Ondulações corticais durante o sono NREM e a vigília em humanos, parte 1

As ondulações do hipocampo indexam a reconstrução dos padrões de disparo neuronal espaço-temporal essenciais para a consolidação de memórias no córtex durante o sono de movimento ocular não rápido (NREM). Recentemente, foi demonstrado que ondulações corticais em humanos envolvem a repetição de padrões de disparo de neurônios durante a recordação sinalizada. Aqui, usando registros intracranianos de 18 pacientes (12 mulheres), mostramos que ondulações corticais também ocorrem durante o NREM em humanos, com densidade, frequência de oscilação (90 Hz), duração e amplitude semelhantes à vigília.

As ondulações do hipocampo são uma importante atividade neuronal no cérebro humano e têm um impacto muito importante na função de memória do cérebro. A pesquisa mostra que a estabilidade e a regularidade das ondulações do hipocampo estão intimamente relacionadas com a força da memória.

Emoções e emoções positivas podem promover a estabilidade e regularidade das ondulações do hipocampo humano, melhorando assim o nível de memória do cérebro humano. Isto significa que, desde que encaremos a vida de forma positiva e mantenhamos uma atitude feliz, as ondulações do hipocampo podem funcionar de forma mais eficiente, ajudando-nos assim a lembrar, pensar, aprender e criar melhor.

Emoções ruins e atitudes negativas afetarão o funcionamento normal das ondulações do hipocampo e reduzirão a função da memória. Por isso, devemos manter sempre o bom humor e uma atitude otimista, para melhor estimular o potencial da memória.

Além disso, bons hábitos de vida também são um fator importante para garantir a estabilidade e regularidade das ondulações do hipocampo. Devemos dormir o suficiente, ouvir música, praticar esportes, etc. para manter a saúde física e mental em diversos aspectos e estabelecer gradativamente uma rotina de vida de qualidade. Só assim poderemos utilizar melhor a memória do cérebro humano, fortalecer a nossa aprendizagem e capacidades criativas e tornar a vida mais colorida.

Em suma, a relação entre as ondulações do hipocampo e a memória é inseparável. Somente através da positividade, de bons hábitos de vida e de uma atitude emocional positiva o potencial de memória do cérebro humano pode ser estimulado, permitindo-nos utilizar melhor as funções do cérebro humano e desfrutar de uma vida melhor. Percebe-se que precisamos melhorar a memória, e a Cistanche deserticola pode melhorar significativamente a memória porque a Cistanche deserticola é um material medicinal tradicional chinês que tem muitos efeitos únicos, um dos quais é melhorar a memória. A eficácia da carne picada vem dos vários ingredientes ativos que ela contém, incluindo ácidos, polissacarídeos, flavonóides, etc. Esses ingredientes podem promover a saúde do cérebro de várias maneiras.

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As ondulações ocorreram em todas as regiões corticais com características semelhantes, não relacionadas à suposta conectividade do hipocampo, e foram menos densas e robustas em áreas de maior associação. Suposto pico piramidal e interneurônio bloqueado em fase para ondulações corticais durante o NREM, com atrasos de fase consistentes com a geração de ondulação através do feedback piramidal-interneurônio. As ondulações corticais eram menores em amplitude do que as ondulações do hipocampo, mas eram semelhantes em densidade, frequência e duração.

As ondulações corticais durante o NREM normalmente ocorrem logo antes do pico no norte do estado, muitas vezes durante os fusos. Upstates e fusos foram previamente associados à consolidação de memória, e descobrimos que as ondulações corticais agrupavam a co-distribuição entre unidades dentro da janela de plasticidade dependente do tempo de pico. Assim, as ondulações corticais NREM humanas são as seguintes: onipresentes e estereotipadas com uma frequência de oscilação bem focada; semelhantes às ondulações do hipocampo; associado a upstates e fusos; e associado à coqueima da unidade. Estas propriedades são consistentes com ondulações corticais, possivelmente contribuindo para a consolidação da memória e outras funções durante o NREM em humanos.

