Parti 1: Dinamika Indipendenti Ta 'Attivitajiet Spettrali EEG Intrakranjali ta' Frekwenza Baxxa, Intermedja u Għolja Waqt il-Formazzjoni tal-Memorja Umana
Mar 18, 2022
Kuntatt: 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,∗
Skola tal-Gradwati tax-Xjenzi Bijomediċi, Mayo Clinic, l-Istati Uniti
bDipartiment tal-Inġinerija Elettrika u tal-Kompjuter, Università ta’ Illinois, Urbana-Champaign, IL, USA
c Dipartiment tas-Sistemi Multimedjali, Fakultà tal-Elettroniċi, Telekomunikazzjonijiet u Informatika, Ċentru BioTechMed, Università tat-Teknoloġija ta’ Gdansk, Gdansk, Polonja d Istitut Nencki tal-Bijoloġija Sperimentali, Akkademja tax-Xjenzi Pollakka, Varsavja, Polonja
dipartiment tan-Nuroloġija, Mayo Clinic, Rochester, MN, USA
dipartiment tal-Inġinerija tal-Kompjuter, Iowa State University, Ames, Iowa, USA
g L-Akkademja tax-Xjenzi Ċeka, Istitut ta' Strumenti Xjentifiċi, Brno, ir-Repubblika Ċeka
h Robotika, u Ċibernetika, Istitut Ċek tal-Informatika, Università Teknika Ċeka fi Praga, Praga, Repubblika Ċeka
dipartiment tal-Fiżjoloġija u l-Inġinerija Bijomedika, Mayo Clinic, l-Istati Uniti
Cistanche jista 'jtejjeb il-memorja
a b s t r a c t
Spettru wiesa 'ta' ritmi tal-moħħ huwa involut fil-kortiċi tal-bniedem fil-funzjonijiet konjittivi. Kif ir-ritmi ta 'firxiet ta' frekwenza varji huma kkoordinati madwar l-ispazju tal-kortiċi tal-bniedem u l-ħin ta 'memorjal-ipproċessar huwa inkonklussiv. Jistgħu jew jiġu kkoordinati flimkien madwar l-ispettru tal-frekwenza fl-istess sit u ħin kortikali jew indotti b'mod indipendenti f'meded partikolari. Aħna użajna sett ta 'dejta kbir ta' elettroenċefalografija intrakranjali tal-bniedem (EEG) biex inqisu d-dinamika spazjotemporali ta 'attivitajiet spettrali indotti matul il-formazzjoni ta' memorji verbali. Kodifikazzjoni ta 'kliem għal recall ħieles sussegwenti attivat theta ta' frekwenza baxxa, frekwenza intermedja alfa u beta, u qawwa gamma ta 'frekwenza għolja f'mudell ta' mużajk ta 'siti kortikali diskreti. Maġġoranza tas-siti kortikali rreġistraw attività f'waħda biss minn dawn il-frekwenzi, ħlief għall-kortiċi viżwali fejn il-qawwa spettrali ġiet indotta fuq meded multipli. Kull medda ta 'frekwenza wriet dinamika karatteristika tal-qawwa indotta speċifika għaż-żona kortikali u l-emisfera. Il-qawwa tal-attivitajiet ta’ frekwenza baxxa, intermedja u għolja mxerrda f’sekwenzi indipendenti tul iż-żoni kortikali viżwali, temporali u prefrontali matul il-fażijiet sussegwenti ta’memorjakodifikazzjoni. Ir-riżultati tagħna jipprovdu mudell olistiku u simplifikat tal-attivitajiet spettrali involuti fil-formazzjoni tal-bniedemmemorja, li jissuġġerixxi mużajk distribwit anatomikament u temporalment ta 'ritmi koordinati tal-moħħ.
1. Introduzzjoni
Ir-ritmi tal-moħħ huma maħsuba li jappoġġawmemorjau funzjonijiet konjittivi billi tikkoordina attivitajiet ta 'newroni konnessi f'interazzjonijiet sinkroniċi (Singer, 1999; Buzsaki, 2006; Fries, 2015; Klimesch, 1996; Fell u Axmacher, 2011). L-ispettru ta’ attivitajiet ritmiċi involuti f’dawn l-interazzjonijiet jinkludi t-theta (3–9 Hz) u l-gamma
(30–120 Hz) meded ta’ frekwenza bi rwoli speċifiċi proposti għall-attivitajiet ta’ frekwenza baxxa u għolja fil-memorjaipproċessar (Düzel et al., 2010; Sauseng et al., 2010; Fries et al., 2007; Tallon-Baudry and Bertrand, 1999; Nyhus and Curran, 2010; Lisman and Jensen, 2013; Herweg et al., 2020) . Il-meded ta' frekwenza intermedja alfa (9–12 Hz) u beta (12–25 Hz) kienu assoċjati wkoll ma' proċessi meħtieġa għall-funzjonijiet tal-memorja (Klimesch et al., 2007; Hanslmayr et al., 2011; Spitzer and Haegens 2017; Schmidt et al., 2007; al., 2019; Michalareas et al.,2016). Kif dawn ir-ritmi varji qed joperaw flimkien fil-funzjoni fuq skala ta' żmien definita, li jinvolvu biss subsett tal-attivitajiet spettrali f'firxa ta' frekwenza partikolari. Pereżempju, ir-ritmi theta biss ikunu mdaħħla f'sit partikolari. Iż-żewġ xenarji jaqblu li l-attivitajiet tal-moħħ f'meded ta' frekwenza definiti jistgħu jiġu kunċettwali bħala "marki tas-swaba' spettrali" li jservu ta' proċessi perċettivi jew konjittivi speċifiċi fuq skala temporali korrispondenti ta' interazzjonijiet newrali (Siegel et al., 2012; Hanslmayr u Staudigl, 2014) . Is-soluzzjoni tad-dinamika ta 'dawn il-marki tas-swaba' spettrali b'mod preċiż fl-ispazju u l-ħin anatomiċi hija kritika biex jiġu ttestjati dawn l-ipoteżijiet u jiġi pprovdut mudell olistiku tal-attivitajiet newrali involuti waqt kompiti konjittivi.
