Přední thalamická stimulace zlepšuje přesnost úsudků pracovní paměti

Pro více informací:ali.ma@wecistanche.com

abstraktní

Pozadí: Přední jádro thalamu (ANT) bylo navrženo jako rozšířený hipokampální systém. Bylo prokázáno, že okruh ANT a hippocampu souvisí s funkcí paměti. Jak léze v každé oblasti, tak narušení meziregionálního toku informací mohou způsobit zhoršení pracovní paměti. Role tohoto obvodu v přesnosti pracovní paměti však zůstává neznámá.

Cíl: Abychom otestovali roli hipokampálně-přední thalamické dráhy v přesnosti pracovní paměti, provedli jsme intrakraniální elektrickou stimulaci do ANT. Předpokládáme, že stimulace ANT může zlepšit přesnost pracovní paměti.

Metody: Pacienti s předchirurgickou epilepsií s hloubkovými elektrodami v ANT a hippocampu byli přijati k provedení úlohy pracovní paměti s vybavováním barev. Účastníci byli instruováni, aby kliknutím na bod na barevném kole poukázali na barvu, kterou si měli vybavit, zatímco data intrakraniálního EEG byla synchronně zaznamenávána. Pro náhodně vybrané poloviční pokusy byla do elektrod ANT aplikována bipolární elektrická stimulace.

Výsledky: Zjistili jsme, že ve srovnání s nestimulačními studiemi se úsudek přesnosti pracovní paměti významně zlepšil u stimulačních studií. Elektrická stimulace ANT významně zvýšila spektrální výkon gama (30e100 Hz) oscilací a snížila interiktální epileptiformní výboje (IED) v hipokampu. Navíc zvýšená gama síla během období před stimulem a vyhledáváním předpovídala zlepšení úsudků přesnosti pracovní paměti.

Závěr: Elektrická stimulace ANT může zlepšit úsudek přesnosti pracovní paměti a modulovat aktivitu gama hipokampu, což poskytuje přímý důkaz o úloze přední osy hipokampu thalamu v přesnosti pracovní paměti.

Úvod

Pracovní paměť je kritickou kognitivní funkcí [1], která podporuje mnoho každodenního chování, včetně učení [2], rozhodování [3] a porozumění jazyku [4]. Nedávné studie naznačují, že hipokampus byl zapojen do pracovní paměti [5e8]. Podle modelu multiplexní vyrovnávací paměti jsou obsahy pracovní paměti reprezentovány neuronovými sestavami synchronizovanými v gama oscilacích uzamčených na specifické fáze nízkofrekvenčních oscilací [9e11]. V souladu s tím několik studií zjistilo zvýšenou aktivitu gama v hipokampu se zátěží pracovní paměti [6,7] a výraznou theta-gama vazbu v hipokampu, když je ponecháno více položek [5]. Studie na hlodavcích uvádí, že úspěšná pracovní paměť byla spojena se synchronizovanými gama oscilacemi v hipokampální formaci [8]. Kromě toho studie intrakraniálního EEG u člověka odhalila, že gama síla hipokampu během získávání paměti byla prediktivní pro přesnost paměti [12].

Kliknutím zobrazíte výhody a vedlejší účinky cistanche tubulosa pro paměť

Díky hustým a recipročním spojením s hipokampem [13e15] a jeho zapojení do kognitivní funkce [15e17] bylo přední jádro thalamu (ANT) navrženo jako rozšířený hipokampální systém [18e20]. Studie na hlodavcích zjistila, že narušení toku informací mezi hipokampálním a ANT zhoršuje výkon prostorové pracovní paměti [21]. Elektrická stimulace přímo cílená na hipokampus může narušit paměťovou výkonnost [22,23]. Vzhledem k důkazům, že stimulace kritického uzlu v rámci funkční sítě může modulovat funkci sítě [24], může být cílení na hipokampální aferentní projekce účinnější strategií pro řízení downstream struktury za účelem modulace výkonu paměti [25]. Je tedy možné modulovat výkon pracovní paměti elektrickou stimulací ANT.

Jiali Liu a, b, 1, Tao Yu c, d, 1, Jinfeng Wu a, b, Yali Pan a, Zheng Tan a, b, Ruobing Liu a, b, Xueyuan Wang c, d, Liankun Ren c, d, Liang Wang a, b, *

a Klíčová laboratoř duševního zdraví CAS, Institut psychologie, Peking, Čína b Katedra psychologie, Univerzita Čínské akademie věd, Peking, Čína c Pekingský institut funkční neurochirurgie, nemocnice Xuanwu, Capital Medical University, Peking, Čína d Komplexní epilepsie Centrum v Pekingu, Klíčová laboratoř neuromodulace v Pekingu, Neurologické oddělení, nemocnice Xuanwu, Capital Medical University, Peking, Čína

Současná studie měla zkoumat, zda přímo elektrická stimulace ANT může modulovat přesnost pracovní paměti. Klasické paradigma barevné paměti [26,27] bylo provedeno u farmakorezistentních epileptických pacientů s implantovanými hloubkovými elektrodami, zatímco na elektrody ANT byla v polovině studií aplikována bipolární elektrická stimulace. Vzhledem k důkazům, že rozsáhlé funkční a anatomické spojení mezi hipokampem a ANT a hipokampem hrají důležitou roli v pracovní paměti, jsme předpokládali, že elektrická stimulace ANT může zlepšit úsudek přesnosti pracovní paměti.

