بخش 1: دینامیک مستقل فعالیت های EEG داخل جمجمه ای با فرکانس پایین، متوسط ​​و بالا در طول شکل گیری حافظه انسان

تماس: آدری هوaudrey.hu@wecistanche.com

ویکتوریا اس. مارکسا، کریشناکانت وی. صابوب، چاگداش توپچوک، د، ای، میکال لچک، د، ای،

تئودور پی. تایبف، پتر نجدلی، گ، واسلاو کرمن، ه، گریگوری ای. وورل، من،

Michal T. Kucewiczc,e,i,∗

یک دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم زیست پزشکی، کلینیک مایو، ایالات متحده آمریکا

b گروه مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه ایلینوی، Urbana-Champaign، IL، ایالات متحده آمریکا

c گروه سیستم های چند رسانه ای، دانشکده الکترونیک، مخابرات و انفورماتیک، مرکز BioTechMed، دانشگاه فناوری گدانسک، گدانسک، موسسه زیست شناسی تجربی لهستان دی ننکی، آکادمی علوم لهستان، ورشو، لهستان

بخش نورولوژی، کلینیک مایو، روچستر، MN، ایالات متحده آمریکا

گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه ایالتی آیووا، ایمز، آیووا، ایالات متحده آمریکا

g آکادمی علوم چک، مؤسسه ابزارهای علمی، برنو، جمهوری چک

h رباتیک و سایبرنتیک، موسسه انفورماتیک چک، دانشگاه فنی چک در پراگ، پراگ، جمهوری چک

بخش فیزیولوژی و مهندسی زیست پزشکی، کلینیک مایو، ایالات متحده آمریکا

سیستانچ می تواند حافظه را بهبود بخشد

a b s t r a c t

طیف گسترده ای از ریتم های مغز در سراسر قشر انسان در عملکردهای شناختی درگیر است. چگونه ریتم های محدوده فرکانسی مختلف در فضای قشر انسان و زمان هماهنگ می شوندحافظهپردازش بی نتیجه است آنها می توانند در سراسر طیف فرکانس در یک مکان و زمان قشری با هم هماهنگ شوند یا به طور مستقل در باندهای خاص القا شوند. ما از مجموعه داده بزرگی از الکتروانسفالوگرافی داخل جمجمه ای انسان (EEG) برای تجزیه دینامیک فضایی-زمانی فعالیت های طیفی ناشی از شکل گیری خاطرات کلامی استفاده کردیم. رمزگذاری کلمات برای یادآوری رایگان بعدی، تتا با فرکانس پایین، آلفا و بتا فرکانس متوسط، و توان گامای فرکانس بالا را در یک الگوی موزاییکی از مکان‌های گسسته قشر مغز فعال کرد. اکثر سایت‌های قشری فعالیت را فقط در یکی از این فرکانس‌ها ثبت کردند، به جز قشر بینایی که در آن قدرت طیفی در چندین باند القا می‌شد. هر باند فرکانس دینامیک مشخصه توان القایی ویژه ناحیه قشر و نیمکره را نشان داد. قدرت فعالیت‌های کم، متوسط ​​و با فرکانس بالا در توالی‌های مستقل در نواحی بینایی، گیجگاهی و قشر پیش پیشانی در طول مراحل بعدی انتشار می‌یابد.حافظهرمزگذاری نتایج ما یک مدل جامع و ساده از فعالیت های طیفی درگیر در شکل گیری انسان ارائه می کند.حافظه، موزاییکی را که از نظر آناتومیکی و زمانی توزیع شده از ریتم های مغزی هماهنگ را نشان می دهد.

1. مقدمه

تصور می شود که ریتم های مغزی حمایت می کنندحافظهو عملکردهای شناختی با هماهنگ کردن فعالیت‌های نورون‌های متصل به تعاملات همزمان (سینگر، 1999؛ بوزاکی، 2006؛ فرایز، 2015؛ کلیمش، 1996؛ فل و آکسماچر، 2011). طیف فعالیت های ریتمیک درگیر در این فعل و انفعالات شامل تتا (9-3 هرتز) و گاما است.

باندهای فرکانسی (30 تا 120 هرتز) با نقش‌های خاص برای فعالیت‌های فرکانس پایین و بالا درحافظهپردازش (دوزل و همکاران، 2010؛ ساوسنگ و همکاران، 2010؛ فرایز و همکاران، 2007؛ تالون-بادری و برتراند، 1999؛ نیهوس و کوران، 2010؛ لیسمن و جنسن، 2013؛ هروگ و همکاران، 2020). . باندهای آلفا فرکانس متوسط ​​(9-12 هرتز) و بتا (12-25 هرتز) نیز با فرآیندهای لازم برای عملکردهای حافظه مرتبط بودند (Klimesch et al., 2007; Hanslmayr et al., 2011; Spitzer and Haegens 2017; Schmidt et al. همکاران، 2019؛ Michalareas و همکاران، 2016). چگونه این ریتم های مختلف با هم در تابع در یک مقیاس زمانی تعریف شده عمل می کنند و تنها زیر مجموعه ای از فعالیت های طیفی را در یک محدوده فرکانسی معین درگیر می کنند. برای مثال، فقط ریتم های تتا در یک سایت مشخص القا می شود. هر دو سناریو موافق هستند که فعالیت‌های مغز در محدوده‌های فرکانس تعریف‌شده را می‌توان به عنوان «اثر انگشت طیفی» مفهوم‌سازی کرد که فرآیندهای ادراکی یا شناختی خاص را در مقیاس زمانی متناظر از تعاملات عصبی تحت تأثیر قرار می‌دهد (Siegel et al., 2012, 2014; . حل دینامیک این اثر انگشت طیفی به طور دقیق در فضا و زمان آناتومیک برای آزمایش این فرضیه ها و ارائه یک مدل کل نگر از فعالیت های عصبی درگیر در طول وظایف شناختی حیاتی است.