Ir-reġistrazzjonijiet elettroenċefalografiċi intrakranjali (EEG) jippreżentaw opportunità unika biex jiġu sondati b'riżoluzzjoni għolja l-iskala kbira ta 'attivitajiet newrali involuti waqt funzjonijiet konjittivi u oħrajn tal-moħħ f'żoni diskreti tal-kortiċi tal-bniedem (Lhatoo et al., 2019; Johnson et al., 2020; Jacobs u Kahana 2010; Engel et al., 2005). Is-sinjali tal-EEG jittieħdu kampjuni minn kuntatti tal-elettrodi impjantati jew direttament fuq il-wiċċ tan-neocortex jew fis-saffi aktar profondi u l-istrutturi subkortikali tiegħu. Għalhekk, attivitajiet spettrali ġġenerati minn popolazzjonijiet newrali lokali u rreġistrati minn kuntatti separati multipli jistgħu jiġu ssorveljati f'żoni kortikali diskreti matul il-ħin ta 'memorjaipproċessar. Studji preċedenti iEEG użaw b'mod komuni l-qawwa spettrali indotta f'meded ta' frekwenza gamma għolja (60–120 Hz) biex isegwu l-ipproċessar kortikali fimemorjau kompiti konjittivi (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) u alpha (Staresina et al., 2016) kienu wkoll investigati qabel. Attivitajiet oxxillatorji fil-frekwenzi theta u alfa intwerew li jinfirxu bħala mewġ lokali, indipendenti, li jivvjaġġa f'żoni kortikali diskreti matulmemorjaipproċessar (Zhang et al., 2018), iżda d-dinamika spazjotemporali relattiva ta 'dawn l-oxxillazzjonijiet ta' frekwenza baxxa u l-attivitajiet beta u gamma aktar mgħaġġla matul l-ipproċessar tal-memorja jibqgħu fil-biċċa l-kbira mhux esplorati.
Hawnhekk, ħadna vantaġġ minn dataset kbir ta 'iEEG ta' 164 parteċipant li jikkodifikaw listi ta 'kliem għal recall verbali b'xejn sussegwenti. Studji preċedenti b'dan il-kompitu żvelaw netwerk imqassam ta' reġjuni tal-moħħ assoċjati mal-ipproċessar sensorju u ma' dikjarazzjoni ta' ordni ogħla.memorjafunzjonijiet (Burke et al., 2013; Burke et al., 2014a; Kucewicz et al., 2019). Il-qawwa gamma għolja indotta ġiet osservata l-ewwel fiż-żoni viżwali tal-kortiċi oċċipitotemporali u mbagħad f'żoni aktar anterjuri tal-kortiċi prefrontali, ispirat mudell f'żewġ stadji ta 'memorjakodifikazzjoni bi stadju sensorju bikri u stadju ta 'assoċjazzjoni tard (Burke et al., 2014a).
Sekwenza simili ta 'ordni posterjuri għal ta' quddiem ta 'qawwa indotta kienet ukoll osservata fil-medda ta' frekwenza theta (Burke et al., 2013) u kkonfermata f'attivitajiet lil hinn mill-firxa ta 'frekwenza gamma (Kucewicz et al., 2014). L-istudju reċenti tagħna sab is-sekwenza tal-qawwa gamma għolja indotta matulmemorjakodifikazzjoni tkun kontinwa b'latenzi dejjem jiżdiedu tul ġerarkija ta 'żoni ta' assoċjazzjoni gradwalment ogħla (Kucewicz et al., 2019), li tilħaq il-qofol tagħha fil-kortiċi prefrontali anterjuri tard f'kodifikazzjoni tal-kliem. L-istudji preċedenti tal-iEEG tal-ipproċessar tal-memorja verbali kienu jew limitati għal settijiet ta 'dejta iżgħar ta' reġistrazzjonijiet tal-parteċipanti b'kopertura skarsa tal-elettrodi tan-neocortex jew iffokaw biss fuq meded ta 'frekwenza magħżula. Għalhekk, il-qawwa spettrali f'diversi meded jew tkun medja spazjalment fuq siti multipli ta 'elettrodi ta' reġjuni kortikali akbar, u b'hekk titlef ir-riżoluzzjoni u l-granularità ta 'siti individwali, jew ma tkunx studjata madwar l-attivitajiet tal-moħħ theta, alpha, u beta u gamma.
Minħabba l-ambitu wiesa 'ta' l-ispettru tal-frekwenza u ż-żoni tal-moħħ analizzati kollettivament fl-istudji preċedenti, ipotizzajna li attivitajiet spettrali speċifiċi huma indotti f'mudell granulari ta 'kortikali diskreti.
postijiet. Għalhekk, l-attività aggregata minn diversi postijiet tagħti lok għal inklinazzjoni tal-broadband fil-qawwa fuq l-ispettru kollu (Kilner et al., 2005), li jista 'jkun magħmul minn "marki tas-swaba' spettrali" multipli, speċifiċi (Fellner et al., 2019) . Il-lokalizzazzjoni eżatta ta 'marki tas-swaba' differenti jew tkun komuni għall-istess siti kortikali ta 'reġistrazzjoni ta' l-elettrodi jew tkun imqassma f'mużajk ta 'siti anatomiċi distinti. Bl-istess mod, f’termini ta’ ħin, l-attivitajiet spettrali ta’ frekwenza baxxa, intermedja u għolja jkunu indotti f’ħinijiet differenti ta’memorjakodifikazzjoni jew kollha fl-istess ħin. Minbarra l-attivitajiet theta u gamma, ritmi alfa u beta kienu mistennija li jiġu indotti f’siti kortikali distinti u ħinijiet ta’memorjakodifikazzjoni. B'mod ġenerali, ittestjajna għal dinamika spazjotemporali indipendenti tal-attivitajiet spettrali indotti matul il-formazzjoni tal-verbali tal-bniedem.memorjatraċċi. L-għan tagħna kien li nipprovdu mudell olistiku ta 'ritmi tal-moħħ involuti fuq firxa wiesgħa ta' frekwenzi, anatomija kortikali, u fażijiet ta 'kodifikazzjoni tal-memorja.
