חלק 1: דינמיקה עצמאית של פעילויות EEG תוך גולגולתי ספקטרלי נמוך, בינוני ותדר גבוה במהלך היווצרות זיכרון אנושי

איש קשר: אודרי הוaudrey.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,

מיכל ת' קוצ'ביצ'ק,ה,י,∗

בית ספר לתואר שני במדעי ביו-רפואה, Mayo Clinic, ארה"ב

b המחלקה להנדסת חשמל ומחשבים, אוניברסיטת אילינוי, אורבנה-שמפיין, IL, ארה"ב

c המחלקה למערכות מולטימדיה, הפקולטה לאלקטרוניקה, טלקומוניקציה ואינפורמטיקה, מרכז BioTechMed, האוניברסיטה הטכנולוגית של גדנסק, גדנסק, פולין d Nencki Institute of Experimental Biology, האקדמיה הפולנית למדעים, ורשה, פולין

המחלקה לנוירולוגיה, Mayo Clinic, רוצ'סטר, MN, ארה"ב

המחלקה להנדסת מחשבים, אוניברסיטת איווה סטייט, איימס, איווה, ארה"ב

g האקדמיה הצ'כית למדעים, המכון למכשירים מדעיים, ברנו, צ'כיה

h רובוטיקה וקיברנטיקה, המכון הצ'כי לאינפורמטיקה, האוניברסיטה הטכנית הצ'כית בפראג, פראג, צ'כיה

המחלקה לפיזיולוגיה והנדסה ביו-רפואית, Mayo Clinic, ארה"ב

Cistanche יכול לשפר את הזיכרון

a b s t r a c t

קשת רחבה של מקצבי מוח עוסקת בכל קליפת המוח האנושית בתפקודים קוגניטיביים. כיצד מתואמים המקצבים של טווחי תדרים שונים על פני המרחב של קליפת המוח האנושית והזמן שלזיכרוןהעיבוד אינו חד משמעי. הם יכולים להיות מתואמים יחד על פני ספקטרום התדרים באותו אתר וזמן קליפת המוח או מושרה באופן עצמאי ברצועות מסוימות. השתמשנו במערך נתונים גדול של אלקטרואנצפלוגרפיה תוך גולגולתית אנושית (EEG) כדי לנתח את הדינמיקה המרחבית-זמנית של פעילויות ספקטרליות שנגרמו במהלך היווצרות זיכרונות מילוליים. קידוד מילים עבור זכירה חופשית לאחר מכן הפעיל תטא בתדר נמוך, תדר ביניים אלפא וביטא ועוצמת גמא בתדר גבוה בדפוס פסיפס של אתרים נפרדים בקליפת המוח. רוב האתרים בקליפת המוח תיעדו פעילות רק באחד מהתדרים הללו, למעט קליפת המוח החזותית שבה הספק הספקטרלי הושרה על פני מספר פסים. כל פס תדרים הראה דינמיקה אופיינית של הכוח המושרה ספציפי לאזור קליפת המוח והמיספרה. העוצמה של הפעילויות הנמוכות, הבינוניות והתדירות הגבוהות התפשטה ברצפים עצמאיים על פני האזורים החזותיים, הזמניים והפרה-פרונטליים בקליפת המוח לאורך השלבים הבאים שלזיכרוןהַצפָּנָה. התוצאות שלנו מספקות מודל הוליסטי ומפושט של הפעילויות הספקטרליות העוסקות ביצירת האדםזיכרון, המציע פסיפס מופץ מבחינה אנטומית וזמנית של מקצבי מוח מתואמים.

1. הקדמה

מקצבי מוח נחשבים לתומכיםזיכרוןותפקודים קוגניטיביים על ידי תיאום פעילויות של נוירונים מחוברים לאינטראקציות סינכרוניות (זינגר, 1999; Buzsaki, 2006; Fries, 2015; Klimesch, 1996; Fell and Axmacher, 2011). ספקטרום הפעילויות הקצביות המעורבות באינטראקציות אלו כולל את התטא (3-9 הרץ) ואת הגמא

(30-120 הרץ) רצועות תדרים עם תפקידים ספציפיים המוצעים לפעילויות בתדר נמוך וגבוה ב-זיכרוןעיבוד (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) . רצועות תדר הביניים אלפא (9-12 הרץ) ובטא (12-25 הרץ) היו קשורות גם לתהליכים הדרושים לפונקציות זיכרון (Klimesch et al., 2007; Hanslmayr et al., 2011; Spitzer and Haegens 2017; Schmidt et al. al., 2019; Michalareas et al., 2016). כיצד המקצבים השונים הללו פועלים יחד בפונקציה בטווח זמן מוגדר, ומערבים רק תת-קבוצה של הפעילויות הספקטרליות בטווח תדרים נתון. לדוגמה, רק מקצבי תטא יופיעו באתר נתון. שני התרחישים מסכימים כי ניתן להמשיג את פעילות המוח בטווחי תדרים מוגדרים כ"טביעות אצבע ספקטרליות" המשרתות תהליכים תפיסתיים או קוגניטיביים ספציפיים בקנה מידה זמני מקביל של אינטראקציות עצביות (Siegel et al., 2012; Hanslmayr and Staudigl, 2) . פתרון הדינמיקה של טביעות האצבע הספקטרליות הללו במדויק במרחב ובזמן האנטומיים הוא קריטי כדי לבחון השערות אלו ולספק מודל הוליסטי של הפעילויות העצביות המעורבות במהלך משימות קוגניטיביות.