ضبط‌های الکتروانسفالوگرافی داخل جمجمه‌ای (EEG) فرصتی منحصر به فرد برای بررسی با وضوح بالا در مقیاس بزرگ فعالیت‌های عصبی درگیر در طول عملکردهای شناختی و دیگر مغز در مناطق مجزا از قشر انسان ارائه می‌کند (Lhatoo et al., 2019; Johnson et al., 2020; جاکوبز و کاهانا 2010؛ انگل و همکاران، 2005). سیگنال های EEG از تماس های الکترودی که مستقیماً روی سطح نئوکورتکس یا در لایه های عمیق تر و ساختارهای زیر قشری آن کاشته شده اند، نمونه برداری می شوند. بنابراین، فعالیت های طیفی تولید شده توسط جمعیت های عصبی محلی و ثبت شده از چندین تماس جداگانه را می توان در نواحی قشری مجزا در طول زمان ردیابی کرد.حافظهدر حال پردازش. مطالعات قبلی iEEG معمولاً از توان طیفی القا شده در محدوده فرکانس گامای بالا (60 تا 120 هرتز) برای ردیابی پردازش قشر مغز استفاده می کردند.حافظهو وظایف شناختی (جربی و همکاران، 2009؛ لاشو و همکاران، 2012؛ کرون و همکاران، 2006؛ لوندکویست و همکاران، 2018). تتا (شیهان و همکاران، 2018؛ لین و همکاران، 2017) و آلفا (Staresina و همکاران، 2016) نیز قبلا مورد بررسی قرار گرفتند. فعالیت‌های نوسانی در فرکانس‌های تتا و آلفا به‌عنوان امواج محلی، مستقل و در حال حرکت در نواحی قشری مجزا منتشر می‌شوند.حافظهپردازش (ژانگ و همکاران، 2018)، اما دینامیک مکانی-زمانی نسبی این نوسانات فرکانس پایین و فعالیت‌های بتا و گاما سریع‌تر در طول پردازش حافظه تا حد زیادی ناشناخته باقی می‌مانند.

در اینجا، ما از یک مجموعه داده بزرگ iEEG متشکل از 164 شرکت‌کننده استفاده کردیم که فهرست‌هایی از کلمات را برای یادآوری کلامی رایگان بعدی رمزگذاری می‌کردند. مطالعات قبلی با این کار شبکه توزیع شده ای از مناطق مغز مرتبط با پردازش حسی و با اعلانی مرتبه بالاتر را نشان داد.حافظهتوابع (برک و همکاران، 2013؛ بورک و همکاران، 2014a؛ کوچویچ و همکاران، 2019). قدرت گامای بالا القایی ابتدا در نواحی بینایی قشر اکسیپیتومپورال و سپس در نواحی قدامی بیشتر قشر جلوی پیشانی مشاهده شد که الهام‌بخش یک مدل دو مرحله‌ای ازحافظهرمزگذاری با یک مرحله حسی اولیه و یک ارتباط دیررس (برک و همکاران، 2014a).

توالی مشابهی از ترتیب قدرت القایی خلفی به قدامی نیز در باند فرکانس تتا مشاهده شد (Burke et al., 2013) و در فعالیت های فراتر از محدوده فرکانس گاما تأیید شد (Kucewicz و همکاران، 2014). مطالعه اخیر ما توالی قدرت گامای بالا القا شده در طول را نشان دادحافظهکدگذاری پیوسته با افزایش زمان تاخیر در امتداد سلسله مراتبی از نواحی ارتباط تدریجی مرتبه بالاتر است (Kucewicz و همکاران، 2019)، که در اواخر قشر پیش پیشانی قدامی به رمزگذاری کلمه به اوج می رسد. مطالعات قبلی iEEG در مورد پردازش حافظه شفاهی یا به مجموعه داده‌های کوچک‌تر از ضبط‌های شرکت‌کننده با پوشش الکترود پراکنده نئوکورتکس محدود شده بود یا فقط بر روی باندهای فرکانسی انتخابی متمرکز بود. از این رو، توان طیفی در باندهای مختلف یا از نظر مکانی در چندین مکان الکترود مناطق بزرگ‌تر قشر مغز می‌شود، در نتیجه قدرت تفکیک و دانه‌بندی مکان‌های جداگانه را از دست می‌دهد، یا در فعالیت‌های مغز تتا، آلفا، و بتا و گاما مورد مطالعه قرار نمی‌گیرد.

با توجه به گستره وسیعی از طیف فرکانس و نواحی مغز که به طور جمعی در مطالعات قبلی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت، ما فرض کردیم که فعالیت‌های طیفی خاص در یک الگوی دانه‌ای از قشر گسسته ایجاد می‌شوند.

مکان ها از این رو، تجمع فعالیت از چندین مکان منجر به یک شیب پهنای باند در قدرت در کل طیف می شود (Kilner et al., 2005)، که می تواند از «اثر انگشت طیفی» متعدد و خاص تشکیل شده باشد (Fellner et al., 2019). . مکان‌یابی دقیق اثر انگشت‌های مختلف یا در همان مکان‌های قشری ثبت الکترود مشترک است یا در موزاییکی از مکان‌های آناتومیکی متمایز توزیع می‌شود. به همین ترتیب، از نظر زمان‌بندی، فعالیت‌های طیفی با فرکانس پایین، متوسط ​​و بالا در زمان‌های مختلف القا می‌شوند.حافظهرمزگذاری یا همه به طور همزمان. علاوه بر فعالیت‌های تتا و گاما، انتظار می‌رود ریتم‌های آلفا و بتا در مکان‌ها و زمان‌های قشری مجزا ایجاد شوند.حافظهرمزگذاری به طور کلی، ما برای پویایی مکانی-زمانی مستقل فعالیت‌های طیفی ناشی از شکل‌گیری کلامی انسان آزمایش کردیم.حافظهآثار هدف ما ارائه یک مدل کل نگر از ریتم های مغز بود که در طیف وسیعی از فرکانس ها، آناتومی قشر مغز و مراحل رمزگذاری حافظه درگیر بودند.