2. Materjali u metodi
2.1. Suġġetti
Is-sett tad-dejta tar-reġistrazzjonijiet tal-EEG minn total ta’ 164 parteċipant li kienu qed jagħmlu evalwazzjoni kirurġika tal-epilessija reżistenti għall-mediċina ttieħed minn studju kollaborattiv kbir multiċentriku (id-dejta kollha de-identifikata hija disponibbli fuq http://memory.psych.upenn.edu/Electrophysiological{ {3}}Data).
Ir-reġistrazzjonijiet inġabru miċ-ċentri li ġejjin: Mayo Clinic, Thomas Jefferson University Hospital, Sptar tal-Università ta 'Pennsylvania, Dartmouth-Hitchcock Medical Center, Emory University Hospital, University of Texas Southwestern Medical Center, u Columbia University Hospital. Protokoll ta’ riċerka komuni wieħed ġie approvat mill-Bord ta’ Reviżjoni Istituzzjonali rispettiv f’kull ċentru, u nkiseb kunsens infurmat minn kull parteċipant. Għall-139 pazjent inklużi fl-analiżi finali, l-informazzjoni dwar in-numru ta' provi tal-kliem kompluti u ż-żona tal-bidu tal-aċċessjonijiet huma mqassra fis-Suppl. Tabella 1. Il-bidu tal-attakk kien lokalizzat fl-emisferu tal-lemin f'46 pazjent, l-emisferu tax-xellug f'55, bilateralment f'26, u mhux determinat fi 12. Informazzjoni demografika bħall-età u s-sess kienet disponibbli biss għal 85 pazjent (età medja 35.6 sena b'devjazzjoni standard 11.6 snin, 43 Female sa 42 Male, Suppl. Tabella 1) minħabba aċċess limitat għall-informazzjoni sensittiva dwar il-kura tas-saħħa minn ċentri kliniċi multipli li ġabru s-sett tad-dejta aggregat. Ir-reġistrazzjonijiet elettrofiżjoloġiċi nġabru minn elettrodi subdurali u tal-fond kliniċi standard (AdTech Inc., PMT Inc.) impjantati fuq il-wiċċ kortikali u fil-parenkima tal-moħħ, rispettivament. Il-kuntatti ta 'l-elettrodu subdurali ġew irranġati jew fi grilja jew konfigurazzjoni ta' strixxa b'separazzjoni ta '10 mm, u l-kuntatti ta' l-elettrodu tal-fond ġew separati b'5 sa 10 mm. It-tqegħid ta 'elettrodi ġie ddeterminat minn tim kliniku biex jiġu lokalizzati fokusi ta' aċċessjoni għal kirurġija rispettiva ta 'epilessija possibbli jew impjantazzjoni ta' apparat għal stimulazzjoni elettrika tal-moħħ terapewtika.
2.2. Lokalizzazzjoni anatomika u mapping tal-wiċċ tal-moħħ
Parcellazzjonijiet tal-wiċċ kortikali ġew iġġenerati għal kull parteċipant minn skans tal-MRI ta 'qabel l-impjant (sekwenzi volumetriċi ppeżati T1-) - ing tas-softwer Freesurfer (RRID: SCR_001847). L-ippokampus u r-reġjuni kortikali tal-madwar ġew delineati separatament ibbażati fuq skannjar addizzjonali ta' 2 mm ħxuna koron ippeżat T2- bl-użu tal-metodu ta' segmentazzjoni multi-atlas tas-Segmentazzjoni Awtomatika tas-Subfields Hippocampal (ASHS). Il-koordinati tal-kuntatt ta 'l-elettrodu derivati minn skans CT ta' wara l-impjant ko-reġistrati mbagħad ġew immappjati għall-iskans MRI ta 'qabel l-impjant biex jiddeterminaw il-postijiet anatomiċi tagħhom. Għal strixxi u grilji subdurali, il-kuntatti ta 'l-elettrodi ġew proġettati addizzjonalment fuq il-wiċċ kortikali bl-użu ta' algoritmu ta 'minimizzazzjoni ta' enerġija biex jagħti kont ta 'ċaqliq tal-moħħ wara l-operazzjoni. Il-postijiet ta' kuntatt ġew riveduti u kkonfermati fuq uċuħ u stampi trasversali minn newroradjologu. L-iskans tal-MRI ppeżati T1-kienu rreġistrati wkoll għall-moħħ standard MNI152 biex jippermettu t-tqabbil tas-siti tar-reġistrazzjoni fi spazju komuni bejn is-suġġetti. Postijiet anatomiċi tas-siti ta 'reġistrazzjoni, inklużi żoni Brodmann, ġew derivati billi kkonvertiw il-koordinati MNI għall-ispazju Talairach u mistoqsija lid-demon Ta- Talairach (www.talairach.org).
2.3. Reġistrazzjonijiet elettrofiżjoloġiċi
Is-sinjali EEG ġew irreġistrati bl-użu ta 'waħda mis-sistemi ta' akkwist elettrofiżjoloġiku kliniku li ġejjin (jiddependi fuq l-istituzzjoni għall-ġbir tad-dejta): Nihon Kohden EEG-1200, Natus XLTek EMU 128, jew Grass Aura-LTM64. Skont is-sistema ta 'akkwist u l-preferenza tat-tim kliniku, is-sinjali ttieħdu kampjuni jew f'500, 1000, jew 1600 Hz u ġew referenzjati għal kuntatt komuni mqiegħed jew intrakranjament, fuq il-qorriegħa, jew il-proċess mastoid. Għall-analiżi, ir-reġistrazzjonijiet kollha li jużaw rati ta 'kampjunar ogħla ġew iffiltrati minn filtru antialiasing u kampjunati 'l isfel għal 500 Hz. Muntaġġ bipolari komuni ġie kkalkulat post hoc għal kull suġġett billi tnaqqas is-serje tal-ħin tal-vultaġġ imkejjel fuq il-pari kollha ta 'kuntatti spazjalment maġenb. Dan irriżulta f'N-1 sinjali bipolari fil-każ tal-elettrodi penetranti u tal-istrixxa, u N=(i − 1)∗j flimkien ma' (j − 1)∗I, fejn i u j huma in-numri ta' kuntatti fid-dimensjonijiet vertikali u orizzontali tal-grilja. Għall-analiżi tad-dejta ta 'dan l-istudju, "elettrodu" wieħed jirreferi għas-sinjal bipolari minn par bipolari wieħed ta' kuntatti. Huwa importanti li wieħed jinnota li l-kuntatti jistgħu jintużaw għal elettrodi multipli, għalhekk mhux is-sinjali kollha huma verament indipendenti.
