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Science:海马尖波涟漪(SWRs)与人类视觉情景记忆有关
发布者:admin 发布时间:2019/10/27

   尖波涟漪(SWRs)是由海马体引起的同步神经元活动的快速爆发。对SWRs的广泛研究主要是在啮齿类动物的大脑中,已经将这些爆发与导航、记忆形成和离线记忆巩固联系起来。然而,关于这个惊人的网络同步的功能意义,仍然存在一些基本的问题未解决。也许最引人注目的未解之谜是SWRs和意识认知之间的关系。我们仍然不知道什么认知过程(如果有的话)SWRs的出现有关;简单地说,当海马体引起涟漪时,我们仍然不知道动物在想什么(如果有的话)。此外,SWRs在人类情景记忆中的潜在作用在很大程度上仍是未知的。因此,在有意识的、清醒的人类患者中研究这一现象打开了一个独特的窗口,因为它允许直接检查关于SWR发生的详细口头报告。

基本原理:我们利用人类独特的口头交流能力来研究SWRs在记忆形成和检索中的作用,我们使用患者的颅内电生理记录。这种方法允许我们研究自由回忆(自我启动的过程,记忆的内部生成)。这是一种独特而强大的方法,因为它将回忆过程与外部刺激隔离开来。

结果:们的研究揭示了SWRs与人类陈述性记忆之间的三个主要联系。第一,看图片时的SWR(记忆编码)预测受试者随后的自由回忆能力。第二,在口头报告之前,SWR的短暂增加是12秒。这种增长是内容选择性的,重点概括了在观看过程中观察到的相同的图片偏好。最后,在回忆过程中,高阶视觉区域显示出与SWR发生相关的内容选择性再激活。

结论:通过直接记录个体大脑中的电生理事件,并实时告知其认知状态,我们能够证明和描述SWRs在人类情景记忆中的重要作用。我们的发现表明,海马SWRs参与了在人脑中建立和触发自发回忆的过程。这意味着对新记忆的巩固过程,揭示了SWRs在协调记忆中心(海马体)和高级表征(大脑皮层)之间的联系方面的基本贡献,而这些联系是记忆检索的基础。因此,我们的研究强调了SWRs作为强大的多任务信号的功能,这有助于编码和人类记忆的自发提取和巩固。

图形摘要:自由回忆过程中与海马涟漪相耦合的记忆再激活。

A)同时记录海马和皮层的颅内信息。

B)病人观看并自由回忆熟悉的面孔和地点图片。

C)识别海马神经元快速爆发(SWRs)(左)。当被试自由回忆图片时,在回忆之前,SWR率会有短暂的增强,主要是在观看过程中产生较高涟漪率(RR)的项目。

D)视觉皮层显示SWR-耦合再激活,再现了观看过程中的内容选择性。

 

摘要:尖波涟漪(SWRs)是由海马诱发的同步神经元活动的快速爆发,在离线记忆巩固过程中起重要作用。目前,对SWRs的研究主要集中于啮齿动物。SWRs在清醒、有意识行为中的认知功能作用(尤其是情景记忆)仍不清楚。因此,Weizmann科学研究所神经生物学系Yitzhak NormanRafael Malach等人在Science上发文,通过研究人类癫痫患者对已观看图片进行情景自由回忆(自由回忆范式)过程中,记录其颅内信号,研究该问题。结果显示:

1)在回忆事件发生前1-2s,海马SWRs率出现内容选择性的增加。

2在回忆过程中,高级视觉脑区表现出与回忆内容相关的SWR-耦合。

3)观看图片阶段的SWR率能预测自由回忆的表现。

结果证明海马SWRs在触发自发回忆以及自由情景记忆检索阶段的协调皮层表征恢复中的作用。

海马尖波涟漪(SWRs海马尖波是短暂高频的(啮齿动物:140-200Hz,灵长目动物和人类:80-140Hz)振荡事件,发生在海马CA1椎体层的局部场电位(LFP)。这些短暂的网络振荡是跨物种的,并构成大脑高度同步的神经元活动。涟漪中,海马-内嗅输出通路10-15%的锥体神经元同步放电,协调网络激活。因为这些涟漪与CA1中出现的大幅度尖波共同发生,因此,通常被称为尖波涟漪复合物(SWRs)。SWRs最常发生在非快速眼动睡眠和静息清醒期间