2. مواد و روش ها

2.1. فاعل، موضوع

مجموعه داده های ضبط شده EEG از مجموع 164 شرکت کننده تحت ارزیابی جراحی صرع مقاوم به دارو از یک مطالعه مشترک چند مرکزی بزرگ گرفته شده است (همه داده های شناسایی نشده در http://memory.psych.upenn.edu/Electrophysiological{در دسترس هستند {3}}داده‌ها).

موارد ضبط شده از مراکز زیر جمع آوری شد: کلینیک مایو، بیمارستان دانشگاه توماس جفرسون، بیمارستان دانشگاه پنسیلوانیا، مرکز پزشکی دارتموث-هیچکاک، بیمارستان دانشگاه اموری، مرکز پزشکی جنوب غربی دانشگاه تگزاس، و بیمارستان دانشگاه کلمبیا. یک پروتکل تحقیقاتی مشترک توسط هیئت بررسی نهادی مربوطه در هر مرکز تایید شد و رضایت آگاهانه از هر شرکت کننده اخذ شد. برای 139 بیمار وارد شده در تجزیه و تحلیل نهایی، اطلاعات مربوط به تعداد کارآزمایی‌های کلمه کامل و منطقه شروع تشنج در Suppl خلاصه شده است. جدول 1. شروع تشنج در نیمکره راست در 46 بیمار، نیمکره چپ در 55 بیمار، به صورت دوطرفه در 26 بیمار و نامشخص در 12 بیمار بود. اطلاعات دموگرافیک مانند سن و جنس تنها برای 85 بیمار (میانگین سنی 35.6 سال) در دسترس بود. با انحراف معیار 11.6 سال؛ 43 زن تا 42 مرد، جدول تکمیلی 1) به دلیل دسترسی محدود به اطلاعات حساس مراقبت های بهداشتی از مراکز بالینی متعددی که مجموعه داده های کل را جمع آوری کردند. ضبط‌های الکتروفیزیولوژیک از الکترودهای بالینی استاندارد ساب دورال و عمق (AdTech Inc.، PMT Inc.) که به ترتیب روی سطح قشر مغز و پارانشیم مغز کاشته شده بودند، جمع‌آوری شد. کنتاکت های الکترود ساب دورال به صورت شبکه ای یا نواری با جداسازی 10 میلی متری چیده شدند و کنتاکت های الکترود عمقی 5 تا 10 میلی متر از هم جدا شدند. قرار دادن الکترودها توسط یک تیم بالینی برای محلی سازی کانون های تشنج برای جراحی احتمالی صرع یا کاشت دستگاهی برای تحریک الکتریکی مغزی درمانی تعیین شد.

2.2. مکان یابی آناتومیک و نقشه برداری سطح مغز

قطعات سطح قشری برای هر شرکت‌کننده از اسکن‌های MRI قبل از کاشت (توالی‌های وزنی T حجمی) - با نرم‌افزار Freesurfer (RRID: SCR{3}}) ایجاد شد. هیپوکامپ و نواحی قشر اطراف آن به طور جداگانه بر اساس یک اسکن وزنی T{6}} با ضخامت 2 میلی متر اضافی با استفاده از روش تقسیم بندی چند اطلسی تقسیم بندی خودکار زیر فیلدهای هیپوکامپ (ASHS) مشخص شدند. مختصات تماس الکترود مشتق شده از سی تی اسکن های ثبت شده پس از ایمپلنت، سپس به اسکن های MRI قبل از ایمپلنت برای تعیین مکان های آناتومیک آنها نگاشت شدند. برای نوارها و شبکه‌های ساب دورال، تماس‌های الکترود علاوه بر این، با استفاده از یک الگوریتم کمینه‌سازی انرژی به سطح قشر مغز پیش‌بینی شدند تا تغییر مغز پس از عمل را در نظر بگیرند. مکان های تماس بر روی سطوح و تصاویر مقطعی توسط یک متخصص رادیولوژیست عصبی بررسی و تایید شد. اسکن‌های MRI با وزن T{12} نیز در مغز استاندارد MNI152 ثبت شد تا امکان مقایسه مکان‌های ضبط در یک فضای مشترک بین افراد را فراهم کند. مکان‌های آناتومیک مکان‌های ضبط، از جمله مناطق برودمن، با تبدیل مختصات MNI به فضای Talairach و جستجو در شبح Ta-Talairach (www.talairach.org) استخراج شد.

2.3. ضبط های الکتروفیزیولوژیک

سیگنال‌های EEG با استفاده از یکی از سیستم‌های اکتساب الکتروفیزیولوژیکی بالینی زیر (وابسته به موسسه برای جمع‌آوری داده‌ها) ثبت شدند: Nihon Kohden EEG-1200، Natus XLTek EMU 128، یا Grass Aura-LTM64. بسته به سیستم اکتساب و ترجیح تیم بالینی، سیگنال‌ها در فرکانس‌های 500، 1000 یا 1600 هرتز نمونه‌برداری شدند و به یک تماس مشترک که به صورت داخل جمجمه، روی پوست سر یا فرآیند ماستوئید قرار می‌گرفت ارجاع داده شدند. برای تجزیه و تحلیل، تمام ضبط‌ها با استفاده از نرخ‌های نمونه‌برداری بالاتر توسط یک فیلتر ضد آلیاسینگ فیلتر شدند و تا 500 هرتز نمونه‌برداری شدند. یک مونتاژ دوقطبی متداول برای هر موضوع با کم کردن سری‌های زمانی ولتاژ اندازه‌گیری‌شده در تمام جفت‌های کنتاکت‌های فضایی مجاور محاسبه شد. این منجر به N{10}} سیگنال دوقطبی در مورد الکترودهای نافذ و نوار، و N=(i - 1)∗j به علاوه (j - 1)∗I، که در آن i و j هستند تعداد کنتاکت ها در ابعاد عمودی و افقی شبکه. برای تجزیه و تحلیل داده های این مطالعه، یک "الکترود" به سیگنال دوقطبی از یک جفت دوقطبی از تماس ها اشاره دارد. توجه به این نکته مهم است که کنتاکت ها ممکن است برای چندین الکترود استفاده شوند، بنابراین همه سیگنال ها واقعا مستقل نیستند.