2.4. Kompitu ta 'recall b'xejn
Paradigma klassika għall-formazzjoni probing ta episodiku verbalimemorjakien impjegat (Kahana, 2014), li fih is-suġġetti ġew murija listi ta 'kliem għal recall b'xejn sussegwenti. Il-parteċipanti ngħataw struzzjonijiet biex jistudjaw listi ta 'kliem ippreżentati fuq skrin tal-kompjuter laptop għal test ittardjat ta' recall vokali. Il-listi kienu komposti minn 12-il kelma magħżula bl-addoċċ u mingħajr sostituzzjoni minn grupp ta’ nomi ta’ frekwenza għolja fil-lingwa nattiva tas-suġġett (jew bl-Ingliż jew bl-Ispanjol; http://memory.psych.upenn.edu/WordPools). Kull kelma dehret fuq l-iskrin għal 1600 ms, segwit minn jitter każwali ta 'intervall vojt ta' 750 sa 1000 ms bejn l-istimoli. Fl-aħħar ta 'kull lista ta' kliem, sar kompitu ta 'distractor mis-suġġett. Dan il-kompitu dam għal 20 s u kien magħmul minn serje ta 'problemi aritmetiċi sempliċi tal-format A flimkien ma' B flimkien ma' Ċ, fejn A, B, u C kienu interi każwali b'ċifra waħda bejn 1 u 9. Wara l-kompitu distractor, il-parteċipanti ngħataw 30 s li fihom biex ifakkru kemm jista 'jkun mill-kliem mil-lista fi kwalunkwe ordni (Fig. 1). It-tweġibiet vokali ġew irreġistrati b'mod diġitali mill-laptop u aktar tard ġew ikkalkulati manwalment għall-analiżi. Is-suġġetti biss li fakkru mill-inqas 15 fil-mija tal-kliem u lestew mill-inqas 12-il lista tal-kompitu ġew inklużi f'analiżi ulterjuri (Long et al., 2014). Dan ħalla 139 mill-164 suġġett oriġinali għal total ta '14,219 elettrodu użati f'dan l-istudju. Ir-reġistrazzjonijiet loġiċi ta 'l-elettroliżi ġew sinkronizzati mad-dehra ta' stimolu fuq l-iskrin permezz ta 'ġeneratur tal-polz elettriku mħaddem mill-laptop tal-kompitu, li bagħat impulsi għal kanal ta' avveniment magħżul fis-sistema ta 'akkwist kliniku. L-avvenimenti ġew immarkati bil-ħin wara s-sessjoni ta 'reġistrazzjoni bl-użu ta' kodiċijiet MATLAB miktuba apposta u ntużaw biex jiġu estratti epoki speċifiċi ta 'interess madwar il-preżentazzjoni tal-kliem. Kull epoka rreġistrata kienet twila 3000 ms u kienet tinkludi 1600 ms ta' preżentazzjoni ta' kliem fuq l-iskrin b'700 ms ta' skrin vojt tal-intervall interstimulus qabel u wara kull preżentazzjoni ta' kliem.
Il-qawwa spettrali medja ta' prova ta' sinjali EEG minn epoki ta' preżentazzjoni ta' kliem (kelma waħda għal kull prova) ġiet integrata madwar l-epoka u użata bħala karatteristika biex tikklassifika elettrodi attivi li jirreġistraw minn reġjuni tal-moħħ involuti f'verbali.memorjakodifikazzjoni. Elettrodi attivi kienu klassifikati b'mod indipendenti f'sitt meded ta 'frekwenza ta' l-ispettru EEG bl-użu ta 'stimi normalizzati tal-bidla fil-qawwa (z-score transform). Il-proċedura ta' klassifikazzjoni użat metodu mhux sorveljat ibbażat fuq il-Mudell ta' Taħlita Gaussian (Saboo et al., 2019). Avviż attività indotta fuq is-sitt faxex ta 'frekwenzi kollha fl-ispettrogramma eżempju plottjat minn attività medja ta' prova minn elettrodu wieħed lokalizzat fil-kortiċi oċċipitali.
