Kortikális hullámok NREM-alvás és ébrenlét során embereknél 3. rész

A PY tüzelés megelőzi az IN tüzelést a kérgi hullámosság csúcsainál

Az NREM során a laterális temporális kéreg granuláris/szupragranuláris rétegeiből készített mikroelektródos tömb felvételek segítségével hullámosságokat (11A ábra), valamint akciós potenciálokat detektáltunk, amelyeket a feltételezett egyedi PY vagy IN egységekből származóakba soroltunk. Az átlagos 6 SD hullámzási frekvencia a mikroelektróda csatornákon (N=72) 89.6 6 1,4 Hz, az egyes hullámzásokon pedig (N=50,967) 90.{{9} },2 Hz. Azt találtuk, hogy az IN-ek erős hajlamosak voltak tüzelni a hullámosság csúcsán, míg a PY-k nem sokkal korábban (11B. ábra).

Az emberi agy szervezeti felépítésében a temporális lebeny az emlékezethez szorosan kapcsolódó fontos területnek számít. Úgy gondolják, hogy a temporális kéreg szemcsés rétege döntő szerepet játszik ebben a folyamatban. Különösen a kulcsfontosságú rövid távú memória folyamatban a temporális lebeny kéreg granuláris rétegének aktivitási szintje és száma közvetlenül meghatározza az egyén memóriateljesítményét. Ezért a temporális kérgi szemcsék egészségesen tartása fontos agyunk és memóriánk szempontjából.

Tehát hogyan lehet egészségesen tartani a temporális kérgi szemcséket? Először is, a megfelelő alvás elősegítheti az agyi neuronok növekedését és fokozhatja az idegi áramkörök stabilitását, ezáltal növelve a temporális kéregszemcsék számát és aktivitását. Emellett a több testmozgás, több tanulás és több szociális interakció serkentheti az idegsejtek aktivitását az agyban és növelheti a neuronok számát, ami jótékony hatással van a halántéklebeny kéregszemcséinek egészségére.

A fenti módszerek mellett a halántékkéreg részecskéinek egészségét is megőrizheti megfelelő étkezési szokásokkal. Tanulmányok kimutatták, hogy az élelmiszerekben, például az áfonyában, a dióban, a lazacban és a tőkehalban található egyes tápanyagok javíthatják a memóriát és a kognitív képességeket, valamint lelassíthatják a temporális kéregszemcsék funkcionális hanyatlását.

Röviden, a halántéklebeny kérgi szemcséi szorosan összefüggenek a memóriával, ezért nagyon fontos a halántéklebeny kérgi szemcséinek egészségének megőrzése. A több testmozgás, tanulás, szocializáció, elegendő alvás és helyes étkezési szokások mind hozzájárulnak a halántéklebeny kéregben lévő szemcsék számának és aktivitásának növeléséhez, ezáltal kognitív képességeink és memóriánk javításához. Látható, hogy javítanunk kell a memórián, és a Cistanche deserticola jelentősen javíthatja a memóriát, mert a Cistanche deserticola egy hagyományos kínai gyógyászati ​​anyag, amelynek számos egyedi hatása van, amelyek közül az egyik a memória javítása. A darált hús hatékonyságát a benne található különféle hatóanyagok jelentik, beleértve a savakat, poliszacharidokat, flavonoidokat stb. Ezek az összetevők számos módon elősegíthetik az agy egészségét.

Kattintson a Tudás gombra a rövid távú memória javításához

Korábban kimutattuk, hogy az embertelen emberek, a felső államok (Csercsa és mtsai, 2010) és az orsók (Dickey etal., 2021) összefüggésbe hozhatók az egységnyi tüzelési arány növekedésével. Mivel a kérgi hullámosságok pontosan kapcsolódnak ezekhez az eseményekhez (10. ábra), előfordulásuk a felső állapotokon és az orsókon egy mögöttes fázis depolarizációt jelent, ami 90 Hz-es oszcillációkat generálhat számítási és kísérleti modelleket PY–IN visszacsatolás gátláson keresztül (Bazhenov et al., 2008). Buzsáki, 2015). A depolarizáció a kosársejtek szinkron tüzelését okozza, gátolva más kosárcellákat és piramisokat a GABAA-n keresztül. A piramisok tüzelnek a felépülésre, izgatják a kosársejteket, ahogy felépülnek, ami újabb ciklushoz vezet.

