工作記憶中慢腦振蕩對區(qū)域間皮層交流的動態(tài)調(diào)節(jié)

1.研究背景

當信息在工作記憶中被處理時，會引發(fā)由認知控制網(wǎng)絡組成的背外側前額葉、前扣帶皮層和后頂葉皮層的神經(jīng)活動。認知監(jiān)測功能尤其依賴于前扣帶皮層和后頂葉皮層之間的相互作用。然而，在需要高認知控制的情況下，大腦后部區(qū)域動態(tài)地訪問前額葉資源的確切神經(jīng)機制仍是未知的。

2.研究方法

2.1、實驗一

被試

0名健康志愿者，5名志愿者由于太多眨眼和水平眼動而被剔除?？傆嬘行П辉?5名，16名男性，9名女性。

實驗設計

被試需要完成視覺空間延遲匹配任務，實驗條件分為保留和操作，低負荷和高負荷。

如果方塊是綠色（1個或4個），被試需要在記憶維持方塊的位置2000ms（保留條件），如果方塊是紅色（1個或4個），被試需要在矩陣中反映出方塊在垂直間隙周圍的位置，并將新的位置保存在記憶中（操作條件）。然后，一個帶有1個或4個灰色標記方塊的探測矩陣(取決于之前展示過的方塊數(shù)量)呈現(xiàn)2000ms。被試需要按鍵反應：方塊是否是記憶過的方塊位置或鏡像位置是否和探測矩陣中的方塊匹配。

EEG記錄

記錄64通道的腦電信號，按照國際系統(tǒng)10-10放置，接地電極設置在前額處，腦電記錄頻率為0.016 ~ 80Hz，采樣率為1000Hz，陷波濾波設置為50Hz，阻抗降到20kΩ以下。

EEG分析

每個實驗任務的數(shù)據(jù)被分割為3100 ms的epoch（包括一個600 ms的基線周期、一個500 ms的編碼矩陣和一個2000 ms的延遲周期）。所有人工去除偽跡的試次，包括正確和不正確的回答。保留條件下，負荷1和負荷4的無偽跡試次的平均次數(shù)分別為57.5 (SD = 7.9)和59.4 (SD = 7.03)。對于操作條件下，無偽跡試次的平均次數(shù)在負荷1為58.5 (SD = 7)，在負荷4為59.1 (SD = 6.3)。下面描述的分析應用于2000ms的延遲期。為了進行統(tǒng)計分析，將延遲時間劃分為4個時間窗口(time 1：500-1000 ms、time 2:1000-1500 ms、time 3:1500-2000 ms，time 4:2000-2500 ms)。

事件相關振幅（ERA）增加/減少分析

對于ERA的計算，單個試次首先進行復雜的Morlet小波濾波。數(shù)據(jù)分別進行1-30 Hz和30-70 Hz頻率的濾波(低頻使用8個周期的復Morlet連續(xù)小波解調(diào)，高頻使用10個周期的復Morlet連續(xù)解調(diào))。然后對每個條件的濾波試次進行振幅估計值，并計算ERA。ERA定義為相對于預定義基線期([活動期基線期]/基線期×100)增加或減少的百分比。在編碼矩陣之前，提取低頻從-500-200 ms和高頻從-300-200 ms的基線周期。從延遲區(qū)間估計振幅，然后平均為四個時間窗口（如上所述）。為了進行統(tǒng)計分析，在AFz電極上對(4-7Hz) ERA進行三因素方差分析，CONDITION (retention, manipulation)， LOAD (LOAD 1, LOAD 4)和TIME (TIME 1, TIME 2, TIME 3, TIME 4)。選擇AFz進行統(tǒng)計分析，因為發(fā)現(xiàn)與鄰近電極相比，該位點具有最強的同步化，數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。

Frontal-midline Theta鎖定Gamma調(diào)幅

對于每一個實驗任務，在AFz處的單個試次相位值theta（5Hz）和估計gamma在30,40,50,60和70Hz（10Hz frequency bins）的60個電極位置的幅度值。數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。