הקלטות אלקטרואנצפלוגרפיות תוך גולגולתיות (EEG) מהוות הזדמנות ייחודית לחקור ברזולוציה גבוהה את ההיקף הגדול של פעילויות עצביות המעורבות במהלך תפקודי מוח קוגניטיביים ואחרים באזורים נפרדים של קליפת המוח האנושית (Lhatoo et al., 2019; Johnson et al., 2020; Jacobs and Kahana 2010; Engel et al., 2005). אותות ה-EEG נדגמים ממגעי אלקטרודה המושתלים ישירות על פני השטח של הניאוקורטקס או לתוך השכבות העמוקות והמבנים התת-קורטיקליים שלו. לפיכך, ניתן לעקוב אחר פעילויות ספקטרליות שנוצרות על ידי אוכלוסיות עצביות מקומיות ומתועדות ממספר אנשי קשר נפרדים באזורים נפרדים בקליפת המוח במהלך הזמן שלזיכרוןמעבד. מחקרי iEEG קודמים השתמשו בדרך כלל בכוח הספקטרלי המושרה בטווחי תדר גמא גבוהים (60-120 הרץ) כדי לעקוב אחר עיבוד קליפת המוח בזיכרוןומשימות קוגניטיביות (Jerbi et al., 2009; Lachaux et al., 2012; Crone et al., 2006; Lundqvist et al., 2018). תטה (Sheehan et al., 2018; Lin et al., 2017) ואלפא (Staresina et al., 2016) נחקרו גם הם בעבר. הוכח כי פעילויות נדנודות בתדרים תטא ואלפא מתפשטות כגלים מקומיים, עצמאיים, נודדים באזורים נפרדים בקליפת המוח במהלךזיכרוןעיבוד (Zhang et al., 2018), אך הדינמיקה המרחבית-זמנית היחסית של תנודות בתדר נמוך אלה ופעילויות הבטא והגמא המהירות יותר במהלך עיבוד זיכרון נותרו ברובן בלתי נחקרות.

כאן, ניצלנו מערך iEEG גדול של 164 משתתפים המקודדים רשימות של מילים לזכרון מילולי חופשי לאחר מכן. מחקרים קודמים עם משימה זו חשפו רשת מבוזרת של אזורי מוח הקשורים לעיבוד חושי ועם הצהרתי מסדר גבוה יותרזיכרוןפונקציות (Burke et al., 2013; Burke et al., 2014a; Kucewicz et al., 2019). כוח הגמא הגבוה המושרה נצפה תחילה באזורים החזותיים של קליפת המוח האוקסיפיטומפורלית ולאחר מכן באזורים קדמיים יותר של הקורטקס הקדם-מצחתי, מה שעורר מודל דו-שלבי שלזיכרוןקידוד עם שלב סנסורי מוקדם ומאוחר (Burke et al., 2014a).

רצף דומה של סדר אחורי-לקדמי של כוח המושרה נצפה גם בפס התדרים של תטא (Burke et al., 2013) ואושר בפעילויות מעבר לטווח תדרי הגמא (Kucewicz et al., 2014). המחקר האחרון שלנו מצא את הרצף של עוצמת הגמא הגבוהה המושרה במהלךזיכרוןהקידוד יהיה רציף עם חביון הולך וגובר לאורך היררכיה של אזורי אסוציאציות מסדר גבוה יותר (Kucewicz et al., 2019), שהגיע לשיאו בקליפת המוח הקדם-מצחית הקדמית עד מאוחר לקידוד מילים. מחקרי ה-iEEG הקודמים של עיבוד זיכרון מילולי היו מוגבלים למערכי נתונים קטנים יותר של הקלטות משתתפים עם כיסוי אלקטרודות דליל של הניאוקורטקס או התמקדו רק בפסי תדר נבחרים. לפיכך, הספק הספקטרלי על פני פסים שונים יהיה ממוצע מרחבי על פני מספר אתרי אלקטרודות של אזורים קליפת המוח גדולים יותר, ובכך יאבד את הרזולוציה והפירוט של אתרים בודדים, או לא ייבדק על פני פעילויות המוח תטא, אלפא ובטא וגמא.

בהתחשב בהיקף הרחב של ספקטרום התדרים ואזורי המוח שניתחו ביחד במחקרים הקודמים, שיערנו שפעילויות ספקטרליות ספציפיות נגרמות בדפוס גרגירי של קליפת מוח נפרדת

מיקומים. לפיכך, צבירת פעילות ממספר מיקומים תגרום להטיית פס רחב בעוצמה על פני כל הספקטרום (Kilner et al.,2005), שיכולה להיות מורכבת ממספר רב של "טביעות אצבע ספקטרליות" (Fellner et al., 2019) . הלוקליזציה המדויקת של טביעות אצבע שונות תהיה משותפת לאותם אתרי קליפת המוח של הקלטת אלקטרודות או שתהיה מופצת בפסיפס של אתרים אנטומיים שונים. באופן דומה, במונחים של תזמון, הפעילויות הספקטרליות הנמוכות, הבינוניות והתדר הגבוהות ייגרמו בזמנים שונים שלזיכרוןקידוד או הכל בו זמנית. בנוסף לפעילויות התטא והגמא, מקצבי אלפא וביטא צפויים להיות מושרים באתרים ובזמנים שונים של קליפת המוח.זיכרוןהַצפָּנָה. באופן כללי, בדקנו דינמיקה מרחבית-זמנית עצמאית של הפעילויות הספקטרליות שנגרמו במהלך היווצרות מילולית אנושיתזיכרוןעקבות. המטרה שלנו הייתה לספק מודל הוליסטי של מקצבי מוח המעורבים במגוון רחב של תדרים, אנטומיה של קליפת המוח ושלבי קידוד זיכרון.