Amint ez a modell megjósolta, azt találtuk, hogy a PY-k és az IN-k erősen fáziszártak voltak a kérgi hullámosságokhoz (11B. ábra), és a PY jelentősen az IN-kiugrósághoz vezetett (11C, D ábra). Ezen túlmenően, az IN-ek a hullámzási csúcson tüzelnek, amikor a piramis szomatikus gátlása maximális volt, amint azt macskákban találták (Grenier et al., 2001). Hasonlóképpen, a hullámosság amplitúdója magasabb volt ébrenlétben, mint az NREM (3B. és 8C. ábra), ami összhangban van a piramis membránpotenciál relatív depolarizációjával ébrenlét alatt. A 0,200 Hz-es amplitúdó megnövekedett amplitúdója szintén az ébrenlét alatti fázisdepolarizációra utal (2B, J, 3E, 8F ábra). Így az emberi agykérgi hullámzás a PY és a tüzelés erős tónusos és fáziszárt növekedésével jár, és valószínűleg egy hirtelen depolarizáció okozza, amely PY–IN visszacsatolási oszcillációkat vált ki (11E. ábra).

Cortical Ripples csoport együttes tüzelése az STDP számára optimális időzítéssel

A megnövekedett tónusos és fáziszárt egység tüzelése, valamint az orsókon a hullámzás előfordulása az alsó-felső állapot átmeneteknél arra utal, hogy a hullámosság elősegítheti a kéreg plaszticitását (Dickey etal., 2021). Ez az STDP-hez vezető egységek közötti rövid késleltetésű együttgyújtással fordulhat elő. Valóban nagy növekedést tapasztaltunk a PY–PY egységpárok és a PY–IN egységpárok közötti közös tüzelés során a rövid késleltetésű (,5 ms) hullámzások során (11F. ábra). Pontosabban, a hullámosság és a nem hullámzás (PY–PY: 7.{7}}szeres növekedés, p=2 10159,N=4638, t=28.0; PY–IN: 9.78-szeres növekedés, p { {15}} 1099,N=1561, t=22.7; egyoldali páros t-próba). A nem hullámos összehasonlítási periódusok véletlenszerűen kiválasztott korszakok voltak a hullámzások között, amelyek száma és időtartama megegyezett.

Annak tesztelésére, hogy ez a közös tüzelés növekedése nem pusztán az egységek teljes tüzelési sebességének növekedése a hullámzás során, vagy akár ritmikusságuk miatt, hanem inkább a közös tüzelés specifikus megszervezése az egyes hullámzási ciklusok fázisa szerint, egy kontroll adatkészletet állítottunk össze, amely az idegi tüzelés során hullámok, ahol a tüskeidőket véletlenszerűen megkeverték. Összehasonlítva ezzel a kevert kontrollal, szignifikánsan megnőtt a rövid késleltetésű együttgyújtás a hullámzások során a tényleges tüskeidővel (PY–PY:1.21-szeres növekedés, p=1 107, N=4638 ,t=5.2; PY–IN: 1.15-szeres növekedés, p=1 107, N=1561, t=5.2, egy- oldalas páros t-próba). Ez a megállapítás azt jelzi, hogy az együtttüzelés növekedése a közös tüzelés sajátos szerveződésének köszönhető, az egyes hullámzási ciklusok fázisa szerint. Így a hullámosságok szükséges és elégséges feltételt teremtenek az STDP számára, és ezért alapját képezhetik ezeknek a beágyazott hullámoknak a konszolidációhoz való döntő hozzájárulásának (Dickey et al., 2021).

Vita

A jelenlegi tanulmány az első átfogó jellemzést nyújtja az ébrenlét alatti kérgi hullámzásról és az NREM-ről emberekben. Koponyán belüli felvételek felhasználásával arról számoltunk be, hogy az ébrenlét mellett az emberi agykérgi hullámzás is széles körben elterjedt a NREM során. Az alapvető rokkantsági jellemzők (előfordulási gyakoriság, amplitúdó, oszcillációs frekvencia, időtartam, eloszlás a kérgi területeken) a sztereotípiák a keresztelektródák és a kérgi parcellák. Nagyon hasonlóak a kéregben és a hippocampusban, valamint a NREM-ben és az ébrenlétben. A kérgi hullámos sztereotípia és a struktúrák és állapotok közötti mindenütt jelenléte azt sugallja, hogy különálló és funkcionálisan fontos neurofiziológiai entitást alkothatnak.