作為一項探索性分析，五種方法重復測量方差分析，包括頻率(30、40、50、60和70 Hz)、時間(時間1、時間2、時間3、時間4)、條件(保留、操作)、負荷(負荷1、負荷4)、以FM-THETA相位分選的gamma振幅為因變量，計算60個電極的FM-THETA PHASE (segment 1-10)。這樣做是為了確定是否存在明顯的主效應或任何涉及因子FM-THETA相位的相互作用，作為FM-THETA相位調(diào)制gamma振幅的指標。探索性分析顯示三電極集群顯示gamma調(diào)幅FM-theta階段：額集群(FP1,F7,FC5, FC1 ,FCz,和FC2)，左顳頂集群(C3,CP1 ,CP3, CP5 ,T7, TP7,P7和P5)，和右顳頂集群(C6, CP6,TP8, P2,P3和P6)。下一步，將分析重點放在這三個電極簇和五種重復測量方差分析上，這些方差分析采用因素FREQUENCY、TIME、CONDITION、LOAD和FM-THETA PHASE，其中前額-中線theta相位排序的gamma振幅在三個電極簇中均為因變量。

Theta相位和Gamma振幅互相關

為了進一步評估FM-theta相位是否對gamma振幅有明顯的調(diào)制作用，在頻率為5 Hz(振幅范圍為+1 ~ 1 μV，采樣頻率為50 Hz)的theta周期余弦函數(shù)，即FM-theta 與gamma振幅平均值相同的時間分辨率，分別與電極簇內(nèi)每個任務的相序的gamma振幅相互關聯(lián)(見上文)。兩個完整的theta周期(和等效的有序gamma振幅)被用于交叉相關性(每個時間序列得到20個數(shù)據(jù)點)。如果后gamma振幅不被FM調(diào)制，相位1將期望一個系數(shù)接近零的平坦交叉相關圖。然而，F(xiàn)M-theta相位系統(tǒng)的gamma振幅調(diào)制應該會產(chǎn)生一個明顯的峰值不同于零的交叉相關圖。這種互相關聯(lián)的方法分別應用于每個參與者。交互相關圖的極大值被用作測量伽瑪振幅的相位調(diào)制。接下來，在每個參與者的單次試驗中，F(xiàn)M-Theta相位和gamma幅值從先前確定的電極簇被一次試驗移動。因此，在這些移位的數(shù)據(jù)中，F(xiàn)M-theta和遠端gamma振幅之間不應該再有很強的關聯(lián)。對移位的數(shù)據(jù)重復使用互相關方法。對數(shù)據(jù)進行Fisher-Z變換后，交叉相關圖的極大值與真實數(shù)據(jù)的極大值進行統(tǒng)計學比較。即使在Fisher- z變換之后，數(shù)據(jù)也不是正態(tài)分布的。因此，單尾Wilcoxon檢驗被用來比較真實數(shù)據(jù)和移動數(shù)據(jù)的交叉相關系數(shù)為每個任務條件和電極集群分別。結果經(jīng)過多次比較的FDR校正。

2.2、實驗二

被試

10名健康志愿者，6女4男。

實驗設計

與實驗1相似。例外是，只使用了4個必須經(jīng)過心理操縱的項目(操縱負荷4)。該實驗共包括280個試次。在每一個試次中，記憶組呈現(xiàn)500ms，然后是2000ms的延遲期和2000ms的探測刺激的呈現(xiàn)，以及1500-2000ms的試次間隔(詳情見實驗1)。然而，在這個實驗中，在210個試次中，TMS三次脈沖在延遲期內(nèi)被發(fā)送。在記憶設置偏移后，三次脈沖開始在500 – 1500ms之間抖動。受試者被要求盡可能正確地回答問題。實驗開始時進行了訓練。

腦電數(shù)據(jù)采集

使用和TMS兼容的電極帽，根據(jù)擴展的10-10系統(tǒng)排列的30個頭皮位置記錄腦電數(shù)據(jù)。信號在0.016 -80Hz的頻率范圍內(nèi)以1000Hz的頻率采集(50Hz的陷波濾波)。在記錄過程中，使用鼻尖參考，并將接地電極放置在電極位置FPz。記錄水平和垂直EOG。

