Ondulações generalizadas sincronizam a atividade cortical humana durante o sono, a vigília e a recuperação da memória - Parte 1

A codificação, consolidação e recuperação da memória declarativa requerem a integração de elementos codificados em localizações corticais generalizadas. O mecanismo pelo qual ocorre tal "ligação" de diferentes componentes de eventos mentais em representações unificadas é desconhecido. A teoria da "ligação por sincronia" propõe que as áreas de codificação distribuídas são ligadas por oscilações síncronas, permitindo uma comunicação melhorada.

A codificação de memória declarativa refere-se à conversão de informações em um formato que possamos armazenar, traduzir e recuperar. Essa codificação pode ser feita por meio de diversos métodos, como vincular a informação ao nosso conhecimento existente (memória associativa), dividir a informação em partes organizadas (memória estruturada), etc. A codificação da memória declarativa é extremamente importante para a nossa memória.

Com uma codificação de memória declarativa eficaz, podemos lembrar e recuperar informações com mais facilidade. A codificação da memória declarativa é necessária para aprender novos conhecimentos e lembrar informações importantes. Sem a codificação da memória declarativa, podemos esquecer ou confundir diversas informações, o que pode afetar nossa vida diária e nosso aprendizado.

Não apenas isso, mas a codificação da memória declarativa também promove conexões e conexões entre neurônios no cérebro, melhorando assim nossas capacidades de memória. Em nossos cérebros, os neurônios formam redes intrincadas e, por meio da estimulação e da codificação da memória, podemos melhorar as conexões e conexões entre os neurônios, o que é importante para a memória de longo prazo.

Portanto, uma boa codificação da memória declarativa não só nos ajuda a aprender e praticar novos conhecimentos, mas também melhora a nossa capacidade de memória e mantém o cérebro ativo. Portanto, em nossa vida diária, o uso ativo de vários métodos de codificação de memória para fortalecer nossa codificação de memória declarativa tem um efeito de promoção muito positivo em nossa memória. Percebe-se que precisamos melhorar nossa memória. Cistanche deserticola pode melhorar significativamente a memória porque Cistanche deserticola é um material medicinal tradicional chinês com muitos efeitos únicos, um dos quais é melhorar a memória. A eficácia da carne picada vem dos vários ingredientes ativos que contém, incluindo ácidos, polissacarídeos, flavonóides, etc. Esses ingredientes podem promover a saúde do cérebro de várias maneiras.

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Contudo, as evidências de tais oscilações são escassas. Breves oscilações de alta frequência ("ondulações") ocorrem no hipocampo e no córtex e ajudam a organizar a recuperação e consolidação da memória. Aqui, usando gravações intracranianas em humanos, relatamos que essas ondulações de ∼70-ms de duração, 90-Hz frequentemente se acoplam (dentro de ±500 ms), co-ocorrem (Maior ou igual a {{6} } sobreposição de ms) e, crucialmente, bloqueio de fase (têm atrasos de fase consistentes) entre locais corticais focais amplamente distribuídos durante o sono e a vigília, mesmo entre hemisférios.

A co-ocorrência de ondulação cortical é facilitada através da ativação em vários locais e o bloqueio de fase aumenta com mais ondulações no local cortical. Ondulações em todas as áreas corticais co-ocorrem com ondulações do hipocampo, mas não bloqueiam a fase com elas, sugerindo ainda que a sincronia córtico-cortical é mediada por conexões córtico-corticais. Os atrasos da fase de ondulação variam entre as noites de sono, consistentes com a participação em diferentes redes. Durante a vigília, mostramos que as ondulações hipocampo-corticais e cortico-corticais aumentam precedendo a recuperação retardada da memória quando a ligação entre o estímulo e a resposta é essencial.

As ondulações aumentam e o disparo da unidade modulada em fase e as ondulações aumentam as correlações de alta frequência entre as áreas, sugerindo picos de unidades sincronizadas, facilitando a troca de informações. a coocorrência, a sincronia de fase e a correlação de alta frequência são mantidas com pouco decréscimo em distâncias muito longas (25 cm). As ondulações hipocampo-cortico-corticais parecem possuir as propriedades essenciais necessárias para apoiar a ligação por sincronia durante a recuperação da memória e talvez geralmente na cognição.