Az emberi hullámzás jellemzői két kivétellel hasonlóak a rágcsálókéhoz. Először is, az emberi hullámok középfrekvenciája fókuszált; 90 Hz (Jiang et al., 2019a), míg a rágcsálóknál ez; 130 Hz (Khodagholy et al., 2017). Elképzelhető, hogy a nagyobb emberi agy több időt igényel a corticocorticalis és a hippocampo-kortikális integrációhoz, mint a rágcsálóagy. A második nyilvánvaló különbség az emberek és a rágcsálók között a kérgi eloszlásban rejlik. Egy korábbi rágcsálóvizsgálat kimutatta, hogy a kérgi hullámosság az asszociációs kéregre korlátozódott (Khodagholy etal., 2017), és következetes megfigyelésekről számoltak be emberteleneknél (Vaz et al., 2019). Ezzel szemben az összes mintavételezett területen kérgi hullámosodást regisztráltunk, az asszociációs területeken valamivel alacsonyabb előfordulási arányt mutatott az előfordulási arány és a mielinizációs index közötti pozitív korreláció.

Az alapvető tulajdonságok hasonlóságával ellentétben azt találtuk, hogy az ébrenlét és a NREM hullámzása számos különböző közvetlen fiziológiai összefüggésben fordul elő. Az NREM-ben a kortikális hullámzás erősen összefügg a helyi alsó és felső állapotokkal, és kevésbé erősen az alvási orsókkal. Jellemző, hogy a hullámzás az emelkedőn történik; 100 ms-mal a felső állam csúcsa előtt. Korábbi tanulmányok azt találták, hogy az alvási orsók (Dickey és mtsai, 2021) és az upstates (Csercsa és mtsai, 2010) a helyi egységek tüzelésének erős növekedésével járnak. azt találtuk, hogy ez a helyzet a kérgi hullámok esetében is a NREM során. A NREM során a hippocampalis hullámzás a korábbi vizsgálatokban is gyakran előfordult lokális éles hullámok vagy orsók során (Staresina et al., 2015; Jiang et al., 2019a, b, c).

Mivel az alvási orsók és az alsó-felső állapotok jellemzőek az NREM-re, ezek nem várhatók ébrenléti hullámok esetén. Bár nem találtunk más alacsonyabb frekvenciájú hullámot, amely következetesen összefüggésbe hozható volna az ébrenlét alatti hullámzásokkal, mind a kérgi, mind a hippocampális hullámzás előfordult a nagymértékben megnövekedett, 0,200 Hz-es amplitúdójú helyi aktivitás során, ami az egységnyi tüzelés helyettesítője (Mukamel et al., 2005). Így mind a kortikális, mind a hippocampális hullámok lokális összefüggései mind NREM-ben, mind ébrenlétben a lokális ingerlékenység hirtelen növekedését okozzák, legalább a hullámosság időtartamáig (;70 ms). A NREM és az ébredés abban különbözik, hogy a depolarizáló impulzust az NREM-ben endogén alvásritmusok szervezik, de úgy tűnik, hogy összefüggésben állnak az exogén bemenettel, például az ébrenlét alatti visszahívási jellel.

Számítógépes neurális modellek és kísérleti vizsgálatok azt találták, hogy a depolarizáló impulzusok 20 Hz-től 160 Hz-ig oszcillációt válthatnak ki (Buzsáki és Wang, 2012; Buzsáki, 2015). A depolarizáció szinkron PY tüzelést okoz, amelyet meghatározott ideig gátolja a lokális kosársejtek ismétlődő gátlása. A PY-k ezután ismét tüzelnek, ami Piramis InterneuronNetwork Gamma-t eredményez. Amint azt ez a modell megjósolta, a feltételezett PY és az interneuronális tüzelés erős hullámos fázismodulációját találtuk, a PY-k rendszeresen megelőzik az IN-t. Eredményeink összhangban vannak a piramis interneuron hálózat gamával, kiegészítve szinkronizált kosársejtek tüzelésével és kölcsönös gátlással (Internuron Network Gamma) (Bartos et al., 2002). A végleges mechanikus demonstráció olyan kísérleteket igényelne, amelyek jelenleg nem lehetségesek in vivo embereken (Stark és mtsai, 2014).

Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy macskáknál (Grenier és mtsai, 2001) és patkányoknál (Khodagholy és mtsai, 2017) az agykérgi hullámzások az állam felső részén és az orsócsúcsokon (Khodagholy és mtsai, 2017), az emberekben pedig különböző frekvenciájú parahippocampális g-kitörések fordulnak elő a felső államokban (Le Van Quyen etal). ., 2010). Itt hasonló kapcsolatokról számolunk be emberekben, összhangban azzal a korábbi megállapítással, amely szerint az emberi NREM során a kérgi hullámok elnyomódnak a leállások alatt, és fokozódnak azt követően (von Ellenrieder et al., 2016).

A rágcsálók hippocampális hullámainak kritikus szerepe a memória konszolidációjában az NREM során (Girardeau és mtsai, 2009) attól függ, hogy kapcsolódnak-e a kérgi alváshullámokhoz (orsók, alsó állapotok, felső állapotok) (Siapas és Wilson, 1998; Maigret et al., 2016; Latchoumaneet al. ., 2017). Emberben a hippokampusz hullámzása szintén összefüggésbe hozható az alváshullámokkal (Staresina és mtsai, 2015; Latchoumane és mtsai, 2017; Jiang és mtsai, 2019a,b), és a kérgi alváshullámok is összefüggésben állnak a konszolidációval (Niknazar et al., 2015). Így az a megfigyelésünk, hogy az emberi agykérgi hullámzások a NREM során erősen összefüggenek a felső állapotokkal, és kevésbé erősen az alsó állapotokkal és az orsókkal, összhangban vannak az emberi kérgi hullámok inkonszolidációjának szerepével. Ezt támasztja alá egy közelmúltbeli tanulmány, amely kimutatta, hogy az NREM során fellépő kérgi hullámok a korábbi ébredésből származó tanult motoros minták visszajátszását jelzik (Rubin et al., 2022).

A konszolidáció plaszticitást igényel, hogy növelje az emlékezetet megtestesítő kapcsolatok erősségét, ami akkor fordulhat elő, amikor a preszinaptikus és posztszinaptikus sejtek szoros időbeli közelségben tüzelnek, ezt STDP-nek nevezik (Feldman, 2012). Itt megmutatjuk, hogy a lokális neuronok sokkal nagyobb valószínűséggel tüzelnek az STDP számára optimális késleltetéssel a hullámzás során, mint a kontrollperiódusok során, és hogy a közös tüzelés az általánosan megnövekedett neuron-tüzeléstől elvárhatónál nagyobb mértékben szerveződik. Hasonló növekedés figyelhető meg az alvási orsók és a magas állapotok során is embereknél (Dickey et al., 2021). Mivel azt is kimutatták, hogy az NREM kortikális hullámzása időlegesen összehangolódik az alvási orsókkal és a felső állapotokkal, ez támogatja a plaszticitás szinergikus elősegítését. Így a kérgi hullámok számos jellemzője összhangban van azzal, hogy szerepet játszanak a konszolidációban, de ennek a szerepnek a közvetlen megerősítéséhez olyan beavatkozásokra lesz szükség, amelyeket a jelenlegi vizsgálatban nem végeztek el.

A közelmúltban kimutatták, hogy az emberi ébrenléti kérgi hullámzások jelzik a tér- és időbeli tüzelési mintákat olyan tárgyak előhívása során, amelyek a kezdeti bemutatásuk során ugyanazokat az elemeket reprodukálták (Jiang et al., 2017). Ez arra utal, hogy lehetséges, hogy az emberekben és a rágcsálókban a hullámzások, az NREM és az ébrenlét, a hippocampus és a kéreg közös szerepet játszanak a korábban előforduló tüzelési minták rekonstrukciójában. Az emberi hullámok hasonló jellemzői a NREM-ben és az ébrenlétben, a hippocampusban és a kéregben , összhangban vannak ezzel a spekulációval.