2.4. وظیفه فراخوان رایگان

پارادایم کلاسیک برای کاوش در شکل گیری اپیزودیک کلامیحافظهبه کار گرفته شد (کاهانا، 2014)، که در آن به آزمودنی ها فهرستی از کلمات برای یادآوری رایگان بعدی نشان داده شد. به شرکت کنندگان دستور داده شد تا لیستی از کلمات ارائه شده بر روی صفحه نمایش کامپیوتر لپ تاپ را برای تست تاخیری یادآوری صدا مطالعه کنند. فهرست ها از 12 کلمه تشکیل شده بودند که به طور تصادفی و بدون جایگزینی از مجموعه ای از اسامی با بسامد بالا در زبان مادری آزمودنی (یا انگلیسی یا اسپانیایی؛ http://memory.psych.upenn.edu/WordPools) انتخاب شدند. هر کلمه به مدت 1600 میلی‌ثانیه بر روی صفحه نمایش ظاهر می‌شود و به دنبال آن یک لرزش تصادفی بین 750 تا 1000 میلی‌ثانیه فاصله خالی بین محرک‌ها ظاهر می‌شود. در پایان هر فهرست کلمات، یک کار حواس پرتی توسط آزمودنی انجام شد. این کار 20 ثانیه به طول انجامید و از یک سری مسائل ساده و حسابی با فرمت A به اضافه B به اضافه C تشکیل شده بود که در آن A، B و C اعداد صحیح تک رقمی تصادفی بین 1 و 9 بودند. به شرکت کنندگان 30 ثانیه داده شد تا در آن تعداد کلمات فهرست را به هر ترتیبی که ممکن است به خاطر بیاورند (شکل 1). پاسخ های صوتی به صورت دیجیتالی توسط لپ تاپ ضبط شد و بعداً برای تجزیه و تحلیل به صورت دستی نمره گذاری شد. تنها آزمودنی هایی که حداقل 15 درصد از کلمات را به خاطر می آوردند و حداقل 12 لیست از کار را تکمیل می کردند در تجزیه و تحلیل بیشتر گنجانده شدند (Long et al., 2014). این 139 مورد از 164 موضوع اصلی را برای مجموع 14219 الکترود مورد استفاده در این مطالعه باقی گذاشت. ضبط‌های منطقی الکترولیز با ظاهر محرک بر روی صفحه از طریق یک مولد پالس الکتریکی که توسط لپ‌تاپ وظیفه کار می‌کرد، همگام شدند، که پالس‌ها را به یک کانال رویداد تعیین‌شده در سیستم اکتساب بالینی ارسال می‌کرد. رویدادها پس از جلسه ضبط با استفاده از کدهای متلب سفارشی نوشته شده مهر زمانی زده شدند و برای استخراج دوره‌های خاص مورد علاقه پیرامون ارائه کلمه مورد استفاده قرار گرفتند. هر دوره ضبط شده 3000 میلی‌ثانیه طول داشت و شامل 1600 میلی‌ثانیه نمایش کلمه روی صفحه با 700 میلی‌ثانیه یک صفحه خالی از فاصله بین محرک قبل و بعد از هر ارائه کلمه بود.

میانگین توان طیفی آزمایشی سیگنال‌های EEG از دوره‌های ارائه کلمه (یک کلمه در هر آزمایش) در سراسر دوره ادغام شد و به عنوان ویژگی برای طبقه‌بندی الکترودهای فعالی که از نواحی مغز درگیر در کلامی ضبط می‌کنند استفاده شد.حافظهرمزگذاری الکترودهای فعال به طور مستقل در شش باند فرکانسی طیف EEG با استفاده از تخمین های نرمال شده تغییر توان (تبدیل امتیاز z) طبقه بندی شدند. روش طبقه بندی از یک روش بدون نظارت بر اساس مدل مخلوط گاوسی استفاده کرد (Saboo et al., 2019). به فعالیت القا شده در هر شش باند فرکانسی در طیف‌نگار مثالی که از فعالیت میانگین آزمایشی از یک الکترود در قشر اکسیپیتال رسم شده است، توجه کنید.

2.5. تحلیل داده ها

ما دوره‌های ضبط iEEG را در طول ارائه کلمه مورد تجزیه و تحلیل قرار دادیمحافظهرمزگذاری هر دوره ارائه FIR فیلتر شد ({0}} مرتبه بارلت هانینگ با فیلتر اعوجاج فاز صفر، گذر باند با محدودیت‌های فرکانس مشخص شده برای هر باند فرکانسی) قبل از تجزیه طیفی، نرمال‌سازی و به طور مستقل بین باندهای فرکانسی مجزا قرار داده شد. 2 و 120 هرتز: تتا پایین (2 تا 4 هرتز)، تتا بالا (5 تا 9 هرتز)، آلفا (10 تا 15 هرتز)، بتا (16 تا 25 هرتز)، گامای کم (25 تا 55 هرتز) و بالا گاما (65-115 هرتز). مرزهای این باندهای فرکانسی بر اساس بازه‌های غیرهمپوشانی و پیوسته در حال رشد در عرض در طول طیف فرکانس تعیین شد. حد بالایی 115 هرتز برای اطمینان از حداقل 4 نمونه در هر چرخه با توجه به فرکانس نمونه برداری 500 هرتز و برای جلوگیری از هارمونیک نویز خط 60 هرتز انتخاب شد. برای تبدیل سیگنال های فیلتر شده به طیف گرا با a