As ondulações são oscilações breves de alta frequência que foram bem estudadas no hipocampo dos 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 (1–4 ). 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 o aprendizado (5). Um estudo anterior relatou ondulações no córtex do gato acordado e dormindo, especialmente no NREM (6). Em humanos, ondulações corticais foram recentemente identificadas durante a vigília e foram encontradas com mais frequência no córtex temporal lateral do que no córtex rolândico.

A ocorrência de ondas agudas no hipocampo e o acoplamento de ondas entre o giro para-hipocampal e o córtex de associação temporal aumentam a recuperação da memória anterior em humanos (7, 8), possivelmente facilitando a repetição de sequências de disparo de neurônios corticais estabelecidas durante a codificação (9). Em ratos, as ondulações co-ocorrem entre o hipocampo e ~1 mm2 do córtex parietal durante o sono após o aprendizado (5), em camundongos, as ondulações se propagam do hipocampo para o córtex retroesplenial (10), e em gatos, a co-ocorrência de ondulações é supostamente limitado a distâncias curtas (6).

Relatamos recentemente, usando registros intracranianos humanos, que ondulações de ∼70-ms de comprimento e ∼90-Hz são onipresentes em todas as regiões do córtex durante o NREM, bem como na vigília (11).Durante a vigília, ondulações corticais ocorrem em picos locais de atividade de alta frequência. Durante o sono, as ondulações corticais normalmente ocorrem na transição cortical de baixo para cima, geralmente com fusos corticais de sono de 10- a 16-Hz e padrões de disparo de unidades locais consistentes com a geração por feedback de interneurônios piramidais. Descobrimos que as ondulações corticais agrupam-se dentro da janela de plasticidade dependente do tempo de pico. Essas descobertas são consistentes com as ondulações corticais que contribuem para a consolidação da memória durante o NREM em humanos.

Embora exista, portanto, uma apreciação emergente de que as ondulações hipocampais e corticais têm um papel importante na memória humana e de roedores, nada se sabe sobre as propriedades de rede das ondulações corticais. Especificamente, não se sabe se as ondulações co-ocorrem ou sincronizam fases entre locais corticais e, em caso afirmativo, se isso é afetado pela distância ou se está correlacionado com a reconstrução de memórias declarativas. Estas seriam propriedades críticas para que as ondulações corticais participem na ligação de diferentes elementos de memórias que são representados em áreas corticais díspares, a essência da memória dependente do hipocampo (12).

A ligação de elementos díspares de uma memória é um caso específico de um problema mais geral de como os vários conteúdos de um evento mental são unidos numa única experiência. O mais frequentemente abordado é como as diferentes qualidades visuais de um objeto (por exemplo, cor, forma, localização e textura) estão associadas umas às outras (13), mas o “problema de ligação” generaliza-se para como os conteúdos da consciência são unificados em um único fluxo de consciência. (14).

As contas modernas baseiam-se frequentemente na convergência hierárquica e multimodal. No entanto, o processamento cortical é distribuído e seria difícil representar as possibilidades combinatórias contidas em todas as experiências potenciais de convergência, levando à sugestão de que a sincronia temporal liga as áreas corticais (15). Esta hipótese foi inicialmente apoiada por disparos de unidades de fase bloqueada e potenciais de campo locais (LFPs) de 40 a 60 Hz evocados por estímulos visuais simples no córtex visual primário do gato anestesiado a distâncias<7 mm (16). 

Embora alguns estudos adicionais tenham encontrado resultados semelhantes em outras áreas corticais, comportamentos e espécies, como seria esperado sob a hipótese da ligação por sincronia (17, 18), outros tiveram menos sucesso (19). As oscilações síncronas de gama alta também foram criticadas por não fornecerem nenhum mecanismo para interação neuronal além da ativação genérica (19, 20).

Aqui, usando registros de estereoeletroencefalografia intracraniana humana (SEEG), descobrimos que as ondulações co-ocorrem e, notavelmente, sincronizam a fase em todos os lobos e entre ambos os hemisférios, com pouco decréscimo, mesmo em longas distâncias. Além disso, a co-ocorrência de ondulação é aumentada entre locais corticais, bem como entre o córtex e o hipocampo, precedendo a recordação retardada bem-sucedida.