Palavras-chave:

córtex; hipocampo; humanos; ondulações; dormir; acordando.

Declaração de Significância

Em roedores, as ondulações do hipocampo organizam a repetição durante o sono para promover a consolidação da memória no córtex, onde também ocorrem as ondulações. No entanto, as evidências de ondulações corticais no sono humano são limitadas e sua distribuição anatômica e propriedades fisiológicas são inexploradas. Aqui, usando gravações intracranianas humanas, demonstramos que ocorrem ondulações em todo o córtex durante a vigília e o sono com características altamente estereotipadas.

Durante o sono, as ondulações corticais tendem a ocorrer durante os fusos na transição de baixo para cima e, portanto, participam de uma sequência de ondas do sono que é importante para a consolidação. Além disso, as ondulações corticais organizam picos de unidade única com tempo ideal para facilitar a plasticidade. Portanto, as ondulações corticais em humanos possuem propriedades fisiológicas essenciais para apoiar a memória e outras funções cognitivas.

Introdução

As ondulações do hipocampo têm sido extensivamente estudadas em roedores durante o sono de movimento ocular não rápido (NREM), quando marcam a repetição de eventos do período de vigília anterior e são críticas para a consolidação da memória no córtex (Wilson e McNaughton, 1994; Girardeau et al., 2009; Ego -Stengeland Wilson, 2010; Buzsáki, 2015; Maigret et al., 2016).

Eles estão associados à repetição cortical (Ji e Wilson, 2007; Peyrache et al., 2009; LA Johnson et al., 2010) e às ondas corticais do sono (fusos, estados inferiores, estados superiores) (Siapas e Wilson, 1998), uma relação crucial para consolidação (Latchoumane et al., 2017). As ondulações do hipocampo de rato compreendem uma oscilação de 140 Hz no pico de uma onda aguda de 70 m de duração, seguida por um potencial local mais lento (Buzsáki, 2015).

As ondulações de ondas agudas do hipocampo humano também ocorrem durante o NREM com relações temporais semelhantes aos fusos corticais e aos estados de baixo para cima, e topografia hipocampal semelhante, mas com uma frequência mediana de 80-90 Hz (Staresina et al., 2015; Jiang et al., 2019a,b,c).

Recentemente, foram encontradas ondulações no córtex de associação de ratos, mas não nos córtices sensoriais ou motores primários durante o sono, com maior acoplamento às ondulações do hipocampo durante o sono após a aprendizagem (Khodagholy et al., 2017). Um estudo anterior relatou ondulações no córtex do gato acordado e dormindo, especialmente durante o NREM (Grenier et al., 2001). Em humanos, as ondulações corticais durante a vigília foram encontradas com mais frequência no córtex temporal lateral do querolandico, e acopladas às ondulações do giro parahipocampal com mais frequência antes da recordação correta dos pares associados (Vazet al., 2019).

Unidades temporais laterais disparadas em fase com as ondulações locais da vigília em padrões previamente observados durante a aprendizagem (Vaz et al., 2020). As ondulações do hipocampo ao acordar também foram associadas a padrões de atividade cortical seletivos para faces e construções durante a recordação livre (Norman et al., 2019). As evidências de ondulações corticais durante o NREM em humanos são limitadas, mas um estudo anterior indicou que elas podem ser suprimidas durante e aumentadas após , o estado inferior cortical (vonEllenrieder et al., 2016).

Assim, há uma apreciação emergente de que, em humanos e roedores, as ondulações hipocampais e corticais desempenham um papel importante na memória durante o sono e a vigília. No entanto, muitas questões fundamentais permanecem sem solução. As características essenciais das ondulações não foram comparadas entre o córtex e o hipocampo, ou entre o sono e a vigília, por isso não está claro como as ondulações podem diferir entre os seus supostos papéis de apoio à consolidação versus recordação, ou mesmo se representam o mesmo fenómeno.

