الجزء 1: ديناميات مستقلة لأنشطة تخطيط الدماغ الطيفية منخفضة ومتوسطة وعالية التردد داخل الجمجمة أثناء تكوين الذاكرة البشرية

الاتصال: أودري هوaudrey.hu@wecistanche.com

Victoria S. Marksa، Krishnakant V. Saboob، Çağdaş Topçuc، d، e، Michal Lechc، d، e،

ثيودور ب. ثايبف ، بيتر نيجدلي ، ج ، فاكلاف كريمين ، ح ، جريجوري إيه ووريل ، أنا ،

ميشال T. Kucewiczc، e، i، ∗

كلية الدراسات العليا في العلوم الطبية الحيوية ، مايو كلينك ، الولايات المتحدة الأمريكية

(ب) قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات ، جامعة إلينوي ، أوربانا شامبين ، إلينوي ، الولايات المتحدة الأمريكية

c قسم أنظمة الوسائط المتعددة ، كلية الإلكترونيات والاتصالات والمعلوماتية ، مركز BioTechMed ، جامعة غدانسك للتكنولوجيا ، غدانسك ، بولندا d Nencki Institute of Experimental Biology ، أكاديمية العلوم البولندية ، وارسو ، بولندا

قسم طب الأعصاب ، Mayo Clinic ، روتشستر ، مينيسوتا ، الولايات المتحدة الأمريكية

قسم هندسة الكمبيوتر ، جامعة ولاية أيوا ، أميس ، أيوا ، الولايات المتحدة الأمريكية

(ز) الأكاديمية التشيكية للعلوم ، معهد الأدوات العلمية ، برنو ، جمهورية التشيك

ح الروبوتات وعلم التحكم الآلي ، المعهد التشيكي للمعلوماتية ، الجامعة التقنية التشيكية في براغ ، براغ ، جمهورية التشيك

قسم علم وظائف الأعضاء والهندسة الطبية الحيوية ، Mayo Clinic ، الولايات المتحدة الأمريكية

يمكن أن يحسن القدر من الذاكرة

a b s t r a c t

تعمل مجموعة واسعة من إيقاعات الدماغ في جميع أنحاء القشرة البشرية في الوظائف الإدراكية. كيف يتم تنسيق إيقاعات نطاقات التردد المختلفة عبر مساحة القشرة البشرية وزمنهاذاكرةالمعالجة غير حاسمة. يمكن تنسيقها معًا عبر الطيف الترددي في نفس الموقع والوقت القشري أو إحداثهما بشكل مستقل في نطاقات معينة. استخدمنا مجموعة بيانات كبيرة من تخطيط كهربية الدماغ داخل الجمجمة (EEG) لتحليل الديناميكيات الزمانية المكانية للأنشطة الطيفية التي تحدث أثناء تكوين الذكريات اللفظية. ترميز الكلمات من أجل الاستدعاء المجاني اللاحق قام بتنشيط ثيتا التردد المنخفض ، التردد المتوسط ​​ألفا وبيتا ، وقوة جاما عالية التردد في نمط فسيفساء للمواقع القشرية المنفصلة. سجلت غالبية المواقع القشرية نشاطًا في واحد فقط من هذه الترددات ، باستثناء القشرة البصرية حيث تم تحفيز الطاقة الطيفية عبر نطاقات متعددة. أظهر كل نطاق تردد ديناميكيات مميزة للقدرة المستحثة الخاصة بالمنطقة القشرية ونصف الكرة الأرضية. تنتشر قوة الأنشطة منخفضة ومتوسطة وعالية التردد في تسلسلات مستقلة عبر المناطق القشرية البصرية والزمنية والجبهة خلال المراحل اللاحقة منذاكرةالتشفير. تقدم نتائجنا نموذجًا كليًا ومبسطًا للأنشطة الطيفية التي تشارك في تكوين الإنسانذاكرة، مما يشير إلى فسيفساء موزعة تشريحياً وزمنياً لإيقاعات دماغية منسقة.

1 المقدمة

يعتقد أن إيقاعات الدماغ تدعمذاكرةوالوظائف المعرفية من خلال تنسيق أنشطة الخلايا العصبية المتصلة في تفاعلات متزامنة (Singer ، 1999 ؛ Buzsaki ، 2006 ؛ Fries ، 2015 ؛ Klimesch ، 1996 ؛ Fell and Axmacher ، 2011). يشمل طيف الأنشطة الإيقاعية المتضمنة في هذه التفاعلات ثيتا (3-9 هرتز) وغاما

(30-120 هرتز) نطاقات تردد مع أدوار محددة مقترحة لأنشطة التردد المنخفض والعالي في-ذاكرةالمعالجة (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) . تم ربط نطاقي ألفا (9-12 هرتز) وبيتا (12-25 هرتز) أيضًا بالعمليات اللازمة لوظائف الذاكرة (كليمش وآخرون ، 2007 ؛ هانسلماير وآخرون ، 2011 ؛ سبيتزر وهايجنز 2017 ؛ شميدت وآخرون al.، 2019؛ Michalareas et al.، 2016). كيف تعمل هذه الإيقاعات المختلفة معًا في الوظيفة في نطاق زمني محدد ، وتشارك فقط مجموعة فرعية من الأنشطة الطيفية في نطاق تردد معين. على سبيل المثال ، سيتم تحديد إيقاعات ثيتا فقط في موقع معين. يتفق كلا السيناريوهين على أن أنشطة الدماغ في نطاقات التردد المحددة يمكن تصورها على أنها "بصمات طيفية" تحافظ على عمليات إدراكية أو معرفية محددة على نطاق زمني مناسب للتفاعلات العصبية (Siegel et al.، 2012؛ Hanslmayr and Staudigl، 2014) . يعد حل ديناميكيات هذه البصمات الطيفية بدقة في الفضاء التشريحي والوقت أمرًا بالغ الأهمية لاختبار هذه الفرضيات وتقديم نموذج شامل للأنشطة العصبية التي يتم إجراؤها أثناء المهام المعرفية.