被试:采集15例耐药性癫痫患者的颅内EEG信号。

实验任务:患者在静息态和视觉自由回忆任务中记录SWR事件(Fig. 1A)。任务包括两个Runs每个run200s闭眼静息,再向被试呈现14张不同的熟悉面孔和地点图片(Fig. 1),每个图片呈现4次。看完图片后,患者完成简短的干扰任务。接着要求患者描述回忆的每一幅图片2-3个突出的视觉特征,第一个run进行面孔回忆,第二个run开始地点回忆。研究记录患者自由回忆阶段的口头反应。在离线分析中提取每个回忆事件的开始和结束时间

研究者主要分析4个条件

1)闭眼静息;

2)观看:观看和记忆图片阶段;

3)回忆:患者在自由回忆阶段口头报告的时间(从记忆序列中回忆某一特定项目);

4)寻找:指回忆事件之间的所有时间间隔(病人试图回忆,但没有报告任何回忆项目)。

颅内记录:颅内EEGiEEG)记录需要每个患者同时记录多个位置(硬膜下网格、条带或深度电极,Fig. 1C),用高频宽带(HFP;60-160Hz)信号同时记录海马的LFPSWR活动。在记录过程中,颅内EEG信号参考顶点皮下电极,并进行0.1-200Hz滤波。然后,以500Hz/512Hz的频率将信号数字化,并使用XLTEK EMU128FS/Neurolink IP 256系统进行离线分析。记录刺激触发的电脉冲和iEEG数据,以便与刺激时间精确同步。

电极定位:电极植入前,对患者进行T1加权结构像扫描。植入后,进行CTT1加权结构像MRI扫描,并用FSLs BETFLIRT算法去除头皮,与术前解剖MRI扫描进行配准,再配准到CT上。使用BioImage Suite在患者术前MRI空间中标记个体重编码位点,用Freesurfer 6.0对每个患者的皮质表面和海马亚区进行分割和重建。使用SUMA对每个患者皮质表面的三维网格进行重采样和标准化,最后将每个皮质表面都配准到不同解剖图上。

数据预处理和分析:所有分析在matlab 2014a/2018b中使用eeglabChronuxDRtoolboxMES工具箱和自己开发的分析程序进行。

1)先对原始iEEG数据检测并排除噪声/坏导。

2)通过配对相邻电极触点将iEEG信号转换为双极导联。记录海马脑区的站点与附近的白质电极配对,白质电极通过Freesurfer分割识别。

   3)对双极导联进行500Hz重采样,并使用零滞后线性相位hamming窗的FIR滤波器(3Hz宽)降低60Hz工频干扰(包括谐波)。

-宽频带信号和频谱分析:HFB指频率在60-160 Hz间(高gamma)的平均归一化功率。

1)对于频谱分析,用60-160Hz的平均值计算HFB功率,并使用Hilbert变换计算解析振幅。

2)对HFB数据进行瞬态伪迹检查,后续分析排除伪迹周围200ms的时间窗。

3)采用eeglab中的Morlet-小波时频方法对海马记录位点的SWR事件进行频谱分解(窗:4Hz时是1cycle220Hz时增加到20cycles,步长:4ms)并进行归一化-750-750ms,平均相同条件试次:静息、图片观看、回忆面孔、回忆地点)。

4)用Chronux包里的multitaper进行皮层记录位点HFB活动的频谱分解。在图片观看阶段,以刺激前400100ms作为基线对刺激触发频谱进行标准化。

 