TMS方案

TMS刺激器和一個7cm的8字形線圈。在TMS試驗中，在個體靜息運動閾值為80%，50Hz三脈沖被傳送到右頂葉皮層。刺激部位為CP6電極位置，位于實驗1中右后電極簇的正中央。平均刺激強度為43.7 % (SD = 5.4)的最大刺激輸出。三次脈沖是在延遲期間進行的，在整個試驗中出現(xiàn)了起搏器抖動(見上文)。整個過程記錄腦電信號。

EEG數(shù)據(jù)分析

按照實驗1的描述進行預處理和去偽跡。數(shù)據(jù)被分割成：從TMS三脈沖開始-1000ms開始，到TMS三脈沖開始時結束。對電極位置的AFz段進行4 ~ 7 Hz的濾波，得到瞬時相位。腦電階段起始于基于triple-pulse前聚集91 ms(中心頻率的半周期在5.5Hz)的TMS開始階段，以避免結果被過濾的影響。

2.3、實驗三

被試

10名健康志愿者(5男5女；實驗3a的平均年齡為25.3歲(SD = 7.5))。11名健康志愿者(7女3男；平均年齡27.33歲，(SD = 6.6))。

實驗設計

類似的實驗設計與實驗2是用于控制實驗3 a和b。實驗3所不同的是為了建立是否FM-theta phase-dependent性能損傷是由于未指明的經(jīng)顱磁刺激效應(如點擊噪音)或顳頂刺激本身。我們在一個不應該涉及到任務的控制點上進行刺激，即頂點。在實驗3b中，目的是調(diào)查一個項目的保留(后驗gamma被鎖定在FM-theta的峰值)是否可以被TMS類似地干擾。因此，被試只進行實驗1中最簡單的任務(保留負荷1)。每組共280個試次。在每一個實驗中，記憶組呈現(xiàn)500ms，然后是2000ms的延遲和2000ms探測刺激的呈現(xiàn)，以及1500-2000ms的試次間隔(詳情見實驗2)。在每個實驗的210個試次中，TMS三次脈沖在延遲期內(nèi)被發(fā)送。在記憶設置偏移后，三脈沖的開始在500 – 1500ms之間抖動。受試者被要求盡可能正確地回答問題。實驗開始時進行了訓練。

EEG記錄

根據(jù)擴展的10-10系統(tǒng)，使用與TMS兼容的電極帽，記錄30個頭皮位置的腦電數(shù)據(jù)。信號在0.016 - 80hz的頻率范圍內(nèi)以1000Hz的頻率采集(50Hz的陷波濾波)。在記錄過程中，使用鼻尖參考，并將接地電極放置在電極位置FPz。記錄水平和垂直EOG。

TMS方案

使用PowerMag Research 100 TMS刺激器(Mag& More)和7cm的8字形線圈(Mag& More)。在經(jīng)顱磁刺激試驗中，在個體靜息運動閾值的80%給予50Hz三脈沖。實驗3a將三次脈沖發(fā)送到頂點(刺激部位為腦電電極Cz點；平均刺激強度為43.0 % (SD = 5.5)的最大刺激輸出。而在實驗3b中，三脈沖被傳遞到右頂葉皮層(在腦電電極位置CP6上，與實驗1相同，也是實驗2的刺激部位；平均刺激強度為41.8 % (SD = 6.9)的最大刺激輸出)。在這兩個實驗中，三次脈沖都是在延遲期間傳遞的。整個實驗過程中都記錄腦電。

EEG數(shù)據(jù)分析

與實驗2所描述的一樣。

2.4、實驗四

被試

15名健康志愿者(14女1男)。利用G*Power進行先驗功率分析。效應大小基于實驗2。然而，由于實驗2測試的樣本量較小，且效應量非常高，因此實驗2中報告的效應量只有三分之一被用于先驗功率分析。當f = .2, alpha = .05和1-beta = .8時，建議樣本量為14。一名被試由于高度不適而沒有完成額葉TMS測試，另一名被試由于在頂葉TMS測試中表現(xiàn)出非常低的表現(xiàn)(低于平均值2.5個標準)而被排除在統(tǒng)計分析之外。