وضوح bin فرکانس 2 هرتز از 2 هرتز تا 115 هرتز، ما از پنجره‌های کشویی 500 میلی‌ثانیه با طول اسلاید 5 میلی‌ثانیه و روش چند مخروطی با 1 مخروطی از جعبه ابزار مزمن در متلب (http://chronux.org/؛ Mitra, 2007). طیف‌نگارهای دوره ارائه کلمه پس از نرمال‌سازی log و تبدیل z-score هر نقطه زمان-فرکانس با هم میانگین سنج شدند. امتیاز Z بر اساس فرمول زیر انجام شد:

x(t, f) − μ

z(t, f)=σ

که در آن x سیگنال، t مخزن زمان، f مخزن فرکانس، f میانگین، و f انحراف استاندارد برای فرکانس داده شده است. هر کارآزمایی به طور جداگانه عادی شد. نرمال سازی لاگ برای تصحیح اثر قانون توان 1/f فرکانس های پایین تر بر تخمین توان در باندهای فرکانس بالاتر اجرا شد و تبدیل z-score برای ارائه مقیاس نرمال تغییر توان برای مقایسه سیگنال های الکترودهای مختلف انجام شد. ، جلسات و شرکت کنندگان (کوچویچ و همکاران، 2019، 2017؛ سابو و همکاران، 2019). این نرمال سازی امتیاز z به جای استفاده از دوره "پایه"، تغییرات توان مثبت و منفی را نسبت به توان میانگین در هر دوره یک کلمه ای ایجاد می کند. از این رو، حتی انحرافات کوچک مثبت یا منفی قدرت مطلق، به طور مؤثر نسبت به میانگین سیگنال، همانطور که قبلاً توضیح داده شد، افزایش می یابد (کوچویچ و همکاران، 2019؛ آلوتایبی و همکاران، 2015). مصنوعات لبه در برآورد توان با برش سطل های دو بار از دو طرف طیف نگار نهایی برای همه فرکانس ها حذف شدند. برای هر الکترود و باند فرکانس، ما میانگین توان طیفی را در هر بار در تمام دوره‌های ارائه کلمه تعیین کردیم. توان القایی کلی در یک باند فرکانسی معین در طول دوره ارائه کلمه به عنوان مساحت زیر قدر مطلق منحنی سری زمانی مربوطه محاسبه شد، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 1. سپس الکترودها به «فعال» و «غیرفعال» در هر باند خاص با استفاده از روش خوشه‌بندی بدون نظارت ما بر اساس مدل‌سازی مخلوط گاوسی (GMM) طبقه‌بندی شدند تا آن‌هایی را که تغییرات توان ناشی از کار را نشان می‌دهند (سابو و همکاران، 2019) شناسایی کنند. ). این روش اساساً یک طبقه‌بندی باینری یادگیری ماشینی کانال‌های فعال و غیرفعال را بر اساس مقدار توان القایی هر کانال انجام می‌دهد. طبقه بندی به طور جداگانه برای هر باند فرکانسی مورد علاقه انجام شد. کل روند در شکل خلاصه شده است. 1.

ما یک روش مبتنی بر GMM را انتخاب کردیم تا اطمینان حاصل کنیم که اعداد مختلف بازتاب معاملات برای خوشه‌های الکترودهای فعال و الکترودهای غیرفعال مجاز هستند. تعداد خوشه ها روی دو تنظیم شد زیرا دسته بندی فعال-غیرفعال الکترودها باینری است: تغییر در توان طیفی می تواند در طول دوره ارائه کلمه القا شود (افزایش یا کاهش یابد) یا خیر. استفاده از GMM همچنین کلاسیک‌سازی را بدون نیاز به داده‌های حقیقت زمینی فعال کرد. الکترودها در سراسر افراد ادغام شدند و سپس برای شناسایی الکترودهای فعال دسته بندی شدند.

2.6. نقشه برداری توان القایی

بیشتر الکترودهای فعال در نواحی قشری مرتبط با پردازش اطلاعات بصری و معنایی و همچنین با اعلانی قرار گرفتند.حافظهو کارکردهای اجرایی از 39 ناحیه برودمن، اکثر مکان‌های الکترود در 9 ناحیه مغزی گروه‌بندی شده‌اند که هر کدام شامل نواحی برادمن است: بینایی (مناطق برادمن 18 و 19)، گیجگاهی تحتانی (مناطق برادمن 20 و 37)، پراکونئوس (نواحی اصلی برادمن). 30 و 31)، آهیانه جانبی (مناطق برادمن 7 و 39)، مزیال گیجگاهی (ناحیه برادمن 28 و هیپوکامپ)، گیجگاهی جانبی (مناطق برادمن 21 و 22)، نواحی بروکا (مناطق برادمن 44 و 45)، نواحی پره پیشانی جانبی (Brodmann) 9 و 46)، و قطب پیشانی (مناطق برادمن 10 و 11). مگر اینکه خلاف آن بیان شود، تمام تحلیل‌های بیشتر بر دوره‌های واژه‌های فراخوان‌شده متمرکز بود، یعنی دوره‌هایی با کلمات رمزگذاری‌شده موفقیت‌آمیز که متعاقباً آزادانه یادآوری شدند، در این نه ناحیه قشر مغز.