2. חומרים ושיטות

2.1. נושאים

מערך הנתונים של הקלטות EEG מ-164 משתתפים בסך הכל שעברו הערכה כירורגית של אפילפסיה עמידה לתרופות נלקח ממחקר שיתופי רב-מרכזי גדול (כל הנתונים הבלתי מזוהים זמינים בכתובת http://memory.psych.upenn.edu/Electrophysiological{ {3}}נתונים).

ההקלטות נאספו מהמרכזים הבאים: מאיו קליניק, בית החולים האוניברסיטאי תומס ג'פרסון, בית החולים של אוניברסיטת פנסילבניה, המרכז הרפואי דארטמות'-היצ'קוק, בית החולים האוניברסיטאי אמורי, המרכז הרפואי הדרום-מערבי של אוניברסיטת טקסס ובית החולים האוניברסיטאי קולומביה. פרוטוקול מחקר משותף אחד אושר על ידי ועדת הביקורת המוסדית המתאימה בכל מרכז, והסכמה מדעת התקבלה מכל משתתף. עבור 139 החולים שנכללו בניתוח הסופי, מידע לגבי מספר ניסויי המילים שהושלמו ואזור תחילת ההתקפים מסוכמים ב- Suppl. טבלה 1. הופעת ההתקפים הייתה מקומית להמיספרה הימנית ב-46 חולים, ההמיספרה השמאלית ב-55, דו-צדדית ב-26, ולא נקבעה ב-12. מידע דמוגרפי כגון גיל ומין היה זמין רק עבור 85 חולים (גיל ממוצע 35.6 שנים) עם סטיית תקן 11.6 שנים; 43 נשים עד 42 גברים, תוספות טבלה 1) עקב גישה מוגבלת למידע הבריאותי הרגיש ממספר מרכזים קליניים שאספו את מערך הנתונים המצטבר. הקלטות אלקטרופיזיולוגיות נאספו מאלקטרודות תת-דוראליות ועומק קליניות סטנדרטיות (AdTech Inc., PMT Inc.) שהושתלו על פני הקורטיקלי ולתוך הפרנכימה המוחית, בהתאמה. מגעי אלקטרודה תת-דוראליים היו מסודרים בתצורת רשת או רצועה עם הפרדה של 10 מ"מ, ומגעי אלקטרודה בעומק הופרדו ב-5 עד 10 מ"מ. מיקום האלקטרודות נקבע על ידי צוות קליני כדי לאתר מוקדי התקף עבור אפילפסיה אפשרית, בהתאמה לניתוח או השתלה של מכשיר לגירוי חשמלי טיפולי במוח.

2.2. לוקליזציה אנטומית ומיפוי משטח המוח

פרצלציות משטח קליפת המוח נוצרו עבור כל משתתף מסריקות MRI טרום-השתלה (רצפים משוקלל T1-נפחי) באמצעות תוכנת Freesurfer (RRID: SCR_001847). ההיפוקמפוס והאזורים הסובבים את קליפת המוח הוגדרו בנפרד בהתבסס על סריקה משוקללת T2-עטרה בעובי 2 מ"מ נוספים באמצעות שיטת פילוח רב-אטלס של היפוקמפוס (Automatic Segmentation of Hippocampal Subfields). קואורדינטות מגע של אלקטרודה, שנגזרו מסריקות CT לאחר ההשתלה שנרשמו במשותף, מופו לאחר מכן לסריקות ה-MRI שלפני ההשתלה כדי לקבוע את מיקומן האנטומי. עבור רצועות ורשתות תת-דוראליות, מגעי האלקטרודה הוקרנו בנוסף למשטח הקורטיקלי באמצעות אלגוריתם למזער אנרגיה כדי להסביר את השינוי במוח לאחר הניתוח. מיקומי הקשר נבדקו ואושרו על משטחים ותמונות חתך על ידי נוירורדיולוג. סריקות ה-MRI המשוקללות T1- נרשמו גם למוח הסטנדרטי MNI152 כדי לאפשר השוואה של אתרי הקלטה במרחב משותף בין נבדקים. מיקומים אנטומיים של אתרי ההקלטה, כולל אזורי ברודמן, נגזרו על ידי המרת קואורדינטות MNI למרחב Talairach ושאילתה של הדמון Ta-Talairach (www.talairach.org).

2.3. הקלטות אלקטרופיזיולוגיות

אותות ה-EEG תועדו באמצעות אחת ממערכות הרכישה האלקטרופיזיולוגיות הקליניות הבאות (תלוי במוסד לאיסוף הנתונים): Nihon Kohden EEG-1200, Natus XLTek EMU 128, או Grass Aura-LTM64. בהתאם למערכת הרכישה והעדפת הצוות הקליני, האותות נדגמו ב-500, 1000 או 1600 הרץ והתייחסו למגע נפוץ המוצב בתוך-גולגולתי, על הקרקפת או בתהליך המסטואיד. לצורך ניתוח, כל ההקלטות שמשתמשות בקצבי דגימה גבוהים יותר סוננו על ידי מסנן נגד כינוי ונדגמו למטה ל-500 הרץ. מונטאז' דו קוטבי נפוץ חושב לאחר הוק עבור כל נבדק על ידי הפחתת סדרות זמן של מתח נמדד על כל זוגות המגעים הסמוכים במרחב. זה הביא ל-N-1 אותות דו-קוטביים במקרה של האלקטרודות החודרות והרצועות, ו-N=(i − 1)∗j פלוס (j − 1)∗I, כאשר i ו-j הם מספר אנשי הקשר בממדים האנכיים והאופקיים של הרשת. לניתוח הנתונים של מחקר זה, "אלקטרודה" אחת מתייחסת לאות הדו-קוטבי מזוג מגעים דו-קוטבי אחד. חשוב לציין כי ניתן להשתמש במגעים עבור אלקטרודות מרובות, כך שלא כל האותות הם באמת עצמאיים.