實驗設計

采用與實驗2相似的實驗設計。然而，采用了在不同的時間進行兩次TMS治療的被試內(nèi)設計。實驗一階段被試右頂葉皮層(10- 10系統(tǒng)腦電電極位置CP6)經(jīng)顱磁刺激與實驗二完全相同。在另一組中，TMS傳遞到右額葉皮層(電極位置FC6)，該部位對皮膚感覺和肌肉抽搐的控制要優(yōu)于實驗3a中對頂點的刺激。本實驗的被試內(nèi)部設計允許直接比較經(jīng)顱磁刺激傳遞到頂葉部位和對照組部位。此外，CP6刺激過程被認為是實驗2的內(nèi)部復制嘗試。

TMS方案

使用PowerMag Research 100 TMS刺激器(Mag&More)和一個7cm的8字形線圈(Mag&More)。在經(jīng)顱磁刺激試驗中，在個體靜息運動閾值的80%給予50Hz三脈沖。在右頂葉TMS過程中，三脈沖在腦電電極位置CP6發(fā)出(與實驗2相同；平均刺激強度為40.3 % (SD = 4.8)的最大刺激輸出)。而在右額葉TMS過程中，三次脈沖在腦電電極位置FC6(刺激強度與其他過程相同；然而在6名參與者中，強度必須降低，因為80%的靜息運動閾值太不舒服而無法承受(平均刺激強度為37.3% (SD = 5.9)最大刺激輸出)。在這兩組試驗中，三次脈沖都是在延遲期間進行的，在試驗中出現(xiàn)了起搏抖動(見上文)。使用無框架立體定向神經(jīng)導航設備(Mag& More PowerMag View!)監(jiān)測TMS線圈位置。整個實驗過程中都記錄腦電信號。

EEG數(shù)據(jù)分析

預處理和人工去偽跡按照實驗2的描述進行。數(shù)據(jù)被分割成：從TMS三脈沖開始前1000ms開始，到TMS三脈沖開始時結束。對電極位置的AFz段進行4 ~ 7 Hz的濾波，得到瞬時相位。在TMS開始時，基于三脈沖(5.5 Hz中心頻率的半周期)之前采集的91 ms值估計腦電相位，以避免結果受到分割邊緣濾波器振動偽跡的影響。然后將試驗分為10個FM-theta階段箱36個，并計算每個階段箱的正確應答率。

對TMS SITE (CP6 vs. FC6)和THETA PHASE因素的正確反應率進行了二因素重復測量方差分析。為了評估實驗2和實驗3的結果是否被實驗4重復/復制，分別對CP6(如實驗2)和FC6(如實驗3)進行了兩個單因素重復測量方差分析。最后，實驗2的數(shù)據(jù)集和實驗4的CP6增產(chǎn)條件進行了合并，在更大的樣本上進行了帶有因子THETA PHASE的單向重復測量方差分析。

3.實驗結果

圖1a & b 實驗范式和行為結果

圖2c 負荷4和負荷1之間FM-theta活動差異的地形分布。

圖解：圖為實驗范式，行為結果和FM - Theta振幅

結果表明，在記憶保持條件下，1個或4個物品的空間位置被保留了2000 ms，并與探測進行了比較。在操作條件下，物品的空間位置必須在心理上反映在網(wǎng)格的垂直間隙周圍，保留在記憶中，并與探測進行比較。b圖：實驗1中四種情況的準確率(百分比)。紅色的小提琴元素表示Load 1，綠色的小提琴元素表示Load 4。c圖：AFz電極上任務相關的FM-theta振幅在延遲期間增加。值超過100%表示與基線相比振幅增加。誤差條表示均值的標準誤差。c圖顯示了負荷4和負荷1之間FM-theta活動差異的地形分布。

實驗一結果

使用配對樣本t檢驗分別評估額中線和右側顳頂葉區(qū)域間頻率內(nèi)相位相干性。與刺激前基線間隔相比，在電極位置AFz和P2之間保留4個項目的延遲間隔的前500ms內(nèi)，theta相位一致性僅明顯增加(p < .05)。在任何其他的時間間隔和任何其他的實驗條件下，以及任何進一步的電極對在theta或gamma頻率下，相位相干性都沒有明顯的增加。因此，在192個比較中，只有一個在未校正的5%明顯水平上明顯。結果沒有發(fā)現(xiàn)在延遲期間額中線和右側顳頂葉電極之間的一致性增加。鑒于右側顳頂葉gamma振幅與任務難度不同的FM-theta相位相關，我們預測，用經(jīng)顱磁刺激(TMS)干擾顳頂葉區(qū)域快速節(jié)律性腦活動的影響應該取決于TMS脈沖相對于正在進行的FM-theta階段的時間(見實驗2)。