تقدم تسجيلات تخطيط كهربية الدماغ (EEG) داخل الجمجمة فرصة فريدة للتحقيق بدقة عالية في النطاق الواسع للأنشطة العصبية التي تمارس أثناء الوظائف المعرفية وغيرها من وظائف الدماغ في مناطق منفصلة من القشرة البشرية (Lhatoo et al. ، 2019 ؛ Johnson et al. ، 2020 ؛ جاكوبس وكاهانا 2010 ؛ إنجل وآخرون ، 2005). يتم أخذ عينات من إشارات EEG من ملامسات الأقطاب الكهربائية المزروعة إما مباشرة على سطح القشرة المخية الحديثة أو في طبقاتها العميقة والهياكل تحت القشرية. وبالتالي ، يمكن تتبع الأنشطة الطيفية الناتجة عن التجمعات العصبية المحلية والمسجلة من جهات اتصال منفصلة متعددة في مناطق قشرية منفصلة خلال فترةذاكرةيتم المعالجة. استخدمت دراسات iEEG السابقة بشكل شائع الطاقة الطيفية المستحثة في نطاقات تردد جاما عالية (60-120 هرتز) لتتبع المعالجة القشرية فيذاكرةوالمهام المعرفية (Jerbi et al.، 2009؛ Lachaux et al.، 2012؛ Crone et al.، 2006؛ Lundqvist et al.، 2018). تم التحقيق أيضًا في Theta (Sheehan et al. ، 2018 ؛ Lin et al. ، 2017) و alpha (Staresina et al. ، 2016) سابقًا. تبين أن الأنشطة التذبذبية في ترددات ثيتا وألفا تنتشر كموجات محلية ومستقلة ومتحركة في مناطق قشرية منفصلة أثناءذاكرة(Zhang et al. ، 2018) ، لكن الديناميكيات الزمانية المكانية النسبية لهذه التذبذبات منخفضة التردد وأنشطة بيتا وغاما الأسرع أثناء معالجة الذاكرة تظل غير مستكشفة إلى حد كبير.

هنا ، استفدنا من مجموعة بيانات iEEG كبيرة مؤلفة من 164 مشاركًا ترميز قوائم الكلمات من أجل الاستدعاء اللفظي المجاني اللاحق. كشفت الدراسات السابقة لهذه المهمة عن شبكة موزعة من مناطق الدماغ مرتبطة بالمعالجة الحسية وبتصريح عالي الترتيبذاكرةوظائف (Burke et al.، 2013؛ Burke et al.، 2014a؛ Kucewicz et al.، 2019). لوحظت قوة جاما العالية المستحثة أولاً في المناطق المرئية للقشرة القذالية الصدغية ثم في المناطق الأمامية أكثر من قشرة الفص الجبهي ، مما ألهم نموذجًا من مرحلتين من القشرة القذالية الصدغية.ذاكرةالترميز بمرحلة حسية مبكرة ومرحلة ارتباط متأخرة (Burke et al. ، 2014a).

ولوحظ أيضًا تسلسل مماثل من الترتيب الخلفي إلى الأمامي للطاقة المستحثة في نطاق تردد ثيتا (Burke et al. ، 2013) وتم تأكيده في الأنشطة التي تتجاوز نطاق تردد جاما (Kucewicz et al. ، 2014). وجدت دراستنا الحديثة تسلسل طاقة جاما العالية المستحثة أثناءذاكرةيكون الترميز مستمرًا مع زيادة الكمون على طول التسلسل الهرمي لمناطق الارتباط ذات الترتيب الأعلى تدريجيًا (Kucewicz et al. ، 2019) ، والتي تبلغ ذروتها في القشرة الأمامية الأمامية المتأخرة في ترميز الكلمات. كانت دراسات iEEG السابقة لمعالجة الذاكرة اللفظية إما مقصورة على مجموعات بيانات أصغر من تسجيلات المشاركين مع تغطية إلكترود متفرقة للقشرة المخية الحديثة أو ركزت فقط على نطاقات تردد محددة. ومن ثم ، فإن القوة الطيفية عبر نطاقات مختلفة إما أن يتم حسابها متوسطًا مكانيًا عبر مواقع أقطاب متعددة في مناطق قشرية أكبر ، وبالتالي تفقد دقة وتفصيل المواقع الفردية ، أو لن تتم دراستها عبر أنشطة دماغ ثيتا وألفا وبيتا وغاما.

بالنظر إلى النطاق الواسع للطيف الترددي ومناطق الدماغ التي تم تحليلها بشكل جماعي في الدراسات السابقة ، افترضنا أن الأنشطة الطيفية المحددة يتم تحفيزها في نمط حبيبي من القشرة المخية المنفصلة

المواقع. ومن ثم ، فإن النشاط التجميعي من عدة مواقع سيؤدي إلى إمالة النطاق العريض في الطاقة عبر الطيف بأكمله (Kilner et al. ، 2005) ، والذي يمكن أن يتكون من بصمات طيفية متعددة محددة (Fellner et al. ، 2019) . قد يكون التوطين الدقيق لبصمات مختلفة إما شائعًا في نفس المواقع القشرية لتسجيل القطب أو سيتم توزيعه في فسيفساء من المواقع التشريحية المتميزة. وبالمثل ، من حيث التوقيت ، فإن الأنشطة الطيفية المنخفضة والمتوسطة والعالية التردد ستحدث في أوقات مختلفة منذاكرةالترميز أو الكل في نفس الوقت. بالإضافة إلى أنشطة ثيتا وجاما ، كان من المتوقع حدوث إيقاعات ألفا وبيتا في مواقع قشرية مميزة وأوقاتذاكرةالتشفير. بشكل عام ، قمنا باختبار الديناميكيات الزمانية المكانية المستقلة للأنشطة الطيفية المستحثة أثناء تكوين اللفظ البشريذاكرةآثار. كان هدفنا هو تقديم نموذج شامل لإيقاعات الدماغ تعمل عبر نطاق واسع من الترددات ، وعلم التشريح القشري ، ومراحل تشفير الذاكرة.