2.4. משימת אחזור חינם

פרדיגמה קלאסית לבחינת היווצרות של אפיזודי מילוליזיכרוןהועסק (כהנא, 2014), שבו הוצגו לנבדקים רשימות של מילים לזכרון חופשי לאחר מכן. המשתתפים הונחו ללמוד רשימות של מילים המוצגות על מסך מחשב נייד לצורך מבחן מושהה של זכירה קולית. הרשימות הורכבו מ-12 מילים שנבחרו באקראי וללא החלפה ממאגר של שמות עצם בתדירות גבוהה בשפת האם של הנבדק (או אנגלית או ספרדית; http://memory.psych.upenn.edu/WordPools). כל מילה הופיעה על המסך במשך 1600 אלפיות השנייה, ואחריה ריצוד אקראי של 750 עד 1000 אלפיות השנייה מרווח ריק בין גירויים. בסוף כל רשימת מילים בוצעה משימת הסחת דעת על ידי הנבדק. משימה זו נמשכה 20 שניות והורכבה מסדרה של בעיות אריתמטיות פשוטות בפורמט A ועוד B ועוד C, כאשר A, B ו-C היו מספרים שלמים אקראיים חד-ספרתיים בין 1 ל-9. לאחר משימת ההסחה, המשתתפים קיבלו 30 שניות שבהן ניתן לזכור כמה שיותר מהמילים מהרשימה בכל סדר (איור 1). תגובות קוליות תועדו דיגיטלית על ידי המחשב הנייד ולאחר מכן קיבלו ניקוד ידני לצורך ניתוח. רק נבדקים שזכרו לפחות 15 אחוז מהמילים והשלימו לפחות 12 רשימות של המשימה נכללו בניתוח נוסף (Long et al., 2014). זה השאיר 139 מתוך 164 הנבדקים המקוריים עבור סך של 14,219 אלקטרודות ששימשו במחקר זה. הקלטות אלקטרוליזה-לוגיות סונכרנו להופעת גירוי על המסך באמצעות מחולל פולסים חשמלי המופעל על ידי מחשב נייד המשימה, ששלח פולסים לערוץ אירועים ייעודי במערכת הרכישה הקלינית. האירועים הוחתמו לאחר סשן ההקלטה באמצעות קודי MATLAB שנכתבו בהתאמה אישית ושימשו לחילוץ תקופות עניין ספציפיות סביב הצגת מילים. כל תקופה מוקלטת הייתה באורך 3000 אלפיות השנייה וכללה 1600 אלפיות השנייה של הצגת מילים על המסך עם 700 שניות של מסך ריק של מרווח הביניים לפני ואחרי כל הצגת מילים.

כוח ספקטרלי בניסוי ממוצע של אותות EEG מתקופות של הצגת מילים (מילה אחת בכל ניסוי) שולב לאורך העידן ושימש כתכונה לסיווג אלקטרודות פעילות המתעדות מאזורי מוח העוסקים במילוליזיכרוןהַצפָּנָה. אלקטרודות פעילות סווגו באופן עצמאי בשישה פסי תדרים של ספקטרום ה-EEG תוך שימוש באומדנים מנורמלים של שינוי ההספק (טרנספורמציה של ציון z). הליך הסיווג השתמש בשיטה ללא פיקוח המבוססת על מודל התערובת של גאוס (Saboo et al., 2019). שימו לב לפעילות המושרה על פני כל ששת פסי התדר בספקטרוגרמה לדוגמה, המתוכננת מפעילות בממוצע ניסוי מאלקטרודה אחת הממוקמת בקליפת העורף.

2.5. ניתוח נתונים

ניתחנו את תקופות הקלטת iEEG במהלך הצגת מילים עבורזיכרוןהַצפָּנָה. כל עידן מצגת עבר סינון FIR (בסדר 2000- ב-Barlett-Hanning עם סינון עיוות אפס פאזי, פס עם מגבלות תדרים שצוינו עבור כל פס תדרים) לפני פירוק ספקטרלי, מנורמל והוכנס באופן עצמאי לרצועות תדרים נפרדים 2 ו-120 הרץ: תטא נמוכה (2-4 הרץ), תטא גבוהה (5-9 הרץ), אלפא (10-15 הרץ), בטא (16-25 הרץ), גמא נמוכה (25-55 הרץ), וגבוהה גמא (65–115 הרץ). הגבולות של פסי התדרים הללו נקבעו על סמך טווחים שאינם חופפים ומתמשכים הגדלים ברוחב לאורך ספקטרום התדרים. הגבול העליון של 115 הרץ נבחר כדי להבטיח לפחות 4 דגימות בכל מחזור בהינתן תדר הדגימה של 500 הרץ וכדי למנוע את ההרמוניה של רעש הקו של 60 הרץ. כדי להמיר אותות מסוננים לספקטרוגרמה עם א