實驗二結果

與我們在初始腦電數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的模式非常一致(圖2a)，在刺激開始時，TMS依賴于FM-theta相位明顯調(diào)節(jié)任務績效。重要的是，右側顳頂葉TMS在FM-theta周期高峰時的作用幾乎對任務表現(xiàn)沒有任何影響。然而，如果在FM-theta波谷前不久，實驗1中增加的gamma振幅被鎖定的階段，右側后顱磁刺激導致性能下降，接近機會水平(圖2b)。這直接表明任務相關右顳頂神經(jīng)活動是FM-theta波脈沖和同步。

圖2a 基于任務的后gamma波段活動嵌套到FM-theta波

圖2b. 基于任務的后gamma波段活動嵌套到FM-theta相位特異性TMS效應。圖解：基于任務的后gamma波段活動嵌套到FM-theta波和FM-theta相位特異性TMS效應。在延遲期間，F(xiàn)M-theta鎖相右顳頂葉gamma振幅(實驗1)。a圖中藍色陰影區(qū)域電極位置的平均z變換后的gamma幅值表示為從電極位置AFz提取的FM-theta相位的函數(shù)。暖色表示較強的gamma振幅。在x軸上，顯示了覆蓋一個完整的FM-theta循環(huán)的十個FM-theta相位箱。y軸的四條線代表根據(jù)任務難度排序的四種實驗條件。注意，在實驗條件下需要的認知控制越多(保持load1 < 操作load1 < 保持load 4 < 操作load 4)后gamma活動多嵌套入FM-theta期。b圖：右顳頂葉三脈沖rTMS對四項操作任務精度的影響(實驗2)。rTMS破壞效應的強度取決于刺激開始時的瞬時FM-theta相位。當后驗rTMS應用于接近FM-theta波谷的位置時，即腦電gamma活動嵌套的敏感期，實驗1平均正確率下降到接近機會水平。x軸上的10個FM-theta相位箱從a對齊到FM-theta相位。點表示單個受試者數(shù)據(jù)。折線圖表示樣本均值，以均值的標準誤差作為誤差條

實驗三結果

在FM-theta波谷處的相位特異性干擾不是一種非特異性效應，而是針對開始前端最困難的實驗條件，即也顯示后gamma活動鎖定在FM-theta波谷的條件。然而，應該注意的是，大多數(shù)被試在最簡單實驗條件下(保留一個項目)的表現(xiàn)在天花板上或非常接近天花板，即正確回答平均得分為97.0% (STD = 7.89)。這也可以解釋為什么在FM-theta峰值(最容易的條件下的階段)時的TMS不會影響任務性能。

實驗四結果

總體而言，實驗4的參與者比實驗2的參與者做得好得多，這或許可以解釋效應量的減少。實驗四中部分被試的表現(xiàn)接近上限水平，這可能導致經(jīng)顱磁刺激對表現(xiàn)的調(diào)節(jié)較少。在控制條件下，右前額-中央TMS對任務績效的影響不明顯。最后，將實驗2和實驗4的右頂葉TMS會話數(shù)據(jù)放在一起，并使用單向重復測量方差分析。theta相位因子的主效應明顯(見附圖2b)。

4.結論

目前的研究結果表明，后gamma活動相對于FM-theta峰或谷的排列代表了一種有效的門控機制，它通過前后神經(jīng)網(wǎng)絡的動態(tài)同步或去同步來控制對額葉認知資源的訪問/分配。同樣，當健康的年輕參與者從事高要求的工作記憶任務時，這種主動解耦機制也可以在默認模式網(wǎng)絡中找到。

5.參考文獻及DOI號

Berger, B., Griesmayr, B., Minarik, T., Biel, A. L., Pinal, D., Sterr, A., & Sauseng, P. (2019). Dynamic regulation of interregional cortical communication by slow brain oscillations during working memory. Nature communications, 10(1), 1-11.

DOI：10.1038/s41467-019-12057-0