2.5. Analiżi tad-dejta
Aħna analizzajna l-epoki tar-reġistrazzjoni tal-iEEG waqt il-preżentazzjoni tal-kelma għalmemorjakodifikazzjoni. Kull epoka ta' preżentazzjoni ġiet iffiltrata FIR (2000- ordni Barlett-Hanning b'filtrazzjoni ta' distorsjoni ta' fażi żero, bandpass b'limiti ta' frekwenza speċifikati għal kull medda ta' frekwenza) qabel ma ġiet dekomposta b'mod spettrali, normalizzat, u mqassma b'mod indipendenti f'meded ta' frekwenza distinti bejn 2 u 120 Hz: theta baxx (2–4 Hz), theta għoli (5–9 Hz), alfa (10–15 Hz), beta (16–25 Hz), gamma baxxa (25–55 Hz), u għolja gamma (65–115 Hz). Il-konfini għal dawn il-meded ta 'frekwenza ġew determinati abbażi ta' firxiet li ma jikkoinċidux u kontinwi li qed jikbru fil-wisa 'tul l-ispettru tal-frekwenza. Il-limitu ta 'fuq ta' 115 Hz intgħażel biex jiżgura mill-inqas 4 kampjuni għal kull ċiklu minħabba l-frekwenza ta 'kampjunar ta' 500 Hz u biex tiġi evitata l-armonika tal-ħoss tal-linja ta '60 Hz. Biex tikkonverti sinjali ffiltrati għal spettrogramma b'a
Riżoluzzjoni tal-bin ta 'frekwenza ta' 2 Hz minn 2 Hz sa 115 Hz, użajna twieqi li jiżżerżqu 500 ms b'tulijiet ta 'slajds ta' 5 ms u l-metodu multi-taper b'taper 1 mill-kaxxa tal-għodda kronika f'MATLAB (http://chronux.org/; Mitra, 2007). Spettrogrammi ta 'l-epoka tal-preżentazzjoni tal-kelma ġew avżati flimkien wara log-normalizzazzjoni u trasformazzjoni z-score ta' kull punt ta 'frekwenza ta' ħin. Il-punteġġ Z sar skont il-formula li ġejja:
x(t, f) − μ
z(t, f)=σ
fejn x hija s-sinjal, t hija l-bin tal-ħin, f hija l-bin tal-frekwenza, f hija l-medja, u f hija d-devjazzjoni standard għall-frekwenza mogħtija. Kull prova ġiet normalizzata separatament. In-normalizzazzjoni tal-log ġiet implimentata biex tikkoreġi għall-effett tal-liġi tal-qawwa 1/f ta 'frekwenzi aktar baxxi fuq l-istima tal-qawwa fil-meded ta' frekwenza ogħla, u t-trasformazzjoni tal-punteġġ z saret biex tipprovdi skala normalizzata ta 'bidla tal-enerġija għal tqabbil ta' sinjali minn elettrodi differenti. , sessjonijiet, u parteċipanti (Kucewicz et al., 2019, 2017; Saboo et al., 2019). Din in-normalizzazzjoni tal-punteġġ z tipproduċi bidliet ta' qawwa pożittivi u negattivi relattivi għall-qawwa medja fi kwalunkwe epoka ta' kelma waħda minflok ma tuża perjodu ta' "linja bażi". Għalhekk, anke devjazzjonijiet żgħar pożittivi jew negattivi tal-qawwa assoluta jkunu effettivament miżjuda meta mqabbla mal-medja tas-sinjal, kif deskritt qabel (Kucewicz et al., 2019; Alotaiby et al., 2015). L-artifacts tat-tarf fl-istima tal-qawwa ġew eliminati billi jaqtgħu bins ta 'żewġ darbiet minn kull tarf tal-ispettrogramma finali għall-frekwenzi kollha. Għal kull elettrodu u medda ta 'frekwenza, iddeterminajna l-qawwa spettrali medja f'kull bin tal-ħin fl-epoki kollha tal-preżentazzjoni tal-kliem. Il-qawwa ġenerali indotta f'medda ta 'frekwenza partikolari matul il-perjodu ta' preżentazzjoni tal-kelma ġiet kwantifikata bħala l-erja taħt il-valur assolut tal-kurva korrispondenti tas-serje taż-żmien, kif muri fil-Fig. 1. L-elettrodi mbagħad ġew klassifikati f'"attivi" u "inattivi" f'kull medda speċifika bl-użu tal-metodu ta' raggruppament mhux sorveljat tagħna bbażat fuq Immudellar ta' Taħlit Gaussian (GMM) biex jidentifikaw dawk li wrew bidliet ta' qawwa kkaġunati mill-kompitu (Saboo et al., 2019). ). Dan il-metodu essenzjalment iwettaq klassifikazzjoni binarja ta' tagħlim bil-magni ta' kanali attivi u inattivi bbażati fuq il-valur tal-qawwa indotta ta' kull kanal. Il-klassifikazzjoni saret separatament għal kull medda ta' frekwenza ta' interess. Il-proċedura kollha hija miġbura fil-qosor fil-Fig. 1.
Aħna għażilna metodu bbażat fuq GMM biex niżguraw li numri differenti jirriflettu snajja jkunu permessi għall-gruppi ta 'elettrodi attivi u l-elettrodi inattivi. In-numru ta 'clusters ġie stabbilit għal tnejn minħabba li l-kategorizzazzjoni attiva-inattiva tal-elettrodi hija binarja: bidla fil-qawwa spettrali tista' jew tiġi indotta (żieda jew imnaqqsa) jew le matul il-perjodu tal-preżentazzjoni tal-kelma. L-użu ta' GMM ippermetta wkoll il-klassifikazzjoni mingħajr rekwiżit għal data tal-verità fuq l-art. L-elettrodi ġew miġbura bejn is-suġġetti u mbagħad miġbura biex jidentifikaw elettrodi attivi.
2.6. Immappjar tal-qawwa indotta
Ħafna mill-elettrodi attivi kienu lokalizzati fir-reġjuni kortikali assoċjati mal-ipproċessar ta 'informazzjoni viżwali u semantika, kif ukoll ma' dikjarattiv.memorjau funzjonijiet eżekuttivi. Minn 39 Żona Brod-Mann, il-maġġoranza tal-lokazzjonijiet tal-elettrodi miġbura f'9 reġjuni tal-moħħ li kull wieħed jinkludi Żoni Brodmann: viżwali (żoni Brodmann 18 u 19), temporali inferjuri (żoni Brodmann 20 u 37), precuneus (żoni Brodmann 18 u 19), precuneus (żoni Brodmann 18 u 19), 30 u 31), parietali laterali (żoni ta 'Brodmann 7 u 39), temporali mesijali (żona ta' Brodmann 28 u Hippocampus), temporali laterali (żoni ta 'Brodmann 21 u 22), żoni ta' Broca (żoni ta 'Brodmann 44 u 45), prefrontali laterali (żoni ta' Brodmann). 9 u 46), u arblu ta 'quddiem (żoni ta' Brodmann 10 u 11). Sakemm ma jingħadx mod ieħor, l-analiżi ulterjuri kollha kienet iffukata fuq l-epoki tal-kelma mfakkra, jiġifieri epoki bi kliem kodifikat b'suċċess li sussegwentement ġew imfakkra liberament, f'dawn id-disa' reġjuni kortikali.