2. المواد والأساليب

2.1. المواضيع

تم أخذ مجموعة بيانات تسجيلات EEG من إجمالي 164 مشاركًا يخضعون للتقييم الجراحي للصرع المقاوم للأدوية من دراسة تعاونية كبيرة متعددة المراكز (جميع البيانات غير المحددة متاحة على http://memory.psych.upenn.edu/Electrophysiological { {3}} البيانات).

تم جمع التسجيلات من المراكز التالية: Mayo Clinic ، ومستشفى Thomas Je erson الجامعي ، ومستشفى جامعة بنسلفانيا ، ومركز Dartmouth-Hitchcock الطبي ، ومستشفى Emory University ، ومركز Southwestern الطبي التابع لجامعة تكساس ، ومستشفى جامعة كولومبيا. تمت الموافقة على بروتوكول بحث مشترك واحد من قبل مجلس المراجعة المؤسسية المعني في كل مركز ، وتم الحصول على موافقة مستنيرة من كل مشارك. بالنسبة إلى 139 مريضًا مدرجين في التحليل النهائي ، تم تلخيص المعلومات المتعلقة بعدد تجارب الكلمات الكاملة ومنطقة بداية النوبة في الملحق. الجدول 1. تم تحديد بداية النوبة في نصف الكرة الأيمن في 46 مريضًا ، والنصف المخي الأيسر في 55 مريضًا ، وثنائيًا في 26 مريضًا ، ولم يتم تحديده في 12. تم توفير المعلومات الديموغرافية مثل العمر والجنس فقط - لم يتم توفيرها إلا لـ 85 مريضًا (متوسط ​​العمر 35.6 عامًا) مع الانحراف المعياري 11.6 سنة ؛ 43 إناث إلى 42 ذكر ، ملحق الجدول 1) بسبب محدودية الوصول إلى معلومات الرعاية الصحية الحساسة من عدة مراكز سريرية جمعت مجموعة البيانات الإجمالية. تم جمع التسجيلات الفيزيولوجية الكهربية من أقطاب سريرية قياسية تحت الجافية وعمق (AdTech Inc. ، PMT Inc.) مزروعة على السطح القشري وفي حمة الدماغ ، على التوالي. تم ترتيب ملامسات القطب تحت الجافية إما في شبكة أو تكوين شريطي بفصل 10 مم ، وتم فصل ملامسات قطب الأعماق بمقدار 5 إلى 10 مم. تم تحديد وضع الأقطاب الكهربائية من قبل فريق طبي لتحديد بؤر النوبات من أجل جراحة الصرع المحتملة أو زرع جهاز لتحفيز الدماغ الكهربائي العلاجي.

2.2. التعريب التشريحي ورسم خرائط سطح الدماغ

تم إنشاء قطع السطح القشري لكل مشارك من عمليات التصوير بالرنين المغناطيسي قبل الزرع (تسلسل T الحجمي 1- الموزون) - برنامج Freesurfer (RRID: SCR _001847). تم تحديد الحصين والمناطق القشرية المحيطة بشكل منفصل بناءً على مسح إكليلي إضافي بسمك 2 مم 2- باستخدام التقسيم التلقائي لحقول الحصين الفرعية (ASHS) طريقة تجزئة متعددة الأطلس. تم بعد ذلك تعيين إحداثيات التلامس بالقطب الكهربائي المستمدة من عمليات المسح المقطعي المحوسب بعد الزرع المشتركة إلى فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي قبل الزرع لتحديد مواقعها التشريحية. بالنسبة للشرائط والشبكات تحت الجافية ، تم إسقاط ملامسات القطب بشكل إضافي على السطح القشري باستخدام خوارزمية تقليل الطاقة لحساب تحول الدماغ بعد الجراحة. تمت مراجعة مواقع التلامس والتأكد منها على الأسطح والصور المقطعية بواسطة أخصائي الأشعة العصبية. تم أيضًا تسجيل فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي T 1- الموزونة على الدماغ القياسي MNI152 لتمكين مقارنة مواقع التسجيل في مساحة مشتركة عبر الموضوعات. تم اشتقاق المواقع التشريحية لمواقع التسجيل ، بما في ذلك مناطق Brodmann ، عن طريق تحويل إحداثيات MNI إلى مساحة Talairach والاستعلام عن Ta- Talairach daemon (www.talairach.org).

2.3 التسجيلات الكهربية

تم تسجيل إشارات مخطط كهربية الدماغ باستخدام أحد أنظمة اكتساب الفيزيولوجيا الكهربية السريرية التالية (تعتمد على مؤسسة جمع البيانات): Nihon Kohden EEG -1200 أو Natus XLTek EMU 128 أو Grass Aura-LTM64. اعتمادًا على نظام الاستحواذ وتفضيل الفريق السريري ، تم أخذ عينات من الإشارات عند 500 أو 1000 أو 1600 هرتز وتمت الإشارة إلى جهة اتصال مشتركة موضوعة إما داخل الجمجمة أو على فروة الرأس أو عملية الخشاء. من أجل التحليل ، تم ترشيح جميع التسجيلات التي تستخدم معدلات أخذ عينات أعلى بواسطة مرشح مضاد للتشويش وأخذ عينات لأسفل إلى 500 هرتز. تم حساب المونتاج ثنائي القطب المشترك بعد ذلك لكل موضوع عن طريق طرح السلاسل الزمنية للجهد المقاس على جميع أزواج جهات الاتصال المجاورة مكانيًا. نتج عن ذلك إشارات N -1 ثنائية القطب في حالة الأقطاب الكهربائية المخترقة والشريطية ، و N=(i - 1) ∗ j plus (j - 1) ∗ I ، حيث تكون i و j عدد جهات الاتصال في الأبعاد الرأسية والأفقية للشبكة. لتحليل بيانات هذه الدراسة ، يشير "قطب كهربائي" واحد إلى إشارة ثنائية القطب من زوج واحد من جهات الاتصال. من المهم ملاحظة أنه يمكن استخدام جهات الاتصال لأقطاب متعددة ، لذلك ليست كل الإشارات مستقلة حقًا.