تغییرات توان القایی در هر باند فرکانس از تمام الکترودهای فعال بر روی سطح متوسط ​​مغز برای هر نقطه زمانی کلمه با استفاده از یک کد متلب سفارشی برای تکنیک توزین وابسته به مکان الکترود ترسیم شد. سطح مغز به عنوان یک شبکه ایجاد شد، جایی که به هر عنصر مش رنگی وابسته به قدرت القایی الکترودهای اطراف که با فاصله نسبی تا عنصر وزن می‌شد اختصاص داده شد (وزن بیشتر به الکترودهای نزدیکتر). برای هر عنصر مش از سطح مغز ترسیم شده، فقط اثرات الکترودها در آستانه 10 میلی متر از نقطه مرکزی عنصر در نظر گرفته شد. از این رو، توان القایی از تمام الکترودهای درون شعاع آستانه که به صورت خطی با نزدیکی آنها وزن داده شده بودند، طبق فرمول زیر میانگین گیری شد:

IP1∗ (آستانه- r1) به اضافه IP2∗ (آستانه- r2) به اضافه ... به اضافه IP∗ (آستانه- rn)

(آستانه- r1 ) به علاوه (آستانه- r2 ) به علاوه … به علاوه (آستانه- rn)

که در آن IP مقدار تغییر توان القایی برای یک الکترود است و r فاصله بین الکترود و عنصر انتخابی مش سطح مغز است.

2.7. آمار

آزمون‌های ANOVA با اصلاحات مقایسه‌ای چندگانه برای اثرات باند فرکانس، ناحیه مغز (منطقه برادمن) و نیمکره برای تجزیه و تحلیل درصد الکترودها در ناحیه‌ای که با عنوان "تصویر زمان" (شکل 2) برچسب‌گذاری شده است، استفاده شد. تفاوت‌های زمانی بین نیمکره‌ها با استفاده از آماره آزمون t دو دنباله و بدون جفت با تصحیح بونفرونی (شکل 3 الف) اندازه‌گیری شد. ، 2014؛ Kucewicz و همکاران، 2019) و از اندازه گیری های مکرر ANOVA (فاز رمزگذاری به عنوان عامل درون آزمودنی ها) با آزمون توکی-کرامر پس از مرگ برای تجزیه و تحلیل اثرات باند فرکانسی، ناحیه مغز و نیمکره بر توان القایی در طول هر یک استفاده کردند. مرحله کلامیحافظهوظیفه (شکل 3B). زمان تأخیر پیک برای هر باند فرکانسی و ناحیه به عنوان سطل زمانی با حداکثر پیک مثبت توان القایی تعیین شد. شهرهای لاتین با استفاده از ANOVA اندازه گیری های مکرر (فاز رمزگذاری به عنوان عامل درون آزمودنی ها) و آزمون های مقایسه چندگانه توکی-کرامر پس از پایان (شکل 4) مقایسه شدند. از آزمون همبستگی پیرسون برای ارزیابی تأثیر موقعیت در امتداد هر محور مغز بر زمان تأخیر حداکثر توان استفاده شد (شکل 5B). مقدار آلفا برای همه آزمون‌ها روی 0.05 تنظیم شد.

3. نتایج

3.1. فعالیت های طیفی ناشی از رمزگذاری حافظه به طور ناهمگن در سراسر قشر انسان توزیع می شود.

ما ابتدا زیر مجموعه ای از الکترودها را از نواحی قشر مغز شناسایی کردیم که در طولحافظهرمزگذاری برای این منظور، توان طیفی در باند در شش محدوده فرکانسی غیر همپوشانی (تتا کم: 2-4 هرتز، تتا بالا: 5-9 هرتز، آلفا: 10-15 هرتز، بتا: 16- 25 هرتز، گامای کم: 25-55 هرتز، گامای بالا: 65-115 هرتز) به عنوان ویژگی هایی برای طبقه بندی خودکار الکترودهای فعال (Saboo et al., 2{36}}19) به طور مستقل در هر باند استفاده شد (شکل. 1). از مجموع 14219 الکترود کاشته شده در تمام شرکت کنندگان، 4738 (33.3 درصد) قدرت طیفی القایی را در حداقل یکی از باندهای فرکانسی نشان دادند. از این رو، یک محل الکترود معمولی توان القایی را در یک محدوده تعریف شده از باندهای فرکانس پایین، متوسط ​​یا بالا نشان داد (شکل 2A). در توافق با نتایج قبلی ما (Kucewicz و همکاران، 2019؛ Alotaiby و همکاران، 2015)، این الکترودهای فعال به طور گسترده در 39 ناحیه برادمن که در همه لوب های قشری تعریف شده بودند، توزیع شدند (شکل 2B). نسبت نسبی الکترودها در هر ناحیه برادمن که به طور فعال از 4.3 درصد تا 75 درصد متغیر بود، بسته به محل قرارگیری در لوب‌های لیمبیک، فرونتال، پیش فرونتال، جداری، تمپورال یا پس سری (ANOVA F=99}.21, p. <0.001، df="5)،" با="" الکترودهای="" فعال‌تر="" به‌طور="" قابل‌توجهی="" که="" در="" نواحی="" بینایی="" حسی="" اکسیپیتال="" و="" قشر="" جداری="" یافت="" می‌شوند="" (توکی="" کرامر،="" p=""><0.05). در="" هر="" ناحیه،="" نسبت‌های="" مشابهی="" در="" هر="" باند="" فرکانسی،="" از="" جمله="" باند="" آلفا="" و="" بتا،="" بدون="" تفاوت="" معنی‌دار="" در="" سراسر="" طیف="" مشاهده="" شد="" (n-way="" anova="" f="0.17," p="0.9747." ،="" df="5)." به="" طور="" خلاصه،="" صرف="" نظر="" از="" باند="" فرکانس="" مورد="" تجزیه="" و="" تحلیل،="" حداقل="" 4="" درصد="" از="" مکان="" های="" الکترود="" در="" هر="" یک="" از="" مناطق="" قشر="" آنالیز="" شده،="" قدرت="" القایی="" قابل="" توجهی="" را="" در="" طول="" کار="" نشان="">