Bidliet ta 'qawwa indotti f'kull medda ta' frekwenza ġew impinġi mill-elettrodi attivi kollha fuq wiċċ medju tal-moħħ għal kull punt ta 'żmien tal-kelma epoch bl-użu ta' kodiċi MATLAB personalizzat għal teknika ta 'użin li tiddependi mill-post tal-elettrodu. Il-wiċċ tal-moħħ inħoloq bħala malja, fejn kull element tal-malja ġie assenjat kulur dipendenti fuq il-qawwa indotta tal-elettrodi tal-madwar miżuna mid-distanza relattiva għall-element (piż akbar għal aktar elettrodi prossimali). Għal kull element tal-malja tal-wiċċ tal-moħħ impinġi, ġew ikkunsidrati biss l-effetti ta 'elettrodi f'limitu ta' 10 mm mill-punt taċ-ċentru tal-element. Għalhekk, il-qawwa indotta ġiet medjata mill-elettrodi kollha fi ħdan ir-raġġ tal-limitu li kienu ppeżati b'mod lineari bil-prossimità tagħhom skont il-formula li ġejja:
IP1∗ (threshold− r1) flimkien ma’ IP2∗ (threshold− r2) plus … flimkien ma IP ∗ (threshold− rn )
(threshold− r1 ) plus (threshold− r2 ) plus … plus (threshold− rn )
fejn IP huwa l-valur tal-bidla tal-qawwa indotta għal elettrodu, u r hija d-distanza bejn l-elettrodu u l-element magħżul tal-malji tal-wiċċ tal-moħħ.
2.7. Statistika
Testijiet ANOVA b'korrezzjonijiet ta' tqabbil multipli għall-effetti tal-medda ta' frekwenza, ir-reġjun tal-moħħ (Żona ta' Brodmann) u l-emisfera ntużaw biex janalizzaw il-perċentwal ta' elettrodi f'żona mmarkata bħala "ac- time (Fig. 2). Differenzi temporali bejn l-emisferi. kienu kkwantifikati bl-użu ta 'żewġ denbu, statistika t-test mhux paired mal-korrezzjoni Bonferroni (Fig.3A).Imbagħad inkissru kull epoch kelma f'fażijiet ta' qabel kodifikazzjoni, kodifikazzjoni bikrija, kodifikazzjoni tard, u fażijiet ta 'wara kodifikazzjoni (Burke et al. , 2014; Kucewicz et al., 2019) u użaw miżuri ripetuti ANOVA (fażi ta’ kodifikazzjoni bħala l-fattur fi ħdan is-suġġetti) b’test posthoc Tukey-Kramer biex janalizza l-effetti tal-medda ta’ frekwenza, ir-reġjun tal-moħħ u l-emisfera fuq il-qawwa indotta matul kull waħda. fażi tal-verbalmemorjakompitu (Fig.3B). L-ogħla latency għal kull medda ta 'frekwenza u żona ġiet iddeterminata bħala l-bin tal-ħin bil-quċċata massima pożittiva tal-qawwa indotta. Latin-cities tqabblu bl-użu ta 'miżuri ripetuti ANOVA (fażi ta' kodifikazzjoni bħala l-fattur fi ħdan is-suġġetti) u testijiet ta 'paragun multipli Tukey-Kramer post-hoc (Fig. 4). It-test ta 'korrelazzjoni ta' Pearson intuża biex jevalwa l-effett tal-pożizzjoni tul kull assi tal-moħħ fil-ħin tal-latency tal-ogħla qawwa (Fig. 5B). Il-valur alfa għat-testijiet kollha ġie stabbilit għal 0.05.
3. Riżultati
3.1. L-attivitajiet spettrali indotti waqt il-kodifikazzjoni tal-memorja huma mqassma b'mod eteroġenju madwar il-kortiċi tal-bniedem
L-ewwel identifikajna subsett ta 'elettrodi minn żoni kortikali attivati matulmemorjakodifikazzjoni. Għal dan il-għan, qawwa spettrali fil-banda f'sitt firxiet ta' frekwenzi li ma jikkoinċidux (theta baxx: 2–4 Hz, theta għoli: 5–9 Hz, alfa: 10–15 Hz, beta: 16– 25 Hz, gamma baxxa: 25-55 Hz, gamma għolja: 65-115 Hz) intuża bħala karatteristiċi għall-klassifikazzjoni awtomatizzata ta 'elettrodi attivi (Saboo et al., 2019) b'mod indipendenti f'kull medda (Fig. 1). Mit-total ta '14,219 elettrodu impjantati fil-parteċipanti kollha, 4738 (33.3 fil-mija) wrew il-qawwa spettrali indotta f'mill-inqas waħda mill-meded ta' frekwenza. Għalhekk, sit tal-elettrodu tipiku wera qawwa indotta f'firxa definita ta 'meded ta' frekwenza baxxa, intermedja jew għolja (Fig.2A). Bi qbil mar-riżultati preċedenti tagħna (Kucewicz et al., 2019; Alotaiby et al., 2015), dawn l-elettrodi attivi kienu mqassma b'mod wiesa 'madwar 39 żona Brodmann li kienu definiti fil-lobi kortikali kollha (Fig.2B). Il-proporzjon relattiv ta 'elettrodi f'kull żona ta' Brodmann li kienu varjaw b'mod attiv minn 4.3 fil-mija għal 75 fil-mija, skond il-post fil-lobi limbic, frontali, prefrontal, parietal, temporali, jew occipital (ANOVA F=99.21, p. < 0.001,="" df="5)," b'elettrodi="" sinifikament="" aktar="" attivi="" misjuba="" fiż-żoni="" viżwali="" sensorji="" tal-oċċipitali="" u="" l-kortiċi="" parietali="" (posthoc="" tukey="" kramer,="" p="">< 0.05).="" f'kull="" żona,="" proporzjonijiet="" simili="" ġew="" osservati="" f'kull="" medda="" ta'="" frekwenza,="" inklużi="" l-faxxa="" alfa="" u="" beta,="" mingħajr="" differenzi="" sinifikanti="" madwar="" l-ispettru="" (n-way="" anova="" f="0.17," p="0.9747" ,="" df="5)." fil-qosor,="" irrispettivament="" mill-medda="" ta="" 'frekwenza="" analizzata,="" mill-inqas="" 4="" fil-mija="" tas-siti="" tal-elettrodi="" fi="" kwalunkwe="" miż-żoni="" kortikali="" analizzati="" żvelaw="" qawwa="" indotta="" b'mod="" sinifikanti="" matul="">