2.4 مهمة استدعاء مجانية

نموذج كلاسيكي للتحقيق في تشكيل العرضية اللفظيةذاكرةكان يعمل (Kahana ، 2014) ، حيث تم عرض قوائم من الكلمات على الموضوعات لاسترجاعها مجانًا لاحقًا. تم توجيه المشاركين لدراسة قوائم الكلمات المعروضة على شاشة كمبيوتر محمول لاختبار متأخر للتذكر الصوتي. تتكون القوائم من 12 كلمة تم اختيارها عشوائيًا وبدون استبدال من مجموعة من الأسماء عالية التردد في اللغة الأم للموضوع (إما الإنجليزية أو الإسبانية ؛ http://memory.psych.upenn.edu/WordPools). ظهرت كل كلمة على الشاشة لمدة 1600 مللي ثانية ، تليها اهتزاز عشوائي من 750 إلى 1000 مللي ثانية فاصل فارغ بين المحفزات. في نهاية كل قائمة كلمات ، تم تنفيذ مهمة تشتيت الانتباه بواسطة الموضوع. استمرت هذه المهمة لمدة 20 ثانية وكانت تتألف من سلسلة من المسائل الحسابية البسيطة بالتنسيق A زائد B زائد C ، حيث كانت A و B و C أعدادًا صحيحة مكونة من رقم واحد بين 1 و 9. بعد مهمة المشتت ، أعطي المشاركون 30 ثانية لتذكر أكبر عدد ممكن من الكلمات من القائمة بأي ترتيب (الشكل 1). تم تسجيل الاستجابات الصوتية رقميًا بواسطة الكمبيوتر المحمول وتم تسجيلها يدويًا لاحقًا للتحليل. فقط الأشخاص الذين تذكروا ما لا يقل عن 15 في المائة من الكلمات وأكملوا 12 قائمة على الأقل من المهمة تم تضمينهم في مزيد من التحليل (Long et al. ، 2014). ترك هذا 139 من أصل 164 موضوعًا أصليًا لما مجموعه 14219 قطبًا كهربائيًا مستخدمًا في هذه الدراسة. تمت مزامنة التسجيلات المنطقية للتحليل الكهربائي مع ظهور التحفيز على الشاشة من خلال مولد نبض كهربائي يعمل بواسطة كمبيوتر محمول المهام ، والذي يرسل نبضات إلى قناة حدث معينة في نظام الاكتساب السريري. تم تحديد الطابع الزمني للأحداث بعد جلسة التسجيل باستخدام أكواد MATLAB المكتوبة خصيصًا واستخدمت لاستخراج فترات محددة من الاهتمام حول عرض الكلمات. كان طول كل فترة مسجلة 3000 مللي ثانية وتضمنت 1600 مللي ثانية من عرض الكلمات على الشاشة مع 700 مللي ثانية من شاشة فارغة للفاصل الزمني بين المحفز قبل وبعد كل عرض للكلمة.

تم دمج القوة الطيفية لمتوسط ​​التجربة لإشارات EEG من فترات عرض الكلمات (كلمة واحدة لكل تجربة) عبر الحقبة واستخدمت كميزة لتصنيف الأقطاب الكهربائية النشطة التي تسجل من مناطق الدماغ المنخرطة في الكلام اللفظي.ذاكرةالتشفير. صُنعت الأقطاب الكهربائية النشطة بشكل مستقل في ستة نطاقات تردد من طيف مخطط كهربية الدماغ باستخدام تقديرات طبيعية لتغير الطاقة (تحويل درجة z). استخدم إجراء الفصل طريقة غير خاضعة للإشراف بناءً على نموذج خليط غاوسي (Saboo et al. ، 2019). لاحظ النشاط المستحث عبر جميع نطاقات التردد الستة في مخطط الطيف المثال الذي تم رسمه من نشاط متوسط ​​التجربة من قطب كهربائي واحد موضعي في القشرة القذالية.

2.5 تحليل البيانات

قمنا بتحليل فترات تسجيل iEEG أثناء عرض الكلمات لـذاكرةالتشفير. تم ترشيح كل فترة عرض تقديمي بتقنية FIR (2000- ترتيب Barlett-Hanning مع تشوه بمرور صفري ، ترشيح ، ممر نطاق مع حدود تردد محددة لكل نطاق تردد) قبل أن تتحلل طيفيًا ، وتطبيعها ، وتثبيتها بشكل مستقل في نطاقات تردد منفصلة بين 2 و 120 هرتز: ثيتا المنخفضة (2-4 هرتز) ، ارتفاع ثيتا (5-9 هرتز) ، ألفا (10-15 هرتز) ، بيتا (16-25 هرتز) ، جاما منخفضة (25-55 هرتز) ، وارتفاع جاما (65-115 هرتز). تم تحديد حدود نطاقات التردد هذه بناءً على نطاقات غير متداخلة ومتواصلة تتزايد في العرض على طول الطيف الترددي. تم اختيار الحد الأعلى البالغ 115 هرتز لضمان 4 عينات على الأقل لكل دورة بالنظر إلى تردد أخذ العينات البالغ 500 هرتز ولتجنب التوافقية لضوضاء خط 60 هرتز. لتحويل الإشارات المرشحة إلى مخطط طيفي ذي

