

 

FM-theta事件相关振幅增加

重复测量方差分析中:与两个简单的任务(保持负荷1和操作负荷1)相比,两个更高要求的任务(保留负载4和操作负载4)显著引起了更强的FM-theta活动。由此得出FM-theta的活动是由对中央执行的需求增加引起的。

 

 FM-theta相位与gamma振幅耦合

右颞顶叶簇的FM-theta相位的gamma振幅调制强于移位数据(FDR校正)。与最大右颞顶叶gamma振幅相关的FM-theta相位在不同的条件下存在显著差异:随着任务难度的增加,波谷处相位与gamma振幅耦合(2a)重复测量方差分析显示:负荷、条件和FM-theta之间存在显著的交互作用。在最简单任务情况下(保留负荷1),右侧颞顶gamma脉冲在FM-theta周期的峰值之前嵌套,而在最复杂任务情况下(操作负荷4),该高频活动脉冲在FM-theta周期的波谷之前发生。因此,任务所需要的认知控制量决定了FM-theta所处的相位,该相位锁定了远处右侧gamma振幅。对事件相关振幅增加的因素(负荷和条件)进行双因素方差分析,主效应或相互作用不显著,表明任务间的gamma振幅总体上没有差异。

 

2a:FM-theta锁相时右颞顶gamma振幅 b:右颞顶三次TMS脉冲对操作负荷4任务正确率的影响

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实验2

被试

被试:10人,6名女性,4名男性;9名右利手,1名左利手。 

 

实验设计

与实验1相似,但实验2只需要进行操作负荷4条件210个试次 

 

EEG数据采集

使用TMS(经颅磁刺激)兼容电极帽,根据扩展的10-10系统从30个头皮位置记录EEG数据。频带范围为0.016Hz80hz,采样率为 1000Hz。在记录过程中,使用鼻尖为参考点,并将接地电极置于FPz电极位置。记录水平和垂直眼电。TMS:使用MagStim Rapid2 TMS刺激器。在TMS试次中,一个50Hz的三脉冲,达到个体静息运动阈值的80%,传递到右顶叶皮层。刺激点为EEGCP6电极。平均刺激强度为43.7 %最大刺激器输出。三脉冲均在延迟期内传递,其发生时间在各试验之间是随机的。在实验过程中记录EEG 

 

EEG数据分析

按实验1进行预处理。数据分段:TMS三次脉冲开始前1000msTMS三脉冲开始时结束。滤波:4 Hz~ 7Hz之间对电极位置的AFz段进行滤波,得到瞬时相位。EEG相位:根据三次脉冲前采集的91ms的值估计TMS开始时的EEG相位。将试次分为10FM-theta相位箱并计算相位箱的正确率。比较10FM-theta相位箱的WM正确率,进行单因素重复测量方差分析。


结果

刺激开始时,基于FM-theta相位的TMS对任务表现有显著的调节作用。在FM-theta峰值期,右颞顶叶TMS对任务表现几乎没有影响,但在FM-theta波谷前进行TMS,右后侧TMS会导致任务表现下降到接近随机水平(图2b)。这直接表明与任务相关的右颞顶神经活动是脉冲性的,并与FM-theta波同步,FM-theta波谷代表额叶认知处理最活跃的阶段,并能够访问与执行任务相关的远处脑区,而波峰则可能是将额叶资源从远处分离出来的阶段。


实验3 控制对照实验

被试

实验3a:10名健康被试(5名女性)。实验3b:11名健康被试(7名女性)。所有被试均为右利手。 实验设计实验3a和实验3b采用与实验2相似的实验设计。实验3a的区别在于:在一个与任务无关的控制点(顶点)上进行了刺激,确定FM-theta相位相关的影响是由于非特异性的TMS效应还是由于顶颞刺激本身引起对照组3b:为确认一个项目的记忆保留是否也会被TMS破坏。因此,被试只进行实验1中最简单的任务(保留负荷1)。每个实验由280个试次组成。

 

 EEG数据采集

同实验二。TMS:TMS试次中,在个体静息运动阈值的80%处发出50Hz的三次脉冲。实验3a三次脉冲送至顶点(刺激部位为Cz;平均刺激强度为43.0 %最大刺激器输出)。在实验3b中,三脉冲被传递到右侧顶叶皮层(刺激部位为CP6;平均刺激强度为41.8%最大刺激器输出)。三脉冲均在延迟期内传递,其发生时间在各试验之间是随机的。在实验过程中记录EEG 