视觉反应电极:通过Wilcoxon符号秩检验比较刺激后HFB响应(100-500ms时间窗)和刺激前基线(-400-100ms),确定视觉反应位点。合并所有记录位点P值(FDR),显著HFB响应的双极子(PFDR < 0.05)被认为是视觉反应。在Brodmann17/18区(v1/v2)内,出现响应潜伏期小于180ms的视觉双极体被标记为“早期视觉”。为定义面孔选择和地点选择的双极子,平均刺激后100-500ms时间窗内的视觉HFB反应,并使用Wilcoxon秩和检验比较面孔和地点。位于v1/v2区以外的显著双极子被标记为“面孔选择”或“地点选择”。

尖波涟漪:采用海马内植入式多触点深度电极检测SWR事件。使用术前和术后CTMRI扫描,以确定每个患者位于或毗邻于CA1/CA2亚区(Freesurfer的海马亚区分割算法)的海马记录点(SWR事件最显著)。然后对所选靶点的LFP进行滤波(70-180 Hz:零滞后线性相位hamming窗的FIR滤波器,5Hz的带宽)并转化为Z分数。超过4个标准差并且满足纳入标准的瞬态事件定义为SWR事件(Fig. 1D)。

SWR刺激时间直方图:构造不同条件的SWR事件PSTH对于图片观看响应(Fig. 2A),我们在图片开始呈现前0.5s至呈现后2.25s时间范围使用50ms的时间bin,并且采用5点的三角形窗进行平滑。为比较记忆和遗忘项目间的涟漪率(Fig. 3),根据Scott优化法,采用120msbin宽来适应较少的试次数。为在回忆事件中构建PSTH,使用200msbin,用5点的三角形窗平滑。

 

多元模式分析(MVPA):通过合并所有患者的视觉反应记录位点构建多变量HFB激活模式。

1定义6ROI外侧枕叶皮层(LO)、颞下回(ITG)、舌回、海马旁回(PHG)、梭状回和内嗅皮质。

2)为构建与观看图片相关的HFB激活模式,首先,计算每个记录位点的瞬时HFB功率。接着,对HFB功率进行Z分数变换。图片观看数据得到28(项目)×78(双极子)×236(时间bin)组成的矩阵,而回忆数据得到28(项目)×78(双极子)×106(时间bin)的矩阵。

3)平均图片观看阶段整个刺激持续时间的数据(100-1500ms),构建视觉响应的模板特征矩阵(28条目×78双极子),并应用PCA降维

4)使用最大似然估计法估计数据内在维数,保留前11PCs,解释83.8%变异(Fig. 6A and B)。

5)为计算在图片观看过程出现的皮层模式与回忆过程出现的涟漪皮层模式间的相似性,在图片观看和自由回忆模式应用同样的线性映射,使用Pearson相关量化观看和回忆模式间的相似性(Fig.6D)。为评估统计学意义,对相关值进行了基于聚类的置换检验(置换次数为2000次,p<0.01)。

交叉分类分析:为测试是否能够从涟漪触发的皮层HFB模式中解码回忆项目,研究者在单试次观看模式中(112个试次)训练k-近邻分类器,并测试其在涟漪模式(在口头报告回忆事件中出现)上的分类性能(即交叉分类分析,Fig .6E, F)。用k=9近邻来解码图片类别,用k=1最近邻来解码样本身份。使用留一交叉验证法衡量分类在观看条件下的性能。对回忆内容进行解码,我们以50ms单位计算海马SWR事件开始前500至后500ms的分类精度。统计显著性采用基于聚类的置换检验(置换次数2000次)。

数据统计:HFB振幅值转换为分贝(10×log10),采用参数检验。对于非正态数据或小样本,使用Wilcoxon符号秩/秩和检验。将Greenhouse-Geisser矫正应用于重复测量方差分析。使用Benjamini-Hochberg或基于聚类的置换检验进行多重比较矫正。

1 实验设计和海马SWR检测。

A)实验设计和刺激。

B1例典型患者海马深度电极的冠状面切片及三维重建。白色箭头表示用于检测SWRCA1记录靶点。

C)深度iEEG电极示意图。

D)记录过程中出现的SWR事件示例。从上到下:原始海马LFP,涟漪频带滤波LFP70-180Hz),用于SWR检测的标准化频带包络。

EF)以SWR峰为中心的总平均涟漪场电位和小波频谱图(n= 8279 SWR事件,15名患者)。

GSWR区间的总体分布。

 