دقة حاوية تردد 2 هرتز من 2 هرتز إلى 115 هرتز ، استخدمنا نوافذ منزلقة تبلغ 500 مللي ثانية مع أطوال شريحة 5 مللي ثانية وطريقة الاستدقاق المتعدد مع استدقاق واحد من صندوق الأدوات المزمن في MATLAB (http://chronux.org/ ؛ Mitra ، 2007). تم حساب المتوسطات الطيفية لعصر عرض الكلمات معًا بعد تطبيع السجل وتحويل درجة z لكل نقطة تردد زمنية. تم إجراء تسجيل Z وفقًا للصيغة التالية:

x(t, f) − μ

z(t, f)=σ

حيث x هي الإشارة ، و t هي خانة الوقت ، و f هي حاوية التردد ، و f هي المتوسط ​​، و f الانحراف المعياري للتردد المحدد. تم تطبيع كل تجربة على حدة. تم تنفيذ تطبيع السجل لتصحيح تأثير قانون القدرة 1 / f للترددات المنخفضة على تقدير القدرة في نطاقات التردد الأعلى ، وتم إجراء تحويل z-Score لتوفير مقياس معياري لتغير الطاقة لمقارنة الإشارات من الأقطاب الكهربائية المختلفة والجلسات والمشاركين (Kucewicz et al.، 2019، 2017؛ Saboo et al.، 2019). ينتج عن تسوية z-Score هذه تغييرات طاقة موجبة وسالبة بالنسبة إلى القوة المتوسطة في أي حقبة مكونة من كلمة واحدة بدلاً من استخدام فترة "الأساس". ومن ثم ، فإن الانحرافات الصغيرة الموجبة أو السلبية للقوة المطلقة ستزداد بشكل فعال بالنسبة إلى متوسط ​​الإشارة ، كما هو موضح سابقًا (Kucewicz et al. ، 2019 ؛ Alotaiby et al. ، 2015). تم التخلص من عيوب الحواف في تقدير القدرة عن طريق قطع الصناديق ذات الوقت مرتين من أي من طرفي مخطط الطيف النهائي لجميع الترددات. لكل قطب كهربائي ونطاق تردد ، حددنا متوسط ​​القدرة الطيفية في كل حاوية زمنية عبر جميع فترات عرض الكلمات. تم تحديد القدرة الكلية المستحثة في نطاق تردد معين خلال فترة عرض الكلمات كمنطقة تحت القيمة المطلقة لمنحنى السلاسل الزمنية المقابلة ، كما هو موضح في الشكل. 1. صُنفت الأقطاب الكهربائية بعد ذلك إلى "نشطة" و "غير نشطة" في كل نطاق محدد باستخدام طريقة التجميع غير الخاضعة للرقابة استنادًا إلى نمذجة خليط غاوسي (GMM) لتحديد تلك التي أظهرت تغيرات في الطاقة بفعل المهام (Saboo et al. ، 2019 ). تؤدي هذه الطريقة أساسًا فئة ثنائية للتعلم الآلي للقنوات النشطة وغير النشطة بناءً على قيمة الطاقة المستحثة لكل قناة. تم التصنيف بشكل منفصل لكل نطاق تردد معني. يتم تلخيص الإجراء بأكمله في الشكل. 1.

لقد اخترنا طريقة تعتمد على GMM لضمان السماح بانعكاسات أعداد مختلفة لمجموعات الأقطاب الكهربائية النشطة والأقطاب غير النشطة. تم تعيين عدد المجموعات على اثنين لأن التصنيف النشط وغير النشط للأقطاب الكهربائية هو ثنائي: يمكن إحداث التغيير في القدرة الطيفية (زيادة أو نقصان) أو لا يحدث أثناء فترة عرض الكلمات. كما أتاح استخدام آلية الرصد العالمي (GMM) التصنيف دون الحاجة إلى بيانات الحقيقة الأساسية. تم تجميع الأقطاب الكهربائية عبر الموضوعات ثم تجميعها لتحديد الأقطاب الكهربائية النشطة.

2.6. رسم الخرائط المستحثة

تم توطين معظم الأقطاب الكهربائية النشطة في المناطق القشرية المرتبطة بمعالجة المعلومات المرئية والدلالية ، وكذلك بالمعلومات التوضيحيةذاكرةوالوظائف التنفيذية. من بين 39 منطقة Brod- Mann ، تم تجميع غالبية مواقع الأقطاب الكهربائية في 9 مناطق دماغية تشتمل كل منها على مناطق Brodmann: بصرية (مناطق Brodmann 18 و 19) ، زمانية أدنى (مناطق Brodmann 20 و 37) ، طليعة (Brod- مناطق رئيسية 30 و 31) ، الجداري الجانبي (مناطق برودمان 7 و 39) ، الصدغي الإنسي (منطقة برودمان 28 والحصين) ، الصدغي الجانبي (مناطق برودمان 21 و 22) ، مناطق بروكا (مناطق برودمان 44 و 45) ، مناطق الفص الجبهي الجانبي (مناطق برودمان) 9 و 46) والقطب الأمامي (مناطق برودمان 10 و 11). ما لم يُنص على خلاف ذلك ، ركزت جميع التحليلات الإضافية على عصور الكلمات التي تم استرجاعها ، أي العصور ذات الكلمات المشفرة بنجاح والتي تم تذكرها لاحقًا بحرية ، في هذه المناطق القشرية التسع.