O corippling foi progressivamente acima do esperado, pois envolveu uma proporção maior de locais, e isso levou a um bloqueio de fase progressivamente mais forte. O disparo de unidade única aumentou durante e bloqueado em fase para ondulações corticais, fornecendo um requisito básico para ondulações para melhorar a comunicação por meio de modulação de ganho e detecção de coincidência. A comunicação aprimorada foi apoiada por nossa descoberta de uma correlação aumentada de alta frequência entre regiões onduladas até mesmo distantes.

Essas características sugerem que ondulações corticais distribuídas e com fase bloqueada possuem propriedades que podem permitir que ajudem a integrar diferentes componentes da memória. De modo mais geral, as ondulações podem ajudar a "ligar" diferentes aspectos de um evento mental codificado em áreas corticais generalizadas numa representação coerente.

Resultado

Detecção de ondulação durante NREM e vigília. Ondulações foram detectadas usando registros intracranianos corticais e hipocampais em 17 pacientes (Apêndice SI, Tabela 1) submetidos a monitoramento para localizar focos convulsivos durante NREM e vigília. Derivações de contato bipolar foram usadas para medir LFPs. Ondulações foram detectadas apenas em canais em áreas epileptogênicas não lesionais.

As ondulações foram obrigadas a ter três ou mais ciclos de amplitude analítica de pico aumentada de 70 a 100 Hz que não continham atividade epileptiforme ou artefatos. Também foi necessário que as ondulações não ocorressem no momento dos supostos picos interictais detectados em qualquer outro canal para excluir eventos que poderiam ser acoplados falsamente devido à atividade epileptiforme.

Ondulações corticais foram detectadas em todos os lobos de ambos os hemisférios durante o NREM e a vigília (Apêndice SI, Fig. S1A e canais B; n=273). As ondulações corticais e hipocampais foram consistentemente oscilações de ∼70- a 85-ms de comprimento e ∼90-Hz. Especificamente, as ondulações corticais durante o NREM tiveram uma frequência média e SD (médias entre canais) de 89,1 ± 0,8 Hz, densidade de 8,4 ± 2,7 min1, amplitude de 5,1 ± 2,4 μV e duração de 76,5 ± 2,4 μV. 10,1ms.

Durante a vigília, as ondulações corticais tinham frequência de 89,5 ± 0 0,7 Hz, densidade de 5,8 ± 3,4 min1, amplitude de 7,2 ± 3,9 μV e duração de 66,6 ± 7,2 ms (fig. 1A e B). ;n=273 canais). As ondulações do hipocampo durante o NREM tiveram uma frequência média e SD de 85,7 ± 2,0 Hz, densidade de 7,0 ±4,8 min1, amplitude de 17,4 ± 7,8 μV e duração de 87,5 ±9.{{ 35}} ms e durante a vigília teve frequência de 88,2 ± 1,4 Hz, densidade de 7,4 ± 5,5 min1, amplitude de 18,0 ± 9,6 μV e duração de 69,7 ± 7,9 ms (n=28 canais ). Um SD menor ou igual a 2 Hz na frequência de ondulação em todas as circunstâncias sugere a possibilidade de que o canal local e as propriedades da rede estejam subjacentes a uma frequência ressonante consistente.

Ondulações Corticais Casam-se e Co-ocorrem em Regiões Amplas.

Nossa hipótese é que as ondulações se acoplam (ocorrem dentro de ± 5 0 0 ms uma da outra) e especialmente co-ocorrem entre locais corticais, o que seria crucial para a integração generalizada de informações. Descobrimos que as ondulações corticais se acoplam frequentemente e fortemente durante o NREM (n=4, 487/4.550 pares de canais significativos, teste de randomização, taxa de descoberta pós-falsa [FDR] P <0,05) e vigília (n=4 ,478/4.550), entre todas as áreas corticais amostradas (Fig. 2A e Tabela 1), inclusive entre os hemisférios.

A proporção de pares de canais córtico-corticais que foram significativamente acoplados durante o NREM (98,6%) não foi significativamente diferente daquela durante a vigília (98,4%; P=0 0,44, χ 2=0 0,61, graus de liberdade [ df]=1). Consulte o Apêndice SIA, Fig. S2A e B para pacientes individuais.