结果:

跨认知状态的SWR特性:

1)确定SWR的基本频谱特性在不同认知状态之间保持不变。研究计算SWR峰出现前200ms至出现后200ms时间窗的涟漪频谱图。比较SWR振幅和峰值频率的Friedman检验表明,主要实验条件之间没有显著差异。

2)探讨SWR率是否随着患者的认知状态而改变。比较不同条件的平均SWR率,结果显示相对于图片观看和静息条件,在回忆和记忆搜索中,SWR率略低。              

 

SWR率的内容选择性调整:       

1)在编码阶段,观看图片是否对SWR率有短暂影响。计算SWRs的刺激时间直方图,显示-0.52.25s50ms的瞬时SWR率(Fig. 2A)。结果发现仅在每张图片第一次呈现时,出现SWR率的短暂上升(峰值在刺激后675ms)。相同图片的反复呈现并未诱发非选择性的锁时反应。         

2)观看过程中产生的SWRs是否在自由回忆阶段以特定内容的方式再激活。测量每个回忆项目(共252项)在观看(刺激后50-1500ms)与自由回忆阶段产生的SWR率之间的相关性。然而,上述新的和重复陈述的平均SWR率差异显著,研究者分别分析与新刺激相关的SWRs和重复时生成的SWRs。结果发现,在观看和自由回忆阶段,每幅图片所产生的SWR率存在显著相关性,但仅限于重复呈现时,也就是说新刺激所产生的SWR率不存在显著相关性       

3)在回忆过程中SWR率特定于内容调制的时间特征。首先根据重复呈现过程中(刺激后50-1500ms)得到的SWRs数对图片进行排序。将图片分组:在观看过程中获得较高SWR率的图片(RR”图片);较低SWR率图片(RR”图片)(Fig. 2B)。结果发现这两种信号之间的差异是由于选择过程所致,并且在观看过程中需要考虑不同图片之间的SWR响应。       

4)自由回忆过程中,观看阶段的特定内容差异是否再次出现。计算SWRsPSTH0点为回忆的口头报告开始(-55s时间窗的200ms bin1000ms的三角窗平滑)。结果发现,在口头报告开始前1-2sSWR率暂时增加Fig. 2C)。基于聚类的置换检验结果表明预期的增加非常显著。另外的分析证实,SWR不与声音振幅相耦合。         

5)自由回忆期间的SWR率暂时增加是否是内容特异性的。比较高RR和低RR图片回忆期间的SWR率。基于聚类的置换检验,结果发现在高RR图片的回忆过程中,SWR率显著提高(Fig. 2D)。实际口头报告开始前1-2s出现内容选择性的增加

2 在图片观看和自由回忆阶段的涟漪PSTH

A)以图片呈现开始为零点的SWRs光栅图和PSTH。结果显示,图片第一次呈现时,平均SWRs率有短暂增加。

B)图片重复呈现过程中,SWR率出现调节的内容选择性,即特定的图片产生更高的SWR率。高RR图片的涟漪率是低RR图片的3.5倍。

C)以口头回忆为零点的总平均涟漪PSTH,结果显示口头报告开始前1-2sSWR率有显著增加。

D)高RR和低RR图片在回忆阶段的SWR率,结果证明了与图片观看阶段相似的内容选择性。再次强调了SWR率增加的预测特征。

 

图片观看阶段的SWR率预测记忆表现:

1)观看图片过程中的SWR动态变化是否与患者回忆图片的能力有关?计算图片第一次和重复呈现时SWRsPSTH。然后,计算患者记住或遗忘图片之间SWR率的归一化差异:(REM FOR)/(REM + FOR)。基于聚类的置换检验显示,观看图片时的SWR率预测自由回忆的表现,即记忆图片比遗忘图片有更高的涟漪率。这种效应仅出现刺激第一次呈现后(Fig. 3A, B)。

2)为检验该预测效果,研究测量涟漪率差异与自由回忆期间的记忆表现差异之间的相关性。结果发现显著相关性在刺激后间隔达到峰值,并在下一张图片呈现后返回基线(spearman r = 0.85, Fig. 3C)。