רזולוציית סל תדרים של 2 הרץ מ-2 הרץ עד 115 הרץ, השתמשנו בחלונות הזזה של 500 אלפיות השנייה עם אורכי שקופיות של 5 אלפיות השנייה ובשיטת ריבוי הצטיידות עם 1 התחזות מארגז הכלים הכרוני ב- MATLAB (http://chronux.org/; Mitra, 2007). ממוצע הספקטרוגרמות של עידן הצגת המילים נערך יחד לאחר נורמליזציה של לוג ושינוי ציון z של כל נקודת זמן-תדר. ניקוד Z בוצע לפי הנוסחה הבאה:

x(t, f) − μ

z(t, f)=σ

כאשר x הוא האות, t הוא סל הזמן, f הוא סל התדרים, f הוא הממוצע, ו-f הוא סטיית התקן עבור התדר הנתון. כל ניסוי היה מנורמל בנפרד. נורמליזציה של יומן יושמה כדי לתקן את השפעת חוק הספק 1/f של תדרים נמוכים יותר על אומדן הספק בפסי התדר הגבוהים יותר, והטרנספורמציה של ציון z בוצעה כדי לספק סולם מנורמל של שינוי הספק להשוואה של אותות מאלקטרודות שונות , מפגשים ומשתתפים (Kucewicz et al., 2019, 2017; Saboo et al., 2019). נורמליזציה זו של ציון z מייצרת שינויי כוח חיוביים ושליליים ביחס להספק הממוצע בתוך כל תקופה של מילה אחת במקום להשתמש בתקופת "בסיס". לפיכך, אפילו סטיות קטנות חיוביות או שליליות של כוח מוחלט יוגדלו באופן יעיל ביחס לממוצע האות, כפי שתואר קודם (Kucewicz et al., 2019; Alotaiby et al., 2015). חפצי קצה באומדן ההספק בוטלו על ידי גזירת פחים דו-פעמיים משני קצוות הספקטרוגרמה הסופית עבור כל התדרים. עבור כל אלקטרודה ופס תדר, קבענו את ההספק הספקטרלי הממוצע בכל פח זמן על פני כל תקופות הצגת המילים. ההספק הכולל המושרה בפס תדרים נתון במהלך תקופת הצגת המילים נכמת כשטח מתחת לערך המוחלט של עקומת סדרת הזמן המתאימה, כפי שמוצג באיור. 1. לאחר מכן, אלקטרודות סווגו ל"פעילים" ו"לא פעילים" בכל רצועה ספציפית תוך שימוש בשיטת האשכול הבלתי מפוקחת שלנו המבוססת על Gaussian Mixture Modeling (GMM) כדי לזהות את אלו שהראו שינויים בהספק שנגרמו ממשימה (Saboo et al.,2019 ). שיטה זו בעצם מבצעת סיווג בינארי של למידת מכונה של ערוצים פעילים ולא פעילים בהתבסס על ערך ההספק המושרה של כל ערוץ. הסיווג נעשה בנפרד עבור כל רצועת תדרים של עניין. ההליך כולו מתמצה באיור. 1.

בחרנו בשיטה מבוססת GMM כדי להבטיח שמספרים שונים משקפים מסחר יתאפשרו עבור אשכולות האלקטרודות הפעילות והאלקטרודות הלא פעילות. מספר האשכולות הוגדר לשניים מכיוון שהסיווג הפעיל-לא פעיל של אלקטרודות הוא בינארי: שינוי בהספק הספקטרלי יכול להיגרם (להגדיל או להקטין) או לא במהלך תקופת הצגת המילים. השימוש ב-GMM גם איפשר קלאסיפיקציה ללא דרישה לנתוני אמת יסודיים. אלקטרודות קובצו על פני נבדקים ולאחר מכן התקבצו כדי לזהות אלקטרודות פעילות.

2.6. מיפוי כוח מושרה

רוב האלקטרודות הפעילות היו מקומיות באזורי קליפת המוח הקשורים לעיבוד מידע חזותי וסמנטי, כמו גם עם הצהרתיזיכרוןותפקידים ניהוליים. מתוך 39 אזורי ברודמן, רוב מיקומי האלקטרודות מקובצים ל-9 אזורים חוזרים במוח שכל אחד מהם כולל אזורי ברודמן: חזותי (אזורי ברודמן 18 ו-19), טמפורלי נחות (אזורי ברודמן 20 ו-37), פריקונאוס (אזורי ברודמן) 30 ו-31), פריאטלי לרוחב (אזורי ברודמן 7 ו-39), טמפורלי מזיאלי (אזור ברודמן 28 והיפוקמפוס), טמפורלי לרוחב (אזורי ברודמן 21 ו-22), אזורי ברוקה (אזורי ברודמן 44 ו-45), פרה-פרונטלי לרוחב (אזורי ברודמן). 9 ו-46), ומוט קדמי (אזורי ברודמן 10 ו-11). אלא אם צוין אחרת, כל ניתוח נוסף התמקד בתקופות המילה הנזכרות, כלומר תקופות עם מילים מקודדות בהצלחה שנזכרו לאחר מכן באופן חופשי, בתשעת אזורי קליפת המוח הללו.