O conhecimento da distribuição das ondulações nas diferentes áreas corticais durante a vigília é limitado e durante o sono é essencialmente ausente. As relações entre ondulações corticais e fusos locais do sono, estados inferiores e superiores não foram determinadas. Tais relações poderiam apoiar o papel das ondulações corticais na consolidação, assim como aumentariam o co-disparo entre os neurônios dentro da janela de plasticidade dependente do tempo de pico (STDP).

Além disso, as relações entre o disparo de células piramidais e inibitórias corticais humanas com as ondulações e entre si, importantes para a compreensão da geração de ondulações, não foram determinadas.

Aqui, usando registros de estereoeletroencefalografia intracraniana (SEEG), mostramos que as ondulações corticais são geradas durante o NREM em humanos, e fornecemos a primeira caracterização abrangente das ondulações corticais.

Ondulações com frequência de oscilação estereotipada e fortemente focal de; 90 Hz e duração de; 70 ms eram onipresentes em todo o córtex durante a vigília e NREM, embora ligeiramente menos densas e robustas em áreas de associação, e sem relação com a suposta conectividade do hipocampo. Descobrimos que as ondulações corticais são semelhantes às do hipocampo em frequência de oscilação, densidade e duração. As ondulações corticais no NREM acoplaram-se fortemente aos estados de baixo para cima, e menos frequentemente aos fusos, consistentes com um possível papel na repetição da memória.

Usando registros de unidade única de um microarranjo cortical, identificamos os prováveis ​​circuitos geradores de ondulações corticais e mostramos que as unidades disparam durante as ondulações em atrasos curtos que são ideais para STDP. Assim, as ondulações corticais humanas durante o NREM possuem as propriedades fisiológicas necessárias para facilitar a plasticidade guiada pela repetição. Contudo, a omnipresença e a estereotipia das ondulações humanas nas estruturas e nos estados também são consistentes com um papel funcional mais geral.

Materiais e métodos

Seleção de pacientes. Dados de um total de 18 pacientes (12 mulheres, 30,{3}},2 anos) com epilepsia farmacorresistente submetidos a registro intracraniano para localização do início das crises antes do tratamento cirúrgico foram incluídos neste estudo (Tabela 1). Os pacientes cujos registros SEEG foram analisados ​​só foram incluídos no estudo se não tivessem cirurgia cerebral prévia; EEG de fundo (exceto transitórios epileptiformes) na faixa normal; e eletrodos implantados no que acabou sendo considerado córtex não lesional e não epileptogênico, bem como hipocampo não lesional e não epileptogênico (essas áreas eram suspeitas de fazer parte do foco antes da implantação ou eram necessárias para passar para alcançar áreas suspeitas de epileptogênica).

Além disso, em 1 desses pacientes (uma mulher destra, com 51- anos de idade) também foi implantado um microeletrodo intracraniano (Utah Array) em tecido que foi suspeito, com base em uma avaliação pré-cirúrgica, de ser incluído na região do tratamento terapêutico. ressecção. A implantação da matriz não afetou o monitoramento clínico. Posteriormente, foi ressecado para obter acesso ao foco cirúrgico abaixo, determinou-se que o eletrodo não estava implantado em zona epileptogênica e não havia convulsões originadas na região do conjunto.

Os pacientes foram excluídos do estudo se tivessem feito cirurgia cerebral prévia ou não tivessem hipocampo e canais corticais não lesionados que não estivessem envolvidos no estágio inicial da descarga convulsiva e não tivessem atividade interictal frequente ou potenciais de campo locais (LFPs) anormais. somente incluídos no estudo se tivessem pelo menos 20 células piramidais (PYs) e 20 interneurônios (INs). Com base nesses critérios, 18 pacientes foram incluídos neste estudo de 84. Todos os pacientes deram consentimento por escrito totalmente informado para que seus dados fossem usados ​​para pesquisa, conforme monitorado pelos Conselhos de Revisão Institucional locais da Cleveland Clinic e Partners HealthCare (incluindo o Massachusetts General Hospital).