 

EEG数据分析     

与实验2类似。数据预处理、数据分段、数据滤波、EEG相位均与实验2类似。最后将试次分为10FM-theta(36°一个,共10)相位箱,计算每个相位箱的正确率。比较10FM-theta相位箱的WM正确率,进行单因素重复测量方差分析。 

 

结果

研究者结合EEGTMS联合实验的结果特异性进行了对照实验。对照试验3a与实验2相同,比较10FM-theta相位箱(如实验2所示)中WM正确率进行重复测量方差分析,没有发现显著差异(p=.161,参见补充图2a)。因此,TMSWMFM-theta相位依赖性干扰似乎是右颞顶叶刺激部位特有的在实验1中,保留负荷1条件下,右后顶叶gamma活动嵌套在FM-theta峰内;而操作负荷4条件下,右后顶叶gamma波锁定在FM-theta波谷内。因此,实验2中所描述的在FM-theta波谷处传递后顶叶TMS脉冲时任务执行中断的影响,应该是操作条件4所特有的。在实验3b中,右顶叶TMS的正确率与瞬时FM-theta相位无关(p=.513参见补充图2b)。这表明在FM-theta波谷处的相位特异性干扰并不是一种非特异性效应,而是针对最困难的实验条件,来部署额叶资源

 

补充图2:实验3a3b正确率

 

实验4被试内比较

被试

13名健康被试。 

 

实验设计     

本实验采用与实验2相似的实验设计。该实验设计为被试内TMS刺激设计。实验共有两个sessionSession1中,被试接受与实验2完全相同的右侧顶叶皮层(电极位置CP6TMSSession2中,在对照部位:右侧额叶皮层(电极位置FC6)进行TMS,该被试内的实验设计可以直接比较在CP6FC6TMS

 

 EEG数据采集:

同实验2       

TMS:TMS试次中,在个体静息运动阈值的80%处发出50Hz的三次脉冲。右侧顶叶TMS时,三脉冲在EEG电极位置CP6 40.3%最大刺激器输出。而对于右额部的TMS,三脉冲在EEG电极位置FC637.3%最大刺激器输出。三脉冲均在延迟期内传递,其发生时间在各试验之间是随机的。在实验过程中记录EEG

 

 EEG数据分析

数据预处理、数据分段、数据滤波、EEG相位均与实验2类似。将试次分为10FM-theta相箱,计算每个相箱的正确率。TMS位点(CP6 vs FC6)FM-theta相位箱的WM正确率进行双因素重复测量方差分析。同时为了测量实验4能够重复有实验2和实验3的结果,对FM-thetaTMS位点(CP6FC6)分别进行单因素重复测量方差分析。最后,将实验2的数据集和实验4CP6刺激实验数据集合并为一个样本对FM-theta进行单因素重复测量方差分析。

 

结果

双因素方差分析,结果表明刺激部位与FM-theta相位之间有显著交互作用,事后检验显示:FM-theta波谷前(即第四个相位箱和第五个相位箱处),TMSCP6(右侧顶叶皮层)的正确率显著比FC6(右侧额叶皮层)更低FM-theta波谷前的相位箱外,其他相位箱在TMS位点之间没有显著差异(如补充图3所示)。单因素重复测量方差分析显示,实验4与实验2CP6TMS有相同结果(FM-theta峰值期,右颞顶叶TMS对任务表现几乎没有影响,但在FM-theta波谷前进行TMS,右后侧TMS会导致任务表现下降到接近随机水平)。在控制条件下,FC6TMS对任务表现没有显著影响。将实验2的数据和实验4CP6TMS数据进行整理并进行单因素方差分析,结果表明FM-theta相位的主效应显著p=.003,见补充图3b)。

补充图3 a:实验4正确率 

b:实验2和实验4合并数据的正确率

 

总结

FM-theta在很大程度上起到了守门人的作用,通过嵌套频率之间相位耦合的改变,而对前额叶和颞顶叶区域之间的相互作用进行动态调节,这是一种高效的认知资源分配和获取的控制机制。局部神经活动是由大脑慢震荡调节的。
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