שינויי הספק המושרים בכל פס תדר שורטטו מכל האלקטרודות הפעילות על משטח מוח ממוצע עבור כל נקודת זמן של עידן המילה באמצעות קוד MATLAB מותאם אישית עבור טכניקת שקילה תלוית מיקום אלקטרודה. משטח המוח נוצר כרשת, כאשר לכל אלמנט של הרשת הוקצה צבע התלוי בכוח המושרה של האלקטרודות שמסביב הנשקל לפי המרחק היחסי לאלמנט (משקל גדול יותר לאלקטרודות פרוקסימליות יותר). עבור כל אלמנט רשת של משטח המוח שצולם, נשקלו רק ההשפעות של אלקטרודות בסף של 10 מ"מ מנקודת מרכז האלמנט. לפיכך, ההספק המושרה נערך בממוצע מכל האלקטרודות ברדיוס הסף ששוקלו באופן ליניארי על ידי קרבתם לפי הנוסחה הבאה:

IP1∗ (threshold−r1) בתוספת IP2∗ (threshold−r2) פלוס … בתוספת IP ∗ (threshold−rn)

(threshold− r1 ) פלוס (threshold− r2 ) פלוס ... פלוס (threshold− rn )

כאשר IP הוא ערך שינוי ההספק המושרה עבור אלקטרודה, ו-r הוא המרחק בין האלקטרודה לאלמנט הנבחר של רשת פני המוח.

2.7. סטָטִיסטִיקָה

בדיקות ANOVA עם תיקוני השוואה מרובים עבור ההשפעות של פס התדרים, אזור המוח (אזור ברודמן) והמיספרה שימשו לניתוח אחוז האלקטרודות באזור המסומן כ-"ac-time (איור 2). הבדלים טמפורליים בין ההמיספרות. כומתו באמצעות סטטיסטיקה של מבחן t דו-זנב, לא מזווג עם תיקון Bonferroni (איור 3A). לאחר מכן פירקנו כל תקופה של מילה לשלבים מראש של קידוד, קידוד מוקדם, קידוד מאוחר ופוסט-קידוד (Burke et al. , 2014; Kucewicz et al., 2019) והשתמשו במדדים חוזרים ונשנים ANOVA (שלב הקידוד כגורם בתוך הנבדקים) עם מבחן Tukey-Kramer פוסט-הוק כדי לנתח את ההשפעות של פס התדרים, אזור המוח והמיספרה על הכוח המושרה במהלך כל שלב המילוליזיכרוןמשימה (איור 3B). שיא חביון עבור כל פס תדר ואזור נקבע כפח הזמן עם השיא החיובי המרבי של ההספק המושרה. ערים לטיניות הושוו תוך שימוש במדדים חוזרים ונשנים ANOVA (שלב הקידוד כגורם בתוך הנבדקים) ומבחני השוואה מרובים של Tukey-Kramer (איור 4). מבחן המתאם של פירסון שימש להערכת השפעת המיקום לאורך כל ציר של המוח על זמן השהיה של שיא הספק (איור 5B). ערך האלפא עבור כל הבדיקות נקבע ל-0.05.

3. תוצאות

3.1. פעילויות ספקטרליות הנגרמות במהלך קידוד זיכרון מופצות בצורה הטרוגנית על פני קליפת המוח האנושית

תחילה זיהינו תת-קבוצה של אלקטרודות מאזורים בקליפת המוח שהופעלו במהלךזיכרוןהַצפָּנָה. למטרה זו, הספק ספקטרלי בפס בשישה טווחי תדרים שאינם חופפים (תטא נמוך: 2–4 הרץ, תטא גבוה: 5–9 הרץ, אלפא: 10–15 הרץ, בטא: 16– 25 הרץ, גמא נמוכה: 25-55 הרץ, גמא גבוהה: 65-115 הרץ) שימש כמאפיינים לסיווג אוטומטי של אלקטרודות פעילות (Saboo et al., 2019) באופן עצמאי בכל פס (איור. 1). מתוך סך של 14,219 אלקטרודות שהושתלו בכל המשתתפים, 4738 (33.3 אחוזים) הראו את הכוח הספקטרלי המושרה לפחות באחד מרצועות התדר. לפיכך, אתר אלקטרודה טיפוסי הראה כוח מושרה בטווח מוגדר של פסים נמוכים, בינוניים או גבוהים (איור 2A). בהסכמה לתוצאות הקודמות שלנו (Kucewicz et al., 2019; Alotaiby et al., 2015), האלקטרודות האקטיביות הללו הופצו באופן נרחב על פני 39 אזורי Brodmann שהוגדרו בכל האונות הקורטיקליות (איור 2B). השיעור היחסי של אלקטרודות בכל אזור ברודמן שהשתנו באופן פעיל בין 4.3 אחוז ל-75 אחוז, בהתאם למיקום בתוך האונות הלימביות, הפרונטליות, הפרה-פרונטליות, הפריאטליות, הטמפורליות או העורפיות (ANOVA F=99.21, p. < 0.001,="" df="5)," עם="" אלקטרודות="" פעילות="" משמעותיות="" יותר="" שנמצאו="" באזורי="" הראייה="" התחושתיים="" של="" העורף="" והקורטקס="" הפריאטלי="" (פוסט-הוק="" tukey="" kramer,="" p="">< 0.05).="" בכל="" אזור,="" נצפו="" פרופורציות="" דומות="" בכל="" פס="" תדרים,="" כולל="" פס="" האלפא="" והבטא,="" ללא="" הבדלים="" משמעותיים="" על="" פני="" הספקטרום="" (n-way="" anova="" f="0.17," p="0.9747" ,="" df="5)." לסיכום,="" ללא="" קשר="" לפס="" התדרים="" שנותח,="" לפחות="" 4="" אחוזים="" מאתרי="" האלקטרודות="" בכל="" אחד="" מהאזורים="" הקורטיקליים="" שנותחו="" חשפו="" כוח="" המושרה="" באופן="" משמעותי="" במהלך="">