Criticamente, descobrimos que o acoplamento de latência curta levou à coocorrência (maior ou igual a 25-sobreposição de ms) dessas ondulações de ∼70-ms de comprimento, com probabilidades ligeiramente, mas significativamente maiores durante a vigília do que NREM (Fig. .2C). A porcentagem de pares de canais córtico-corticais com co-ocorrência de ondulação significativa foi muito alta e quase igual durante o NREM (n=2, 218/2.275, 97,5%) vs. acordado (n=2,225/2.275, 97,8%).

Descobrimos também que as probabilidades de co-ocorrência de ondulações córtico-corticais através dos canais foram correlacionadas entre NREM e vigília (SI Apêndice Fig. S3A; r=0 0,41, P=7 × 10180, significância de r) . Em suma, quase todos os pares de canais córtico-corticais se acoplam e co-ocorrem acima do acaso durante o NREM e a vigília）.

Ondulações hipocampais e corticais se casam e co-ocorrem, especialmente durante a vigília, mas em taxas mais baixas que as corticocorticais.

Como encontrado anteriormente (8), as ondulações em muitos pares de canais hipocampocorticais também foram significativamente acopladas (Fig. 2B e Tabela 1) durante o NREM (n=133/461) e durante a vigília (n =401/461), mas a uma taxa significativamente menor do que pares córtico-corticais em ambos os estados (NREM: P < 0.00001, χ2=2,832,0, df=1;despertar: P < 0,00001, χ2=213.3, df=1). Ao contrário dos pares córtico-corticais, a proporção de pares hipocampo-corticais significativos foi maior durante a vigília (87,0%) do que NREM (28,9%, P< 0.00001, χ2 = 319.6, df = 1). See SI Appendix, Fig. S2C, and D for individual patients. These findings of cortico-cortical and hippocampo-cortical couplings were maintained when only cortical and hippocampal channels that were free of interictal spikes at any time were analyzed (SI Appendix, Table 2).

A coocorrência sobreposta de ondulações humanas entre o córtex e o hipocampo não parece ter sido estudada per se, mas também seria esperado que ocorresse dado o seu acoplamento. Na verdade, encontramos coocorrência significativa de ondulações em 81,1% (n=374 /461) de pares de sítios hipocampo-corticais durante a vigília e 34,7% (n=160/461) durante o NREM. Maior coocorrência hipocampo-cortical durante a vigília em comparação com NREM foi significativa (P < 0.00001, χ2=203.8, df=1). Além disso, essas porcentagens de coocorrências hipocampo-corticais (81,1% de vigília; 34,7% de NREM) são significativamente mais baixas do que para pares de sítios córtico-corticais (97,5% de vigília; 97,8% de NREM) (NREM: P < 0,00001, χ{{31} },328,8, df=1; despertar:P < 0,00001, χ2=1,250,1, df=1). Assim, as ondulações nos locais hipocampais e corticais acoplam-se e co-ocorrem, mas a uma taxa substancialmente menor do que entre os locais corticais.

Ondulações corticais levam a ondulações do hipocampo durante o despertar.

Alguns modelos de memória postulam que a informação é transferida durante a vigília do córtex para o hipocampo para codificação da memória. Durante a vigília, 22,4% (90/401) dos pares de canais tiveram uma preferência de ordem significativa (Tabela 1; pós-FDR P < 0,05, teste binomial bilateral, valor esperado=0,05). Entre esses pares significativos, as ondulações corticais levaram a ondulações no hipocampo em 84,4% (76/90). Durante o NREM, 31,6% (42/133) dos pares hipocampo-corticais que foram significativamente acoplados tiveram uma preferência lateral significativa, onde as ondulações de um canal levaram as ondulações do outro. .

Embora as ondulações do hipocampo tenham levado a ondulações corticais em 66,7% (28/42) desses pares significativos durante o NREM, esse efeito foi amplamente impulsionado por um paciente (Apêndice SI, Tabela 3), ao contrário do efeito das ondulações corticais que levaram a ondulações do hipocampo durante a vigília, que foi consistente em todos os momentos. a maioria dos pacientes (Apêndice SI, Tabela 3). A preferência geral por ondulações corticais para levar a ondulações hipocampais durante a vigília em comparação com NREM foi altamente significativa (P=4 × 109, χ2=34.5, df=1).

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