A rágcsálókkal (Khodagholy et al., 2017) és az emberekkel (Vaz és mtsai, 2019) vonatkozó korábbi jelentések, amelyek szerint a kérgi hullámosságok korlátozottak voltak a kéregben, szintén úgy értelmezték, hogy az összhangban van a kérgi hullámok és a hippocampus szelektív kölcsönhatásával. A kérgi helyek közül alacsonyabb hullámsűrűséget figyeltünk meg a magasabb asszociatív kéregben. Továbbá nem találtunk összefüggést a kérgi parcellák között a hippocampális képződéssel való kapcsolatuk foka között (a diffúziós képalkotásból következtetve) (Rosen és Halgren, 2021) és a kortikális hullámsűrűség, ill. bármely más hullámossági jellemző. Valójában más munkákban kimutattuk, hogy a kérgi hullámosságok nagyobb valószínűséggel fordulnak elő és fáziszáródást okoznak más agykérgi helyekkel, mint a hippocampusszal (Dickey et al., 2022). Így a kortikális hullámok funkcionális szerepe nem korlátozódik a memória megszilárdítására és a felidézésre.

Összefoglalva, a jelenlegi tanulmány az első jelentést nyújtja az emberek alvás közbeni agykérgi hullámzásairól. Megállapították, hogy az NREM során az agykérgi hullámzások alapvető jellemzői (időtartam, oszcillációs frekvencia és előfordulási gyakoriság) nagyon hasonlóak az ébrenlét alatti kortikális hullámzásokhoz, valamint a hippocampális hullámzásokhoz. A kortikális hullámzási oszcillációs frekvenciákat szorosan 90 Hz-re fókuszáltuk. Ez a megállapítás a sztereotípiájukkal és a struktúrák és állapotok közötti mindenütt jelenlétükkel együtt arra utal, hogy a kérgi hullámosságok különálló és funkcionálisan fontos neurofiziológiai entitást alkothatnak.

A humán agykérgi NREM hullámzása során az egység tüzelése támogatta a rágcsálók hippocampális hullámzására javasolt mechanizmust, a PY-IN visszacsatolás alapján. A kortikális hullámzások az NREM során jellemzően az alsó állapotok után, az orsók alatt és röviddel a felső állapot csúcsa előtt fordulnak elő, ez az asszociáció és időzítés fontos az emlékek alvás közbeni konszolidációjához. Ezen túlmenően, az NREM kérgi hullámzása az egységek közötti megnövekedett helyi együttégéshez társult, így teljesítve az STDP alapvető követelményeit. A kérgi hullámosságok azonban széles körben elterjedtek a kérgi parcellákon, függetlenül a hippocampusszal való valószínű kapcsolatuktól. Összességében az emberi NREM során a kortikális hullámzás ezen jellemzői összhangban vannak egy olyan szereppel, amely magában foglalja, de nem korlátozódik arra, az alvásfüggő memória konszolidációjára.

Referencia

1. Axmacher N, Elger CE, Fell J (2008) A mediális halántéklebeny hullámai fontosak az emberi memória konszolidációja szempontjából. Brain 131:1806–1817.

2. Bartos M, Vida I, Frotscher M, Meyer A, Monyer H, Geiger JR, Jonas P (2002) A gyors szinaptikus gátlás elősegíti a szinkronizált gamma oszcillációkat hippocampális interneuron hálózatokban. Proc Natl Acad Sci USA99:13222–13227.

3. Bazhenov M, Rulkov NF, Timofeev I (2008) Effect of synaptic connectivity onlong-range synchronization of fast cortical oscillations. J Neurophysiol 100:1562–1575.

4. Bechtold B (2016) Hegedűrészletek a Matlab számára. Github projekt.

5. Behrens TE, Berg HJ, Jbabdi S, Rushworth MF, Woolrich MW (2007) Valószínűségi diffúziós traktográfia többszálas orientációval: mit nyerhetünk? Neuroimage 34:144–155.

6. Benjamini Y, Hochberg Y (1995): A hamis felfedezések arányának szabályozása: gyakorlati és hatékony megközelítés a többszörös teszteléshez. JR Stat Soc B 57:289–300.

7. Berens P (2009) CircStat: MATLAB eszköztár körkörös statisztikákhoz. J StatSoftw 31:1–21.

8. Bragin A, Engel Jr., Wilson CL, Fried I, Buzsáki G. (1999) High-frequencyoscillations in the human brain. Hippocampus 9:137–142.

9. Buzsáki G (2015) Hippocampalis éles hullám-hullámhullám: kognitív biomarker az epizodikus memória és tervezés. Hippocampus 25:1073–1188.

10.Buzsáki G, Wang XJ (2012) Mechanisms of gamma oscillations. Annu RevNeurosci 35:203–225.

For more information:1950477648nn@gmail.com