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 משתתפים; ראה טבלה 1). אלקטרודה יכולה להיות פעילה ברצועה אחת או יותר. מצאנו שהשיעור הגבוה ביותר של אלקטרודות היה פעיל רק ברצועה אחת (43.12 אחוז) או שתיים (22.94 אחוזים), ויחסית פחות בלמעלה משתי רצועות כאשר רק מיעוט (5.4 אחוז) פעיל בכל שש (איור. 2C). החפיפה הגבוהה ביותר של הספק הספקטרלי המושרה ביותר משתי פסים נצפתה עבור האלקטרודות באזורי הראייה האחוריים של קליפת העורף (איור 2C; אדום), כאשר 4-5 פסים הופעלו בממוצע לכל אלקטרודה במהלך קידוד מילים. אזורים חזותיים אחרים של הקורטקס הטמפורלי והפריאטלי הראו גם התפלגות גבוהה יחסית של אלקטרודות עם יותר משני פסים מופעלים, בניגוד לאזורי העיבוד הקדמיים מסדר גבוה יותר בקורטקס הטמפורלי והפרה-פרונטלי, שבהם האלקטרודות היו פעילות ב-1-2 פסי תדר. (איור 2C; שחור). בסך הכל, רוב אתרי האלקטרודות הראו את הספק הספקטרלי המופחת ברצועת תדר ספציפית אחת או שניים, מה שמצביע על כך שהפעילויות השונות היו מופרדות במרחב בקליפת המוח.

איור 2. פעילויות ספקטרליות הנגרמות במהלך קידוד זיכרון מילולי מופצות באופן לא אחיד על פני המוח האנושי. (א) דוגמאות מייצגות של ספקטרוגרמות עם ממוצע ניסוי במהלך קידוד מילים מאלקטרודות פעילות מראות את שינויי ההספק המושרה מוגבלים באופן עצמאי לכל אחת משלוש קבוצות התדר ממקומות אנטומיים שונים. (ב) פרופורציות של אלקטרודות פעילות בשישה פסי תדר שנבדקו (תטא נמוכה: 2-4 הרץ, תטא גבוהה: 5-9 הרץ, אלפא: 10-15 הרץ) בטא:

16–25 הרץ, גמא נמוכה: 25–55 הרץ, גמא גבוהה: 65–115 הרץ) מראים הבדלים משמעותיים (ANOVA) בהתפלגות האנטומית (כוכביות אדומות; p < 0.05="" מבחן="" טוקי="" קרמר="" פוסט-הוק="" )="" אך="" לא="" על="" פני="" רצועות="" התדר="" כפי="" שמסוכמים="" במגרשי="" התיבה="" המוכנסים.="" (ג)="" התפלגות="" האלקטרודות="" הפעילות="" באחד="" או="" יותר="" מרצועות="" התדר="" חושפת="" את="" החפיפה="" הגבוהה="" ביותר="" באזורים="" האחוריים="" של="" קליפת="" הראייה="" העורפית="" והפריאטלית,="" שהצטמצמה="" בהדרגה="" באזורי="" הקורטיקה="" הקדמיים="" יותר,="" כפי="" שמוצג="" בתרשים="" הממוצע="" של="" פני="" המוח.="" ואת="" הסיכום="" המצויר="" של="" כל="" האלקטרודות="" הפעילות="" (נקודות="" צבעוניות="" לפי="" תרשים="" העמודות)="" ובעלילות="" הכינור="" (קווים="" שחורים="" ואדומים="" מציינים="" את="" הממוצע="" והחציון,="" בהתאמה="" (hoffmann,2015)).="" (ד)="" התפלגות="" כל="" האלקטרודות="" הפעילות="" ברצועות="" גמא="" (תדר="" גבוה),="" אלפא/ביתא="" (תדר="" ביניים)="" ותטא="" (תדר="" נמוך)="" שונה="" על="" פני="" תשעה="" אזורים="" נבחרים="" בקליפת="" המוח="" של="" עניין="" (v="" -="" חזותי;="" it="" -="" טמפורלי="" נחות;="" -="" precuneus;="" par="" -="" lateral="" parietal;="" mtl="" -="" mesial="" temporal="" lobe;="" lt="" -="" lateral="" temporal;="" br="" -="" אזור="" ברוקה;="" pfc="" -="" קליפת="" מוח="" פרה-מצחית;="" fp="" -="" קוטב="" קדמי)="" עם="" יותר="" אלקטרודות="" פרה-פרונטליות="" יחסית="" פעילות="" ברצועות="" הגמא="" (אדומות)="" ויותר="" אלקטרודות="" באזורים="" החזותיים="" הפעילים="" על="" פני="" כל="" הלהקות="" (שחורות)="" כפי="" שמוצג="" בעלילת="" פני="" המוח="" הממוצעת,="" התקציר="" המצויר="" ועלילת="" הכינור.="" שימו="" לב="" שרוב="" האלקטרודות="" בסך="" הכל="" היו="" פעילות="" רק="" ברצועת="" תדר="" אחת="" או="" שתיים="" מהתדרים="" הנמוכים,="" הבינוניים="" או="" הגבוהים,="" למעט="" אזורי="" הראייה="" עם="" יותר="" משני="" פסי="" תדרים="" פעילים="" לכל="" אלקטרודה="" (לפירוש="" ההתייחסויות="" לצבע="" זה="" אגדת="" איור,="" הקורא="" מופנה="" לגרסת="" האינטרנט="" של="" מאמר="">

