面向工作记忆过程的双向额顶振荡系统

最近,来自加利福利亚大学Helen Wills神经科学研究所的学者通过研究表明在工作记忆过程中,前额叶皮质区与大脑后皮质区之间具有一套完整的平行双向神经振荡系统,而这一系统奠定了工作记忆的形成基础,该研究发表在CURRENT BIOLOGY杂志上。

实验分别选择了14名单侧前额叶皮质损伤患者(患者组)和20位健康的受试者(对照组)作为受试者,通过BioSemi ActiveTwo放大器采集受试者大脑头皮的64导脑电信号进行研究。该研究分别对实验过程中受试者的信息预判、信息编码、信息保持、信息主动加工和响应5个阶段进行了详细的分析。

图1前额叶皮质损伤患者损伤重叠示意,工作记忆实验设计以及准确率(A)14例患者的左半脑前额叶皮质损伤范围重叠的归一化重建;(B)单次任务中单侧工作记忆实验设计;(C)各组平均工作记忆任务准确率;(D)基于单侧视野呈现的工作记忆实验准确率单被试直方图

首先在行为学研究方面,研究人员通过测试两组不同受试者在对身份信息与时空关系的分辨能力,证实了前额叶皮质损伤患者的损伤差异和个体差异(如年龄、损伤原因等)并不与任务表现相关。同时通过对比实验发现患者组与对照组相比,虽然其平均正确率有所下降(对照组为95%,患者组为87%),但患者组的平均正确率仍高于随机水平。这一实验结果验证了在工作记忆过程中前额叶皮质区并不只起到单一的作用,实验流程与结果如图 1所示。

其次,在生理学研究方面,研究人员针对行为学实验中的脑电信号进行任务诱导事件相关电位的分析。分析结果证明,单侧前额叶皮质损伤的影响依赖于刺激呈现的视野。前额叶皮质损伤患者在顶叶-枕区出现了衰减的正极性事件相关电位,而在受损半脑的前部出现了负极性信号。在实验提示刺激出现100 ms之后,相比于正常工作的半脑,在损伤半脑的前部通道中可检测到脑电信号的增强 。这些变化揭示了单侧视野刺激可以成功地区分损伤半脑与完整半脑,同时表明前额叶皮质会影响涉及工作记忆的整个大脑网络。

再次,在基础神经学研究方面,研究人员通过分析信息预判阶段的原始数据发现,相比较正常半脑而言,损伤前额叶皮质的波谱斜率更为陡峭。通过对原始功率谱进行基于聚类的排列检验,观察到了半脑的相互作用,但无明显的组间差异。但是,在损伤半脑的前部通道的EEG中检测到6-18 Hz的频带功率的增强。

在任务诱发功率方面,通过对任务诱发功率的分析揭示了神经可分离的前额叶皮质和顶叶-枕叶震荡机理。相比于完整半脑的对应位置,在损伤半脑的前部可检测到theta低频段功率的衰减,其结果如图 2所示。


[l1]在文中的Task-InducedERPs方面,并未提到脑电信号的功率,故不应直接翻译为脑电信号的功率

图2信息主动加工阶段损伤前额叶皮质theta低频段的功率衰减 (A)在对损伤单侧视野进行刺激时前额叶皮质的信息主动加工阶段的平均任务诱发theta低频段的半脑不对称;(B)在进行完整视觉刺激时观察到的相似theta低频段功率的变化。

在进行视觉刺激过程中,顶-枕皮质区的beta-gamma波段的能量增加的同时窄alpha波段出现了去同步现象;随之而来的是在工作记忆的信息加工与保持阶段,普遍存在着alpha-beta波段能量减少的现象。

最后,研究人员分别通过相位斜率指数(PSI)分别用对delta-theta 和 alpha-beta波段的时间动力学特性进行了分析。受试者在损伤前额叶皮质区域与相同半脑的顶叶-枕叶位置之间的相位斜率指数如图 3所示。通过对delta波与theta波相位斜率指数的分析发现任务诱发的定向性变化受前额叶皮质损伤选择性的影响。前额叶皮质与顶枕叶之间的相位斜率指数在执行需求的控制中持续增加,如在信息主动加工阶段中前额叶皮质导致其提前达到峰值。

图3患者减弱的前额叶皮质到顶叶枕叶的delta波与theta波的相位斜率指数 (A)在对损伤单侧视野进行刺激时信息编码、保持与主动加工阶段的平均任务诱发delta波和theta波的相位斜率指数;(B)在进行完整视觉刺激时观察到的相似delta波与theta波相位斜率指数的变化

相比之下,alpha-beta波的相位斜率指数表明顶叶-枕叶与前额叶皮质的相位斜率指数不受任务需求和前额叶皮质损伤的影响,实验结果如图4所示。无论是单侧视野是否完整,在工作记忆的信息编码、保持和主动加工阶段,顶叶-枕叶区域的神经震荡驱动前额叶皮质产生神经震荡。与此同时,前额叶皮质的损伤不会对alpha-beta波的相位斜率指数造成影响。

4独立的顶叶-枕叶至前额叶皮质的alpha-beta波的相位斜率指数(A)当在受损单侧视野呈现刺激时,在信息编码、保持与主动加工阶段的平均任务诱发alpha-beta波的相位斜率指数;(B)当在完整单侧视野呈现刺激时,观察到的相似alpha-beta波的相位斜率指数;(C)前额叶-顶叶的相位斜率指数的神经分离示意图图

上述实验分析表明,在工作记忆过程中,存在着一个独立,并行并且双向神经振荡系统,而这一系统,为我们的认知奠定了理论基础。

原文:Bidirectional Frontoparietal Oscillatory SystemsSupport Working Memory

原文发布于微信公众号 - 思影科技(siyingkeji)

原文发表时间:2017-07-20

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