Gravações intracranianas. Os pacientes foram implantados com eletrodos intracranianos por; 7 dias com registros contínuos para localização do início das crises. A implantação e direcionamento do eletrodo SEEG foram feitos para fins puramente clínicos. As gravações SEEG foram coletadas com um amplificador Nihon KohdenJE-120 com amostragem de 1000 Hz (Pacientes S1-S17). Os eletrodos clínicos padrão tinham 0,8 mm de diâmetro, com 10-16 contatos de comprimento de 2 mm com passo de 3,5-5 mm (;150 contatos/paciente).

Registros de microeletrodos de 1 paciente implantado com um UtahArray também foram analisados ​​(200 min de NREM). O Utah Array é um conjunto de microeletrodos 10 10 com cantos omitidos e passo de contato de 400 mm (Waziri et al., 2009; Keller et al., 2010; Fernández et al., 2014). Cada sonda de silício tem 1 mm de comprimento com uma base de 35-75 mm que se estreita até 3-5 mm. As sondas são isoladas, exceto a ponta revestida de platina. Os dados foram adquiridos em 30 kHz (Blackrock Microsystems) com banda passante de 0,3-7,5 kHz. Os dados foram registrados em relação a um fio de referência distante.

Pré-processamento eletrofisiológico. O pré-processamento de dados offline foi realizado no MATLAB 2019b, e os LFPs foram inspecionados visualmente usando a caixa de ferramentas FieldTrip (Oostenveld et al., 2011). Os dados SEEG foram reduzidos para 1000 Hz com anti-aliasing e entalhe de 60 Hz filtrado (fase zero) com harmônicos de 60 Hz até 480 Hz. Os pares de contatos transcorticais foram identificados usando a localização anatômica (usando a ressonância magnética pré-operatória alinhada à TC pós-operatória) e as propriedades fisiológicas (alta amplitude, coerência e inversão da atividade espontânea entre os contatos), e selecionados de forma que nenhum par compartilhasse um contato. As análises AllSEEG foram realizadas usando derivações bipolares entre referências adjacentes na substância cinzenta cortical ou hipocampal para garantir que a atividade fosse gerada localmente (Mak-McCully et al., 2015).

Seleção de canal. Os canais foram excluídos da análise se estivessem em tecido lesionado, envolvidos nos estágios iniciais da descarga convulsiva, ou tivessem atividade interictal frequente ou LFPs anormais. Do total de 2.129 canais bipolares (1.202 hemisfério esquerdo) dos 17 pacientes SEEG (S1-S17), 28 canais bipolares hipocampais (16 hemisfério esquerdo) e 273 transcorticais (133 hemisfério esquerdo) foram selecionados para as análises (Tabela 1) A maioria dos canais foi rejeitada porque não constituíam um par transcortical conforme descrito acima.

Primeiro, a maioria dos pares bipolares estavam na substância branca e, portanto, não registravam atividade cortical focal. Além disso, muitos canais foram rejeitados pelo critério relacionado de que um dos contatos fosse comum com outro par bipolar já selecionado. Isto foi feito porque um contato comum significa que os dois pares bipolares não forneceriam medições independentes. A polaridade foi corrigida para canais bipolares individuais, de modo que os estados inferiores fossem negativos e os estados superiores fossem positivos. Isso foi conseguido garantindo que os picos negativos durante o NREM estivessem associados à diminuição e os picos positivos estivessem associados ao aumento da amplitude analítica média de 6.100 ms 70-190 Hz, um índice de disparo de células que é fortemente modulado pelos estados inferiores e superiores (Csercsa et al., 2010).

Localização do eletrodo. As superfícies corticais foram reconstruídas a partir do volume pré-operatório de RM estrutural ponderado em T1- da cabeça inteira usando o pipeline de reconhecimento padrão do FreeSurfer (Fischl, 2012). O parcelamento automatizado baseado em Atlas (Fischl et al., 2004) foi usado para atribuir rótulos anatômicos a regiões da superfície cortical no atlas Destrieux (Destrieux et al., 2010).