לאחר מכן שאלנו האם הפעילויות הספקטרליות שנגרמו בכל אתר אלקטרודה אחד חופפות בטווחי תדרים דומים. קיבצנו את הפעילויות לקבוצות בתדירות נמוכה, בינונית ותדר גבוהה (תטא, אלפא/ביתא וגמא, בהתאמה) והשווינו פרופורציות של אלקטרודות פעילות עם שילובי קבוצות שונים. יותר ממחצית מכל האלקטרודות הפעילות הראו שהכוח המושרה הוא אך ורק ברצועות הנמוכים, הבינוניים או התדרים הגבוהים (איור 2D). אלקטרודות עם חפיפה גבוהה בכל הקבוצות היו מקומיות בעיקר באזורי הראייה האחוריים (איור 2D; שחור). אתרי האלקטרודות הנותרים שהראו כוח מושרה באחת משלוש קבוצות התדר התפזרו באופן אחיד על פני קליפת המוח עם פרופורציות דומות בכל ROI, מלבד האזורים הפרה-פרונטליים שבהם נוכחות יחסית יותר פעילויות גמא בתדר גבוה במהלך קידוד הזיכרון (איור .2D; אדום). התוצאות שלנו הראו שפעילויות בטווח תדרים מסוים נגרמות בעיקר באתרי קליפת המוח ספציפיים, ויצרו דפוס הפצה דמוי פסיפס התואם את הרעיון של "טביעות אצבע ספקטרליות" (Siegel et al., 2012).

3.2. השפעת הצידיות של הכוח המושרה היא ספציפית לתדרים מסוימים ואזורי קליפת המוח

השאלה הבאה שלנו הייתה אם ההספק הכולל המושרה בזמן קידוד המילים (איור 1) היה שונה בהתאם למיקום האנטומי, רצועת התדרים או ההמיספרה. אלקטרודות פעילות בודדות יכולות להראות גדלים דומים של הכוח המושרה, למרות ההתפלגות ההטרוגנית על פני אזורי קליפת המוח (איור 2). בסך הכל, הייתה השפעה משמעותית של פס התדרים על ההספק המושרה (מדידות חוזרות ונשנות ANOVA F=1346.99,p < 0.001,="" df="" {="" {8}}).="" אזור="" המוח="" (anova="" f="38.21," p="">< 0.001,="" df="37)" ושל="" מיקום="" חצי="" הכדור="" של="" האלקטרודה="" (anova="" f="17.4," p="">< 0.001,="" df="" {{="" 18}}).="">

איור 3. פרופילים זמניים של כוח המושרה במהלך קידוד חושפים השפעות צדדיות בתדרים ספציפיים ובאזורי קליפת המוח. (א) כל פאנל מציג שינויי כוח ממוצעים של ניסוי לאורך זמן הצגת המילים (רקע אפור) המוערכים מכל האלקטרודות הפעילות ברצועת תדרים נתונה ובאזור מוח מסומן בנפרד עבור ההמיספרה השמאלית והימנית (אדום וכחול, בהתאמה) . חלקי השטח האפור ברקע מסכמים את ההבדל הסטטיסטי (סטטיסטי t) בין שתי ההמיספרות בפחי זמן של 50 אלפיות השנייה כאשר אפור כהה מציין יותר (ערכי t חיוביים) או פחות (ערכי t שליליים) כוח ב ההמיספרה השמאלית (קווים מקווקוים אופקיים; מבחן t-תלמיד, p < 0.05).="" שימו="" לב="" שהשפעת="" הרוחביות="" המשמעותית="" ממוקמת="" ברצועות="" תדרים="" ספציפיים="" באזור="" מוח="" נתון.="" (ב)="" השוואה="" סיכום="" של="" הכוח="" המושרה="" הכולל="" (מדדים="" חוזרים="" ונשנים="" anova)="" מכל="" פסי="" התדר="" על="" פני="" תשעת="" אזורי="" המוח="" (ראה="" איור="" 2="" לתוויות)="" וארבעה="" שלבים="" של="" קידוד="" זיכרון="" -="" הגורם="" בתוך="" הנבדקים="" (כוכביות="" אדומות="" מצביעות="" על="" הבדל="" משמעותי="" מבחן="" tukey-kramer,="" p=""><0.05).>זיכרוןההשפעה הייתה הגדולה ביותר בקליפת המוח הקדם-מצחית השמאלית (מסומן על ידי החץ הכפול השחור), ואילו MTL הראה את ההשפעה הגדולה ביותר באזורי ההמיספרה הימנית (לפירוש ההתייחסויות לצבע באגדת איור זו, הקורא מופנה לאינטרנט גרסה של מאמר זה.).

ניתוח קבוצתי (Tukey-Kramer, p < 0.05)="" אישר="" הספק="" קטן="" יותר="" באופן="" משמעותי="" עם="" הגדלת="" התדרים="" של="" הרצועות,="" למעט="" בין="" פסי="" הגמא="" הנמוכים="" והגבוהים="" (איור="" משלים.="" 1).="" אלקטרודות="" בתוך="" האונה="" העורפית="" הראו="" כוח="" מושרה="" גבוה="" משמעותית="" מאשר="" בכל="" אזור="" אחר,="" בהתאם="" למחקר="" הקודם="" שלנו="" על="" פעילויות="" הגמא="" הגבוהות="" (kucewicz="" et="" al.,="">