تم رسم تغييرات الطاقة المستحثة في كل نطاق تردد من جميع الأقطاب الكهربائية النشطة على سطح دماغ متوسط ​​لكل نقطة زمنية من حقبة الكلمة باستخدام رمز MATLAB مخصص لتقنية وزن تعتمد على موقع الإلكترود. تم إنشاء سطح الدماغ كشبكة ، حيث تم تخصيص لون لكل عنصر من عناصر الشبكة يعتمد على القوة المستحثة للأقطاب الكهربائية المحيطة التي تزن بالمسافة النسبية للعنصر (وزن أكبر للأقطاب الكهربائية القريبة). لكل عنصر شبكي من سطح الدماغ تم رسمه ، تم النظر فقط في تأثيرات الأقطاب الكهربائية ضمن عتبة 10 مم من نقطة مركز العنصر. ومن ثم ، تم حساب متوسط ​​القدرة المستحثة من جميع الأقطاب الكهربائية داخل نصف قطر العتبة التي تم وزنها خطيًا بقربها وفقًا للصيغة التالية:

IP1 ∗ (عتبة r1) بالإضافة إلى IP2 (عتبة r2) بالإضافة إلى ... بالإضافة إلى IP (عتبة rn)

(عتبة r1) زائد (عتبة r2) زائد ... زائد (عتبة rn)

حيث IP هي قيمة تغيير الطاقة المستحثة للإلكترود ، و r هي المسافة بين القطب الكهربائي والعنصر المختار لشبكة سطح الدماغ.

2.7. إحصائيات

تم استخدام اختبارات ANOVA مع تصحيحات مقارنة متعددة لتأثيرات النطاق الترددي ومنطقة الدماغ (منطقة Brodmann) ونصف الكرة لتحليل النسبة المئوية للأقطاب الكهربائية في منطقة تسمى "ac- time (الشكل 2). الاختلافات الزمنية بين نصفي الكرة الأرضية" تم قياس كمية باستخدام إحصاء t-test ثنائي الذيل وغير مزدوج مع تصحيح Bonferroni (الشكل 3 أ) ، ثم قسمنا كل حقبة كلمة إلى مرحلة ما قبل الترميز والتشفير المبكر والتشفير المتأخر وما بعد الترميز (Burke et al. 2014 ؛ Kucewicz et al. المرحلة اللفظيةذاكرةالمهمة (الشكل 3 ب). تم تحديد وقت الذروة لكل نطاق تردد ومنطقة على أنها حاوية الوقت مع أقصى ذروة موجبة للطاقة المستحثة. تمت مقارنة المدن اللاتينية باستخدام القياسات المتكررة ANOVA (مرحلة الترميز كعامل داخل الموضوعات) واختبارات المقارنة المتعددة Tukey-Kramer اللاحقة (الشكل 4). تم استخدام اختبار ارتباط بيرسون لتقييم تأثير الموضع على طول كل محور للدماغ في وقت ذروة استجابة الطاقة (الشكل 5 ب). تم تعيين قيمة ألفا لجميع الاختبارات على 0. 05.

3. النتائج

3.1. يتم توزيع الأنشطة الطيفية المستحثة أثناء تشفير الذاكرة بشكل غير متجانس عبر القشرة البشرية

لقد حددنا لأول مرة مجموعة فرعية من الأقطاب الكهربائية من المناطق القشرية النشطة أثناء ذلكذاكرةالتشفير. لهذا الغرض ، القدرة الطيفية في النطاق في ستة نطاقات تردد غير متداخلة (ثيتا المنخفضة: 2-4 هرتز ، ثيتا العالية: 5-9 هرتز ، ألفا: 1 0 - 15 هرتز ، بيتا: 16– تم استخدام 25 هرتز ، جاما منخفض: 25-55 هرتز ، جاما عالية: 65-115 هرتز) كميزات للتصنيف الآلي للأقطاب الكهربائية النشطة (Saboo وآخرون ، 2 0 19) بشكل مستقل في كل نطاق (الشكل. 1). من إجمالي 14219 قطبًا كهربائيًا مزروعًا عبر جميع المشاركين ، أظهر 4738 (33.3 بالمائة) الطاقة الطيفية المستحثة في واحد على الأقل من نطاقات التردد. ومن ثم ، أظهر موقع قطب نموذجي القدرة المستحثة في نطاق محدد من نطاقات التردد المنخفض أو المتوسط ​​أو العالي (الشكل 2 أ). بالاتفاق مع نتائجنا السابقة (Kucewicz et al. ، 2019 ؛ Alotaiby et al. ، 2015) ، تم توزيع هذه الأقطاب الكهربائية النشطة على نطاق واسع عبر 39 منطقة Brodmann تم تحديدها في جميع الفصوص القشرية (الشكل 2 ب). كانت النسبة النسبية للأقطاب الكهربائية في كل منطقة من مناطق برودمان متفاوتة بشكل نشط من 4.3 في المائة إلى 75 في المائة ، اعتمادًا على الموقع داخل الفص الحوفي أو الجبهي أو الجبهي أو الجداري أو الصدغي أو القذالي (ANOVA F=99. 21، p <0.001، df="5)" ،="" مع="" وجود="" أقطاب="" أكثر="" نشاطًا="" بشكل="" ملحوظ="" في="" المناطق="" المرئية="" الحسية="" للقذالي="" والقشرة="" الجدارية="" (ما="" بعد="" الصدفة="" tukey="" kramer="" ،="" p=""><0.05). داخل="" كل="" منطقة="" ،="" لوحظت="" نسب="" متشابهة="" في="" كل="" نطاق="" تردد="" ،="" بما="" في="" ذلك="" نطاق="" ألفا="" وبيتا="" ،="" مع="" عدم="" وجود="" اختلافات="" كبيرة="" عبر="" الطيف="" (n-way="" anova="" f="0." 17،="" p="0." 9747="" ،="" df="5)." باختصار="" ،="" بغض="" النظر="" عن="" نطاق="" التردد="" الذي="" تم="" تحليله="" ،="" كشفت="" 4="" في="" المائة="" على="" الأقل="" من="" مواقع="" الأقطاب="" الكهربائية="" داخل="" أي="" من="" المناطق="" القشرية="" التي="" تم="" تحليلها="" عن="" طاقة="" مستحثة="" بشكل="" كبير="" أثناء="">