3)为排除此相关性可能是由于每组图片的试次数不同导致,结果显示刺激后间隔阶段观察到的相关性极显著,并与试次数差异无关(Spearman r = 0.83, P < 0.001; Fig. 3D)。

3 图片观看阶段的涟漪率预测自由回忆阶段的表现。

A)以图片第一次开始呈现为零点,记住图片的SWRs PSTH比遗忘图片具有更高的涟漪率。

B)在重复呈现过程中没有显著差异。

C)记住和遗忘图片之间的涟漪差异可以显著预测回忆表现。在呈现下一张图片时,相关性返回基线,证明效应的时间特异性。

D)左:刺激后涟漪率差异(1500-2250ms)与回忆表现之间的相关性。右:重取样检验显示相关高度显著,并且与项目数量无关。

 

涟漪触发皮层激活:

1)根据偏好和非偏好图片,比较观看阶段和自由回忆阶段的高级类别选择视觉电极(选择面孔或地点图片)的活动。根据观看过程中产生的HFB幅值排序定义图片偏好(前10项定义为首选图片,后10项为非首选图片)。结果显示观看图片阶段,刺激后HFB60-160Hz)功率相对于刺激前显著增加(Fig.4A)。对面孔或地方图片具有偏好HFB反应的视觉电极是类别选择性的,并通常位于沿腹侧视觉的高级视觉区脑区(梭状回的内外侧)。       

2)在回忆过程中,SWRs协调皮层表征再激活的潜在作用。类别选择性视觉位点的活动以海马SWRs开始为零点,结果显示在图片观看和自由回忆过程中,3个代表性的类别选择性记录位点有HFB响应。在回忆过程中,这些电极表现出小的、短暂的HFB波幅调节,这种耦合的皮层活动是内容特异性(偏好项目)的。因此,当对比每个记录位点的偏好和非偏好图片时,耦合到海马SWRs的皮层活动最为明显(Fig.4B-D)。

3)这种涟漪幅度调节是否是整个类别选择性视觉电极的普遍现象。当患者回忆偏好图片时,会出现小但高度一致的HFB激活(50-180Hz [gamma]的宽带功率增加,Fig.5A-C),其涟漪视觉激活明显高于非偏好图片),但低频(1-30Hz)无内容选择性功率变化。

4SWR效应是否特定于明显报告的回忆事件?分析记忆搜索期时(试图回忆,但未报告回忆项目),偏好和非偏好项目诱发的SWRs。记忆搜索期,没有内容选择性的涟漪激活,表明此效应特定于有意识的、可报告的回忆事件。最后使用bootstrap检验估计偏好和非偏好频谱图之间的最大差异潜伏期,显示皮质激活有轻微趋势,但无统计学意义。5)内容选择性涟漪激活是如何分布在整个视觉反应电极上的(Fig. 5D)?在观看图片阶段有显著视觉反应的记录位点根据其在回忆过程中的涟漪再激活进行颜色编码。为获得这张地图:   

a.确定每个记录位点产生最强和最弱响应的10幅图片(图片观看阶段)。   

b.计算回忆阶段的涟漪谱图(Fig.5B, C),分离回忆阶段,偏好与非偏好图片诱发的激活。   

c.平均SWRs开始前300ms至开始后300msHFB功率,并使用Hedges’g量化偏好和非偏好图片之间的差异。结果显示在SWR事件中,视觉信息的内容选择性再激活发生在梭状回以及皮层下游脑区,包括内嗅皮层和鼻周皮层。使用Freesurfer中的解剖图,沿着视觉皮层将皮质表面细分为六个部分重叠的脑区,合并脑区内电极。涟漪再激活最强的是梭状回和内嗅皮层(Fig. 5E, F)。

4 视觉响应电极以及回忆阶段的涟漪视觉恢复。

A)视觉响应电极相对于早期视觉脑区(蓝)、中间视觉脑区(黄)和梭状回(粉红色)的定位。面孔和地点选择的双极电极对分别为红色和绿色。类别选择电极定位于沿腹侧流的高级视觉脑区。