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 شرکت کننده؛ جدول 1 را ببینید). یک الکترود می تواند در یک یا چند باند فعال باشد. ما دریافتیم که بیشترین نسبت الکترودها تنها در یک (43.12 درصد) یا دو (22.94 درصد) باند فعال بوده و به نسبت کمتر در بیش از دو باند با تنها یک اقلیت (5.4 درصد) در هر شش باند فعال بوده است. 2C). بالاترین همپوشانی قدرت طیفی القایی در بیش از دو باند برای الکترودها در نواحی بصری حسی خلفی قشر اکسیپیتال مشاهده شد (شکل 2C؛ قرمز)، که در آن به طور متوسط ​​4-5 باند در هر الکترود در طول رمزگذاری کلمه فعال می شد. سایر نواحی بینایی قشر گیجگاهی و جداری نیز توزیع نسبتاً بالایی از الکترودها را با بیش از دو باند فعال نشان دادند، برخلاف نواحی پردازش مرتبه بالاتر قدامی در قشر گیجگاهی و پیشانی، که در آن الکترودها در باندهای فرکانسی 1-2 فعال بودند. (شکل 2C؛ سیاه). به طور کلی، اکثر مکان‌های الکترود قدرت طیفی کاهش یافته را در یک یا دو باند فرکانسی خاص نشان دادند که نشان می‌دهد فعالیت‌های مختلف از نظر فضایی در قشر جدا شده‌اند.

شکل 2. فعالیت های طیفی ناشی از رمزگذاری حافظه کلامی به طور غیریکنواخت در سراسر مغز انسان توزیع می شود. (الف) نمونه‌های نماینده طیف‌نگارهای آزمایشی میانگین در طول رمزگذاری کلمه از الکترودهای فعال، تغییرات توان القایی را نشان می‌دهند که به طور مستقل به هر یک از سه گروه فرکانس از مکان‌های آناتومیکی مختلف محدود شده‌اند. (ب) نسبت الکترودهای فعال در شش باند فرکانسی مورد مطالعه (تتا کم: 2-4 هرتز، تتا بالا: 5-9 هرتز، آلفا: 10-15 هرتز) بتا:

16-25 هرتز، گامای کم: 25-55 هرتز، گامای بالا: 65-115 هرتز) تفاوت های قابل توجهی (ANOVA) در توزیع آناتومیکی نشان می دهد (ستاره های قرمز؛ p <0}.05 تست="" توکی="" کرامر="" پس="" از="" پایان="" )="" اما="" نه="" در="" سراسر="" باندهای="" فرکانسی="" که="" در="" نمودارهای="" جعبه="" داخلی="" خلاصه="" شده="" است.="" (c)="" توزیع="" الکترودهای="" فعال="" در="" یک="" یا="" چند="" باند="" فرکانس،="" بیشترین="" همپوشانی="" را="" در="" نواحی="" خلفی="" قشر="" بینایی="" پس="" سری="" و="" جداری="" نشان="" می‌دهد،="" که="" به="" تدریج="" در="" نواحی="" قشر="" قدامی‌تر="" کاهش="" می‌یابد="" همانطور="" که="" در="" نمودار="" متوسط="" ​​سطح="" مغز="" نشان="" داده="" شده="" است.="" و="" خلاصه="" کارتونی="" تمام="" الکترودهای="" فعال="" (نقاط="" رنگی="" بر="" اساس="" نمودار="" میله="" ای)="" و="" در="" نمودارهای="" ویولن="" (خطوط="" سیاه="" و="" قرمز="" میانگین="" و="" میانه="" را="" نشان="" می="" دهد="" (hofmann,="" 2015)).="" (د)="" توزیع="" تمام="" الکترودهای="" فعال="" در="" باندهای="" گاما="" (فرکانس="" بالا)،="" آلفا/بتا="" (فرکانس="" متوسط)="" و="" تتا="" (فرکانس="" پایین)="" در="" 9="" ناحیه="" انتخاب="" شده="" قشری="" مورد="" علاقه="" (v="" -="" بینایی؛="" it="" -="" زمانی="" تحتانی؛="" قبل)="" متفاوت="" است.="" -="" precuneus؛="" par="" -="" جداری="" جانبی؛="" mtl="" -="" لوب="" تمپورال="" مزیال؛="" lt="" -="" گیجگاهی="" جانبی؛="" br="" -="" ناحیه="" بروکا؛="" pfc="" -="" قشر="" جلوی="" مغز؛="" fp="" -="" قطب="" فرونتال)="" با="" الکترودهای="" نسبتاً="" جلوی="" پیشانی="" فعال="" در="" نوارهای="" گاما="" (قرمز)="" و="" الکترودهای="" بیشتر.="" در="" نواحی="" بصری="" فعال="" در="" تمام="" نوارها="" (سیاه)="" همانطور="" که="" در="" نمودار="" متوسط="" ​​سطح="" مغز،="" خلاصه="" کارتون="" و="" طرح="" ویولن="" نشان="" داده="" شده="" است.="" توجه="" داشته="" باشید="" که="" اکثر="" الکترودها="" به="" طور="" کلی="" فقط="" در="" یک="" یا="" دو="" باند="" فرکانسی="" از="" فرکانس‌های="" پایین،="" متوسط="" ​​یا="" بالا="" فعال="" بودند،="" به="" جز="" نواحی="" بینایی="" با="" بیش="" از="" دو="" باند="" فرکانس="" فعال="" در="" هر="" الکترود="" (برای="" تفسیر="" ارجاعات="" به="" رنگ="" در="" این="" در="" افسانه="" شکل،="" خواننده="" به="" نسخه="" وب="" این="" مقاله="" ارجاع="" داده="" می="">