Além disso, a segmentação automatizada foi usada para atribuir rótulos anatômicos a cada voxel do volume de RM, incluindo a identificação de voxels contendo subcampos do hipocampo (Iglesias et al., 2015). Para localizar os contatos do SEEG, o volume da TC pós-implante foi registrado no volume da RM, em espaço FreeSurfer isotrópico padronizado de 1 mm, utilizando o módulo de registro geral (H. Johnson et al., 2007) no 3D Slicer (Fedorov et al., 2012). A posição de cada contato SEEG, nas coordenadas do FreeSurfer, foi então determinada anotando manualmente os centróides do contato do eletrodo visualizado no volume CT co-registrado.
A cada par de contato transcortical foi atribuída uma parcela anatômica do atlas acima, verificando as identidades da parcela do vértice da superfície mais próximo do ponto médio do par de contato. Os contatos subcorticais receberam um rótulo anatômico correspondente à pluralidade de rótulos de segmentação de voxel dentro de um raio de 2-voxel. As localizações dos pares de contato transcorticais foram registradas no cérebro modelo médio para visualização por morfologia esférica (Fischl et al., 1999).

Para representar graficamente os valores em um cérebro modelo, foi calculada a média das médias dos canais para cada região cortical, usando amálgamas das parcelas de Desikan et al. (2006) (Tabela 2), com os dois hemisférios combinados e depois transformados em um modelo de média ico5 do hemisfério esquerdo. As distâncias aerodinâmicas da substância branca entre canais foram calculadas usando as 360 parcelas do atlas HCP-MMP1.0 (Glasser etal., 2016), conforme determinado por tractografia de difusão probabilística por ressonância magnética (Behrens et al., 2007), e são médias populacionais de Rosen e Halgren (2021). Quando dois canais estavam no mesmo pacote HCP, a distância foi considerada 0.

Análises tempo-frequência. Gráficos médios de tempo-frequência da potência espectral relacionada ao evento de ondulação foram gerados a partir do LFP de banda larga usando EEGLAB (Delorme e Makeig, 2004). A potência espectral relacionada ao evento foi calculada de 1 Hz até a frequência de Nyquist (500 Hz) com resolução de 1 Hz com centros de ondulação em t=0 calculando e calculando a média das transformadas rápidas de Fourier com afunilamento da janela de Hanning.

Cada bin de 1 Hz da matriz tempo-frequência foi normalizado em relação à potência média em 2.000 a 1.500 ms e mascarado com significância bootstrapped bicaudal (N=200) com correção de taxa de descoberta falsa (FDR) e um =0. 05 usando 2.000 a 1.500 ms como linha de base. Os gráficos médios de tempo-frequência foram gerados pela média dos gráficos médios de tempo-frequência de todos os canais para uma determinada região (isto é, neocórtex ou hipocampo) e estado (isto é, NREM ou vigília).

Seleção da época de sono e vigília.

As épocas incluídas no estudo não ocorreram dentro de pelo menos 1 hora após uma convulsão e não foram contaminadas com picos interictais frequentes (IISs) ou artefatos. Os períodos NREM foram selecionados a partir de gravações contínuas durante a noite, onde a amplitude analítica d (0.5-2 Hz) dos canais corticais foi persistentemente aumentada (Tabela 1). As épocas do sono foram confirmadas por inspeção visual como tendo estados inferiores, norte e fusos de aparência normal.

Downstates, upstates e fusos também foram detectados automaticamente, e a quantificação desses eventos mostrou que eles tinham densidades, amplitudes e frequências características de NREM (veja detalhes em Detecção de downstates, upstates e fusos de sono). gravações diurnas contínuas que apresentavam d cortical persistentemente baixo, bem como a cortical alta ({{0}} Hz), b (20-40 Hz) e amplitudes analíticas g altas (70-190 Hz) . Quando os dados incluíram EOG (N=15/17 pacientes SEEG), os períodos de vigília também exigiram que a amplitude analítica de 0,5-40 Hz do traçado EOG fosse aumentada. As épocas de vigília deveriam ser separadas dos períodos de amplitude analítica aumentada em pelo menos 30 minutos.

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