B-D)在3个代表性-类别选择位点中,回忆阶段的类别-选择性涟漪HFB响应。左:每个记录位点的解剖学定位。中间:以图片开始呈现为零点的HFB响应。右:当病人自由回忆相同面孔或地点图片时,会引起HFB响应。SWRs HFB功率的类别-选择性调节。

5 自由回忆阶段,跨视觉层次的涟漪再激活。

A)在图片观看阶段的面孔/地点选择性位点,偏好和非偏好图片的HFB响应。

B)在回忆阶段,相同类别-选择性电极的HFB活动。在对偏好与非偏好图片的回忆过程中,HFB功率的选择性瞬态增加。

C)多锥度频谱图显示涟漪皮层响应集中在较宽的高频范围(50-180Hz)。

D)比较回忆“偏好”和“非偏好”图片时的涟漪响应,视觉响应电极的再激活效应大小(Hedges g)。

E-FROI的显著电极百分比和效应大小。在梭状回和内嗅皮层,涟漪响应的选择性最强。在更多前内侧部位有增强的再激活效应趋势明显。

 

SWRs期间的记忆恢复:

1)探索视觉信息在回忆阶段与SWRs相关的恢复。合并图片观看阶段具有显著内容选择性的视觉反应皮层位点,并在图片观看和回忆阶段构建多位点HFB激活模式(Fig.6A, B)。其次,量化观看和回忆模式之间的相似性(Fig.6C, D)。结果显示,SWR事件期间的模式相关性显著增强。

2)根据SWR触发的皮层HFB模式对回忆项目的识别进行解码(Fig. 6A, B)。测试集结果显示,解码图片类别的准确率为100%k=9NN),样本身份解码的准确率为47.3%k=1NN)。

3)采用交叉分类分析检验回忆过程中SWR开始的视觉恢复的时间特征(Fig. 6E, F)。回忆阶段的类别(82.1%准确率)和样本身份(21.4%准确率)都具有显著解码性能(p<0.01;基于聚类的置换检验,2000次置换)。解码性能与SWR事件一起达到最优,表明海马SWRs与皮层活动之间存在着时间上的精确耦合。

6 在观看和自由回忆阶段,回忆解码性能与皮层激活模式的相似性。

APCA应用于图片观看过程中的多元激活模式。PC1(解释变异的40%)包含项目之间的类别差异。

B)根据PC1PC2PC3可视化模式显示面孔和地点的类别聚类。

C)采用Pearson相关量化观看模式和回忆模式之间的相似性,滑动窗口为50ms

D)观看-回忆模式与SWR事件和图片的开始/偏移的相似性。



总结:

研究要求患者记忆和自由回忆著名面孔和地点图片,测量癫痫患者的海马区SWRsSWR触发的相关皮层活动,结果发现SWRs三个新功能及其与人类情景记忆的关系:

1)在回忆报告开始前1-2s,海马SWR率短暂增加。此增加是内容选择性的,并重新表达在编码阶段,对观察到的相同图片的存在偏好。

2)图片观看阶段的SWR率预测患者的回忆表现。

3)在回忆阶段,高级视觉皮层位点显示SWR触发的HFB活动增加。这种高-宽频带激活是内容特异性的,即仅当患者回忆起观看阶段激活位点的偏好图片时,才会出现该激活。综上所述,该研究结果显示SWRs和人类情景记忆之间的重要联系,即在自由回忆过程中与SWR相关的视觉表征恢复。这些结果指向一个过程,通过此过程,SWRs在海马和大脑皮层(与回忆加工相关)间建立了一个整合的、内容特异性的对话。

原文:Norman, Y., Yeagle, E. M., Khuvis, S., Harel, M., Mehta, A. D., &Malach, R. (2019). Hippocampal sharp-wave ripples linked to visual episodic recollection in humans. Science365(6454), eaax1030. DOI: 10.1126/science.aax1030如需原文及补充材料请加微信:siyingyxf 获取,如对思影课程感兴趣也可加此微信号咨询。

 

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