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 parteċipanti; ara t-tabella 1). Elettrodu jista 'jkun attiv f'faxxa waħda jew aktar. Sibna li l-ogħla proporzjon ta 'elettrodi kien attiv f'meded wieħed biss (43.12 fil-mija) jew tnejn (22.94 fil-mija), u proporzjonalment inqas f'aktar minn żewġ faxex b'minoranza biss (5.4 fil-mija) attiva fis-sitta kollha (Fig. 2C). L-ogħla koinċidenza ta 'qawwa spettrali indotta f'aktar minn żewġ meded kienet osservata għall-elettrodi fiż-żoni viżwali sensorji ta' wara tal-kortiċi oċċipitali (Fig. 2C; aħmar), fejn 4-5 meded ġew attivati bħala medja għal kull elettrodu matul il-kodifikazzjoni tal-kelma. Żoni viżwali oħra tal-kortiċi temporali u parietali wrew ukoll distribuzzjonijiet relattivament għoljin ta 'elettrodi b'aktar minn żewġ faxex attivati, b'kuntrast maż-żoni ta' pproċessar ta 'ordni ogħla anterjuri fil-kortiċi temporali u prefrontali, fejn l-elettrodi kienu attivi f'meded ta' frekwenza 1-2. (Fig. 2C; iswed). B'mod ġenerali, il-maġġoranza tas-siti ta 'l-elettrodi wrew il-qawwa spettrali mnaqqsa f'meded ta' frekwenza waħda jew tnejn speċifiċi, li jissuġġerixxu li l-attivitajiet varji kienu segregati spazjalment fil-kortiċi.
Fig. 2. Attivitajiet spettrali indotti matul il-kodifikazzjoni tal-memorja verbali huma mqassma b'mod mhux uniformi madwar il-moħħ tal-bniedem. (A) Eżempji rappreżentattivi ta 'spettrogrammi medja ta' prova matul il-kodifikazzjoni tal-kliem minn elettrodi attivi juru l-bidliet tal-qawwa indotti konfinati b'mod indipendenti għal kull wieħed mit-tliet gruppi ta 'frekwenza minn postijiet anatomiċi differenti. (B) Proporzjonijiet ta' elettrodi attivi f'sitt meded ta' frekwenza studjati (theta baxx: 2–4 Hz, theta għoli: 5–9 Hz, alfa: 10–15 Hz) beta:
16–25 Hz, gamma baxxa: 25–55 Hz, gamma għolja: 65–115 Hz) juru differenzi sinifikanti (ANOVA) fid-distribuzzjoni anatomika (asterisks ħomor; p <0.05 post-hoc="" tukey="" kramer="" test="" )="" iżda="" mhux="" tul="" il-meded="" ta'="" frekwenza="" kif="" miġbur="" fil-qosor="" fil-plots="" tal-kaxxa="" inset.="" (c)="" id-distribuzzjoni="" tal-elettrodi="" attivi="" f'waħda="" jew="" aktar="" mill-faxex="" ta="" 'frekwenza="" tiżvela="" l-ogħla="" koinċidenza="" fiż-żoni="" ta'="" wara="" tal-kortiċi="" viżwali="" oċċipitali="" u="" parietali,="" li="" kienet="" qed="" tonqos="" gradwalment="" fiż-żoni="" kortikali="" aktar="" anterjuri="" kif="" muri="" fil-plott="" medju="" tal-wiċċ="" tal-moħħ="" u="" s-sommarju="" tal-kartuns="" tal-elettrodi="" attivi="" kollha="" (tikek="" ikkuluriti="" skont="" il-bar="" chart)="" u="" fil-plots="" tal-vjolin="" (linji="" suwed="" u="" ħomor="" jindikaw="" il-medja="" u="" l-medjan,="" resp.="" (hoffmann,2015)).="" (d)="" id-distribuzzjoni="" tal-elettrodi="" kollha="" attivi="" fil-faxex="" gamma="" (frekwenza="" għolja),="" alpha/beta="" (frekwenza="" intermedja),="" u="" theta="" (frekwenza="" baxxa)="" tvarja="" f'disa'="" reġjuni="" kortikali="" ta'="" interess="" magħżula="" (v="" -="" viżwali;="" it="" -="" temporali="" inferjuri;="" pre="" -="" precuneus;="" par="" -="" parietali="" laterali;="" mtl="" -="" lobu="" temporali="" mesijali;="" lt="" -="" temporali="" laterali;="" br="" -="" iż-żona="" ta'="" broca;="" pfc="" -="" kortiċi="" prefrontali;="" fp="" -="" arblu="" frontali)="" b'elettrodi="" relattivament="" aktar="" prefrontali="" attivi="" fil-meded="" gamma="" (aħmar)="" u="" aktar="" elettrodi="" fiż-żoni="" viżwali="" attivi="" fil-meded="" kollha="" (iswed)="" kif="" muri="" fil-plott="" medju="" tal-wiċċ="" tal-moħħ,="" is-sommarju="" tal-cartoons,="" u="" l-plott="" tal-vjolin.="" innota="" li="" l-biċċa="" l-kbira="" ta'="" l-elettrodi="" b'mod="" ġenerali="" kienu="" attivi="" f'faxex="" ta'="" frekwenza="" waħda="" jew="" f'żewġ="" frekwenzi="" baxxi,="" intermedji="" jew="" għoljin,="" ħlief="" għaż-żoni="" viżwali="" b'aktar="" minn="" żewġ="" meded="" ta'="" frekwenza="" attivi="" għal="" kull="" elettrodu="" ta'="" kulħadd="" (għal="" interpretazzjoni="" tar-referenzi="" għall-kulur="" f'dan="" leġġenda="" tal-figura,="" il-qarrej="" huwa="" riferut="" għall-verżjoni="" tal-web="" ta'="" dan="">