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 مشاركين ؛ انظر الجدول 1). يمكن أن يكون القطب الكهربي نشطًا في نطاق واحد أو أكثر. وجدنا أن أعلى نسبة من الأقطاب الكهربائية كانت نشطة في نطاق واحد فقط (43.12 بالمائة) أو اثنين (22.94 بالمائة) ، وأقل نسبيًا في أكثر من نطاقين مع وجود أقلية فقط (5.4 بالمائة) نشطة في جميع النطاقات الستة (الشكل. 2 ج). لوحظ أعلى تداخل للطاقة الطيفية المستحثة في أكثر من نطاقين للأقطاب الكهربائية في المناطق البصرية الحسية الخلفية للقشرة القذالية (الشكل 2 ج ؛ أحمر) ، حيث تم تنشيط 4-5 نطاقات في المتوسط ​​لكل قطب كهربائي أثناء ترميز الكلمات. أظهرت مناطق بصرية أخرى في القشرة الصدغية والجدارية أيضًا توزيعات عالية نسبيًا للأقطاب الكهربائية مع تنشيط أكثر من نطاقين ، على عكس مناطق المعالجة الأمامية ذات الترتيب الأعلى في القشرة الصدغية والجبهة ، حيث كانت الأقطاب الكهربائية نشطة في نطاقات تردد 1-2 (الشكل 2 ج ؛ أسود). بشكل عام ، أظهرت غالبية مواقع الأقطاب الكهربائية القدرة الطيفية المنخفضة في نطاق أو نطاقي تردد معينين ، مما يشير إلى أن الأنشطة المختلفة تم فصلها مكانيًا في القشرة.

الشكل 2. الأنشطة الطيفية المستحثة أثناء ترميز الذاكرة اللفظية غير موزعة بشكل موحد عبر الدماغ البشري. (أ) تُظهر الأمثلة التمثيلية للرسومات الطيفية ذات المتوسط ​​التجريبي أثناء ترميز الكلمات من الأقطاب الكهربائية النشطة أن تغييرات الطاقة المستحثة مرتبطة بشكل مستقل بكل مجموعة من مجموعات التردد الثلاث من مواقع تشريحية مختلفة. (ب) نسب الأقطاب الكهربائية النشطة في ستة نطاقات تردد تمت دراستها (ثيتا المنخفضة: 2-4 هرتز ، ثيتا العالية: 5-9 هرتز ، ألفا: 10-15 هرتز) بيتا:

16-25 هرتز ، جاما منخفضة: 25-55 هرتز ، جاما عالية: 65-115 هرتز) تظهر اختلافات كبيرة (ANOVA) في التوزيع التشريحي (العلامات النجمية الحمراء ؛ p <0. 05="" اختبار="" توكي="" كرامر="" بعد="" الاختبار="" )="" ولكن="" ليس="" عبر="" نطاقات="" التردد="" كما="" تم="" تلخيصها="" في="" مخططات="" المربع="" الداخلي.="" (ج)="" توزيع="" الأقطاب="" الكهربائية="" النشطة="" في="" واحد="" أو="" أكثر="" من="" نطاقات="" التردد="" يكشف="" عن="" أعلى="" تداخل="" في="" المناطق="" الخلفية="" للقشرة="" البصرية="" القذالية="" والجدارية="" ،="" والتي="" كانت="" تتناقص="" تدريجياً="" في="" المناطق="" القشرية="" الأمامية="" كما="" هو="" مبين="" في="" مخطط="" سطح="" الدماغ="" المتوسط="" وملخص="" الرسوم="" المتحركة="" لجميع="" الأقطاب="" النشطة="" (النقاط="" الملونة="" وفقًا="" لمخطط="" الشريط)="" وفي="" مؤامرات="" الكمان="" (تشير="" الخطوط="" السوداء="" والحمراء="" إلى="" المتوسط="" ​​والمتوسط="" ​​،="" (ho="" -mann="" ،="" 2015)).="" (د)="" توزيع="" جميع="" الأقطاب="" الكهربائية="" النشطة="" في="" جاما="" (التردد="" العالي)="" ،="" وألفا="" بيتا="" (التردد="" المتوسط)="" ،="" وثيتا="" (التردد="" المنخفض)="" نطاقات="" مختلفة="" عبر="" تسع="" مناطق="" قشرية="" محددة="" ذات="" أهمية="" (v="" -="" مرئية="" ؛="" it="" -="" زمنية="" أدنى="" ؛="" قبل="" -="" الطليعة="" ؛="" par="" -="" الوحشي="" الجداري="" ؛="" mtl="" -="" الفص="" الصدغي="" الإنسي="" ؛="" lt="" -="" الصدغي="" الجانبي="" ؛="" br="" -="" منطقة="" بروكا="" ؛="" pfc="" -="" قشرة="" الفص="" الجبهي="" ؛="" fp="" -="" القطب="" الأمامي)="" مع="" المزيد="" من="" الأقطاب="" قبل="" الجبهية="" النشطة="" نسبيًا="" في="" نطاقات="" جاما="" (حمراء)="" والمزيد="" من="" الأقطاب="" الكهربائية="" في="" المناطق="" المرئية="" النشطة="" عبر="" جميع="" النطاقات="" (السوداء)="" كما="" هو="" موضح="" في="" مخطط="" سطح="" الدماغ="" المتوسط="" ​​،="" وملخص="" الرسوم="" المتحركة="" ،="" ومؤامرة="" الكمان.="" لاحظ="" أن="" معظم="" الأقطاب="" الكهربائية="" كانت="" نشطة="" بشكل="" عام="" في="" نطاق="" واحد="" أو="" نطاقي="" تردد="" إما="" من="" الترددات="" المنخفضة="" أو="" المتوسطة="" أو="" العالية="" ،="" باستثناء="" المناطق="" المرئية="" التي="" بها="" أكثر="" من="" نطاقي="" تردد="" نشط="" لكل="" قطب="" كهربائي="" (لتفسير="" الإشارات="" إلى="" اللون="" في="" هذا="" من="" الواضح="" أن="" القارئ="" يشير="" إلى="" إصدار="" الويب="" من="" هذه="">