ما بعداً پرسیدیم که آیا فعالیت‌های طیفی که در هر مکان الکترود القا شده‌اند در محدوده‌های فرکانس مشابه همپوشانی دارند یا خیر. ما فعالیت‌ها را در گروه‌های فرکانس پایین، متوسط ​​و بالا (به ترتیب تتا، آلفا/بتا و گاما) گروه‌بندی کردیم و نسبت‌های الکترودهای فعال را با ترکیب‌های گروهی مختلف مقایسه کردیم. بیش از نیمی از تمام الکترودهای فعال نشان دادند که توان القایی منحصراً در باندهای فرکانس پایین، متوسط ​​یا بالا است (شکل 2D). الکترودهای با همپوشانی زیاد در تمام گروه‌ها عمدتاً در نواحی بینایی خلفی قرار داشتند (شکل 2D؛ سیاه). محل‌های الکترود باقی‌مانده که قدرت القایی را در یکی از سه گروه فرکانس نشان می‌دهند، به‌طور یکنواخت در سراسر قشر با نسبت‌های مشابه در هر ROI توزیع شده‌اند، جدای از نواحی جلوی پیشانی که فعالیت‌های گاما با فرکانس بالا در طول رمزگذاری حافظه وجود دارد (شکل .2D؛ قرمز). نتایج ما نشان داد که فعالیت‌های یک محدوده فرکانسی خاص عمدتاً در مکان‌های قشر خاص ایجاد می‌شوند و یک الگوی توزیع موزاییک مانند را تشکیل می‌دهند که با مفهوم «اثر انگشت طیفی» سازگار است (Siegel et al., 2012).

3.2. اثر جانبی توان القایی به فرکانس‌های خاص و نواحی قشری خاص است.

سوال بعدی ما این بود که آیا کل توان در باند القا شده در طول زمان رمزگذاری کلمه (شکل 1) بسته به مکان آناتومیکی، باند فرکانس یا نیمکره متفاوت است. الکترودهای فعال منفرد می توانند مقادیر مشابهی از توان القایی را نشان دهند، علیرغم توزیع ناهمگن در سراسر نواحی قشر مغز (شکل 2). به طور کلی، اثر قابل توجهی از باند فرکانس بر توان القایی وجود داشت (اندازه‌های تکراری ANOVA F=1346.99,p <0.001, df="" {="" {8}}).="" ناحیه="" مغز="" (anova="" f="38.21،" p=""><0.001، df="37)" و="" محل="" نیمکره="" الکترود="" (anova="" f="17.4،" p=""><0.001، df="" {{="" 18}}).="" پس="" از="">

شکل 3. نمایه های زمانی قدرت القایی در طول رمزگذاری اثرات جانبی دوباره گوساله در فرکانس های خاص و نواحی قشر مغز. (الف) هر پانل تغییرات توان متوسط ​​آزمایشی را در طول زمان ارائه کلمه نشان می‌دهد (پس‌زمینه خاکستری) برآورد شده از تمام الکترودهای فعال در یک باند فرکانس معین و ناحیه مغز که به طور جداگانه برای نیمکره چپ و راست ترسیم شده است (قرمز و آبی، به عبارت دیگر). . نمودارهای ناحیه خاکستری در پس‌زمینه، تفاوت آماری (آمار t) بین دو نیمکره را در سطل‌های زمانی 50 میلی‌ثانیه با خاکستری تیره نشان می‌دهد که به طور قابل‌توجهی قدرت بیشتر (مقادیر t مثبت) یا کمتر (مقادیر t منفی) را نشان می‌دهد. نیمکره چپ (خطوط چین افقی؛ آزمون تی دانشجویی، p < 0.05).="" توجه="" داشته="" باشید="" که="" اثر="" جانبی="" قابل="" توجه="" در="" باندهای="" فرکانسی="" خاص="" در="" یک="" ناحیه="" مغز="" مشخص="" شده="" است.="" (ب)="" مقایسه="" خلاصه="" کل="" توان="" القایی="" (anova="" اندازه="" گیری="" های="" مکرر)="" از="" تمام="" باندهای="" فرکانسی="" در="" 9="" ناحیه="" مغز="" (شکل="" 2="" را="" برای="" برچسب="" ها="" ببینید)="" و="" چهار="" مرحله="" رمزگذاری="" حافظه="" -="" فاکتور="" درون="" سوژه="" ها="" (ستاره="" های="" قرمز="" نشان="" دهنده="" تفاوت="" قابل="" توجهی="" است.="" ؛="" آزمون="" توکی-کرامر،="" 05/0="" p=""><).>حافظهاثر در قشر جلوی پیشانی چپ (که با فلش دوگانه سیاه نشان داده می شود) بزرگترین بود، در حالی که، MTL بزرگترین اثر را در نواحی نیمکره راست نشان داد (برای تفسیر ارجاعات به رنگ در این افسانه شکل، خواننده به وب ارجاع داده می شود. نسخه این مقاله.).

تجزیه و تحلیل گروهی (Tukey-Kramer, p <0.05) قدرت="" بسیار="" کمتری="" را="" با="" افزایش="" فرکانس="" باندها="" تأیید="" کرد،="" به="" جز="" بین="" باندهای="" گامای="" پایین="" و="" بالا="" (شکل="" تکمیلی="" 1).="" الکترودهای="" درون="" لوب="" اکسیپیتال="" قدرت="" القایی="" قابل="" توجهی="" بالاتری="" نسبت="" به="" هر="" ناحیه="" دیگری="" نشان="" دادند="" که="" مطابق="" با="" مطالعه="" قبلی="" ما="" در="" مورد="" فعالیت="" های="" گامای="" بالا="" بود="" (kucewicz="" و="" همکاران،="">