Imbagħad staqsejna jekk l-attivitajiet spettrali li ġew indotti fi kwalunkwe sit ta 'elettrodu wieħed jikkoinċidux f'meded ta' frekwenza simili. Aħna iggruppajna l-attivitajiet fi gruppi ta 'frekwenza baxxa, intermedja u għolja (theta, alpha/beta, u gamma, rispettivament) u qabblu proporzjonijiet ta' elettrodi attivi ma 'kombinazzjonijiet ta' gruppi differenti. Aktar minn nofs l-elettrodi attivi kollha wrew qawwa indotta hija esklussivament fil-meded ta 'frekwenza baxxa, intermedja jew għolja (Fig.2D). Elettrodi b'koinċidenza għolja fil-gruppi kollha kienu lokalizzati b'mod predominanti fiż-żoni viżwali ta 'wara (Fig.2D; iswed). Il-bqija tas-siti tal-elettrodi li wrew qawwa indotta f'wieħed mit-tliet gruppi ta 'frekwenza kienu mqassma b'mod uniformi madwar il-kortiċi bi proporzjon simili f'kull ROI, apparti miż-żoni prefrontali fejn relattivament aktar attivitajiet gamma ta' frekwenza għolja kienu preżenti waqt l-kodifikazzjoni tal-memorja (Fig. .2D; aħmar). Ir-riżultati tagħna wrew li attivitajiet ta 'firxa ta' frekwenza partikolari ġew indotti l-aktar f'siti kortikali speċifiċi, li jiffurmaw mudell ta 'distribuzzjoni bħal mużajk konsistenti mal-kunċett ta' "marki tas-swaba' spettrali" (Siegel et al., 2012).
3.2. L-effett tal-lateralità tal-qawwa indotta huwa speċifiku għal frekwenzi partikolari u żoni kortikali
Il-mistoqsija li jmiss tagħna kienet jekk il-qawwa totali fil-medda indotta matul iż-żmien tal-kodifikazzjoni tal-kelma (Fig. 1) kinitx differenti skont il-post anatomiku, il-medda ta 'frekwenza, jew l-emisfera. Elettrodi attivi individwali jistgħu juru kobor simili tal-qawwa indotta, minkejja d-distribuzzjoni eteroġenja madwar ir-reġjuni kortikali (Fig. 2). B'mod ġenerali, kien hemm effett sinifikanti tal-medda ta' frekwenza fuq il-qawwa indotta (miżuri ripetuti ANOVA F=1346.99,p < 0.001,="" df="" {="" {8}}).="" reġjun="" tal-moħħ="" (anova="" f="38.21," p="">< 0.001,="" df="37)" u="" tal-post="" tal-emisfera="" tal-elettrodu="" (anova="" f="17.4," p="">< 0.001,="" df="" {{{="" 18}}).="">
Fig. 3. Profili temporali tal-qawwa indotta waqt il-kodifikazzjoni ta' effetti laterali ta' rivelar fi frekwenzi speċifiċi u żoni kortikali. (A) Kull panel juri bidliet ta 'qawwa medja ta' prova matul iż-żmien tal-preżentazzjoni tal-kelma (sfond griż) stmati mill-elettrodi attivi kollha f'medda ta 'frekwenza partikolari u reġjun tal-moħħ impinġi separatament għall-emisferu tax-xellug u tal-lemin (aħmar u blu, resp.) . Il-plots taż-żona griża fl-isfond jiġbru fil-qosor id-differenza statistika (t-statistika) bejn iż-żewġ emisferi f'bins ta' ħin ta' 50 ms bi griż skur li jindika b'mod sinifikanti aktar (valuri t pożittivi) jew inqas (valuri t negattivi) f' l-emisferu tax-xellug (linji orizzontali mnaqqxa; Student t-test, p <0.05). innota="" li="" l-effett="" ta'="" lateralità="" sinifikanti="" huwa="" lokalizzat="" f'meded="" ta'="" frekwenza="" speċifiċi="" f'reġjun="" partikolari="" tal-moħħ.="" (b)="" tqabbil="" sommarju="" tal-qawwa="" totali="" indotta="" (miżuri="" ripetuti="" anova)="" mill-meded="" ta="" 'frekwenza="" kollha="" madwar="" id-disa'="" reġjuni="" tal-moħħ="" (ara="" fig.="" 2="" għat-tikketti)="" u="" erba="" 'stadji="" ta'="" kodifikazzjoni="" tal-memorja="" -="" il-fattur="" fi="" ħdan="" is-suġġetti="" (asterisks="" ħomor="" jindikaw="" differenza="" sinifikanti="" test="" tukey-kramer,="" p="">< 0.05).="">MemorjaL-effett kien l-akbar fil-kortiċi prefrontali tax-xellug (indikat mill-vleġġa doppja sewda), filwaqt li, MTL wera l-akbar effett fiż-żoni tal-emisferu tal-lemin (Għal interpretazzjoni tar-referenzi għall-kulur f'din il-leġġenda tal-figura, il-qarrej huwa riferut għall-web verżjoni ta’ dan l-artikolu.).
analiżi tal-grupp (Tukey-Kramer, p < 0.05)="" ikkonfermat="" qawwa="" sinifikament="" iżgħar="" bi="" frekwenzi="" dejjem="" jiżdiedu="" tal-meded,="" ħlief="" bejn="" il-meded="" gamma="" baxxi="" u="" għoljin="" (figura="" 1="" supplimentari).="" l-elettrodi="" fil-lobu="" oċċipitali="" wrew="" qawwa="" indotta="" b'mod="" sinifikanti="" ogħla="" milli="" fi="" kwalunkwe="" żona="" oħra="" bi="" qbil="" mal-istudju="" preċedenti="" tagħna="" tal-attivitajiet="" gamma="" għolja="" (kucewicz="" et="" al.,="">