سألنا بعد ذلك ما إذا كانت الأنشطة الطيفية التي تم إحداثها في أي موقع قطب كهربائي تتداخل في نطاقات تردد مماثلة. قمنا بتجميع الأنشطة في مجموعات منخفضة ومتوسطة وعالية التردد (ثيتا ، وألفا / بيتا ، وجاما ، على التوالي) وقارننا نسب الأقطاب الكهربائية النشطة مع مجموعات مجموعات مختلفة. أظهر أكثر من نصف جميع الأقطاب الكهربائية النشطة أن الطاقة المستحثة هي حصريًا في النطاقات المنخفضة أو المتوسطة أو عالية التردد (الشكل 2D). تم توطين الأقطاب الكهربائية ذات التداخل العالي في جميع المجموعات في الغالب في المناطق المرئية الخلفية (الشكل 2D ؛ أسود). تم توزيع مواقع الإلكترود المتبقية التي أظهرت الطاقة المستحثة في إحدى مجموعات التردد الثلاث بشكل موحد عبر القشرة الدماغية بأجزاء مماثلة في كل عائد استثمار ، بصرف النظر عن مناطق الفص الجبهي حيث كانت أنشطة جاما عالية التردد نسبيًا موجودة أثناء تشفير الذاكرة (الشكل .2D ؛ أحمر). أظهرت نتائجنا أن أنشطة نطاق تردد معين تم تحفيزها في الغالب في مواقع قشرية محددة ، وتشكيل نمط توزيع يشبه الفسيفساء يتفق مع مفهوم "البصمات الطيفية" (Siegel et al. ، 2012).

3.2 التأثير اللاحق للقدرة المستحثة خاص بترددات معينة ومناطق قشرية

كان سؤالنا التالي هو ما إذا كانت القدرة الكلية في النطاق المستحثة أثناء وقت تشفير الكلمات (الشكل 1) مختلفة اعتمادًا على الموقع التشريحي ، أو نطاق التردد ، أو نصف الكرة الأرضية. يمكن أن تظهر الأقطاب الكهربائية النشطة الفردية مقادير مماثلة من الطاقة المستحثة ، على الرغم من التوزيع غير المتجانس عبر المناطق القشرية (الشكل 2). بشكل عام ، كان هناك تأثير كبير لنطاق التردد على القدرة المستحثة (المقاييس المتكررة ANOVA F=1346. 99، p <0. 0="" 0="" 1،="" df="" {="" {8}}).="" منطقة="" الدماغ="" (anova="" f="38." 21،="" p=""><0.001، df="37)" وموقع="" نصف="" الكرة="" من="" القطب="" (anova="" f="17." 4،="" p=""><0.001، df="" {{="" 18}}).="" بعد="">

الشكل 3. المؤثرات الزمنية للقدرة المستحثة أثناء ترميز التأثيرات الجانبية لإعادة لحم العجل في ترددات محددة ومناطق قشرية. (أ) تُظهر كل لوحة تغييرات طاقة بمتوسط ​​التجربة عبر وقت عرض الكلمات (الخلفية الرمادية) المقدرة من جميع الأقطاب الكهربائية النشطة في نطاق تردد معين ومنطقة الدماغ المرسومة بشكل منفصل لنصف الكرة الأيمن والأيسر (الأحمر والأزرق ، على التوالي). . تلخص مخططات المنطقة الرمادية في الخلفية الفرق الإحصائي (إحصاء t) بين نصفي الكرة الأرضية في حاويات زمنية 5 0 مللي ثانية مع اللون الرمادي الداكن الذي يشير بشكل ملحوظ (قيم t موجبة) أو أقل (قيم t سالبة) في القوة النصف المخي الأيسر (الخطوط الأفقية المتقطعة ؛ اختبار t للطالب ، p <0. 05).="" لاحظ="" أن="" التأثير="" الجانبي="" المهم="" موضعي="" في="" نطاقات="" تردد="" محددة="" في="" منطقة="" دماغية="" معينة.="" (ب)="" ملخص="" مقارنة="" إجمالي="" الطاقة="" المستحثة="" (المقاييس="" المتكررة="" anova)="" من="" جميع="" نطاقات="" التردد="" عبر="" مناطق="" الدماغ="" التسع="" (انظر="" الشكل="" 2="" للتسميات)="" وأربع="" مراحل="" لتشفير="" الذاكرة="" -="" العامل="" داخل="" الموضوعات="" (تشير="" العلامات="" النجمية="" الحمراء="" إلى="" اختلاف="" كبير="" ؛="" اختبار="" tukey-kramer="" ،="" ف=""><0.05).>ذاكرةكان التأثير الأكبر في قشرة الفص الجبهي الأيسر (المشار إليه بالسهم الأسود المزدوج) ، بينما أظهر MTL التأثير الأكبر في مناطق نصف الكرة الأيمن (لتفسير الإشارات إلى اللون في وسيلة الإيضاح هذه ، تتم إحالة القارئ إلى الويب نسخة من هذه المقالة.).

أكد تحليل المجموعة (Tukey-Kramer ، p <0. 05)="" قوة="" أصغر="" بشكل="" ملحوظ="" مع="" زيادة="" ترددات="" النطاقات="" ،="" باستثناء="" ما="" بين="" نطاقي="" جاما="" المنخفض="" والعالي="" (الشكل="" التكميلي="" 1).="" أظهرت="" الأقطاب="" الكهربائية="" داخل="" الفص="" القذالي="" قدرة="" مستحثة="" أعلى="" بشكل="" ملحوظ="" من="" أي="" منطقة="" أخرى="" بالاتفاق="" مع="" دراستنا="" السابقة="" لأنشطة="" جاما="" المرتفعة="" (kucewicz="" et="" al.="" ،="">