Materiály a metody

Účastníci

Do této studie bylo zahrnuto osm pacientů s lékařsky refrakterní epilepsií temporálního laloku, kteří stereotakticky implantovali hloubkové elektrody stereo elektroencefalografie (SEEG) k identifikaci epileptogenních zón v nemocnici Xuanwu. Demografické informace pro každého pacienta jsou uvedeny v tabulce 1. Všichni pacienti hlásili normální nebo upravenou na normální zrakovou ostrost a normální barevné vidění. Od všech subjektů byl získán informovaný souhlas a postupy studie byly schváleny etickou komisí nemocnice Xuanwu, Capital Medical University.

Lokalizace elektrod

Pooperační CT bylo společně registrováno na předoperační MRI pomocí FreeSurfer Software Suite [28] (http://surfer.nmr.mgh. harvard.edu) a FMRIB Software Library [29]. Implantované elektrody byly rekonstruovány pomocí stereotaktického lokalizačního softwaru [30]. Poté byly všechny elektrody mapovány do standardního prostoru MNI. Všechny hipokampální kontakty (56 kontaktů od 8 pacientů, červené kroužky) v prostoru MNI byly vizualizovány pomocí prohlížeče BrainNet [31].

Elektrofyziologické záznamy a předzpracování dat

Data intrakraniálního EEG byla během experimentu zaznamenávána záznamovým systémem Blackrock Neuroport se vzorkovací frekvencí 2000 Hz. Období artefaktů bylo identifikováno vizuální kontrolou a vyloučeno z hrubých signálů. Bipolární re-reference byla použita ke snížení objemového vedení a také k matoucím interakcím mezi sousedními kontakty. Výsledná data byla rozdělena do epoch souvisejících s událostmi pro další analýzu.

Elektrická stimulace

Elektrická stimulace byla prováděna extra operativně externím stimulátorem (CereStim R96, Blackrock Microsystems), zatímco účastníci plnili úkol. Stimulace byla zadána do spárovaných sousedních kontaktů v ANT pomocí dvoufázových obdélníkových pulzů o šířce 300 ms a amplitudě 0,2 mA při frekvenci 5{ {20}} Hz (obr. 1B). Pat2 dostává 50 Hz stimulaci při amplitudě 0,5 mA (tabulka 1). Experimentální paradigma Úloha pracovní paměti byla prezentována na 14-monitoru notebooku při pozorovací vzdálenosti asi 60 cm s šedým pozadím. Zkouška začala zobrazením bílého fixačního kříže (0,3 ) ve středu obrazovky, který trval 4,2e5,2 s (obr. 1A). Centrálně a postupně byly zobrazeny dva barevné čtverce, z nichž každý trval 0,3 s a po něm následoval interval 0,4e0,5 s, ve kterém byl centrálně zobrazen pouze fixační kříž. Tyto dvě barvy byly vybrány náhodně z devíti předem vybraných barev, z nichž každá byla rozmístěna alespoň 40 na barevném kole obsahujícím kruhově gradientní podmnožinu barev. Poté se na 0,55 s rovnoměrně zobrazila arabská číslice (1 nebo 2), která označovala, která barva má být následně vyvolána. Po narážce následoval další interval 2,5e3 s pouze s fixačním křížem. Poté se zobrazilo barevné kolečko sestávající ze spojitých barev (tloušťka 1,5 a poloměr 9,5 ). Účastníci byli instruováni, aby poukázali na barvu, kterou si měli vybavit, kliknutím myši na bod na barevném kolečku. Aby se eliminoval příspěvek prostorové paměti, barevné kolečko se náhodně otáčelo napříč pokusy. Jednosekundová elektrická stimulace byla provedena v náhodně vybraných studiích ve všech 10 blocích (90 zkoušek pro stimulační zkoušky, 90 zkoušek pro nestimulační zkoušky). Každý blok se skládal z 18 pokusů a během intervalu bloků mohou účastníci odpočívat. První a poslední 4 pokusy (8 pokusů) z celých 180 pokusů neobsahovaly stimulaci. Předchozí studie aplikující stimulaci během úkolů obecně narušují paměť [22e24]. Exogenní stimulace může narušit probíhající organizované kognitivní aktivity uvnitř mozku. Mnoho studií ukázalo, že pre-stimulační neurální aktivita je důležitá pro následný úkol [32e36]. Elektrická stimulace byla proto aplikována počínaje 2,2 e 2,7 s před začátkem prvního barevného čtverce ve snaze modulovat mentální stav během fixace před stimulem, jak je uvedeno v nedávné studii [25]. Subjekty nebyly informovány o tom, které pokusy obsahovaly stimulaci, a také nemohou hlásit výskyt stimulace. Před formálním experimentem jsme nejprve testovali použitý parametr elektrické stimulace. Zeptali jsme se pacientů, zda cítili nějaké rozdíly, když byla elektrická stimulace aplikována tiše, nebo ne. Žádný z pacientů neuvedl, že po elektrické stimulaci cítí něco jiného.

Obr. 1. Návrh úlohy. (A) Zkoušky začaly bílým fixačním křížem ve středu obrazovky. Postupně byly zobrazeny dva barevné čtverečky. Poté byla rovnoměrně a náhodně ukázána arabská číslice (1 nebo 2), která označovala barvu, která má být později vyvolána. Po přestávce byli účastníci instruováni, aby poukázali na barvu, kterou si měli vybavit, kliknutím myši na bod na barevném kole. Elektrická stimulace byla aplikována počínaje 2,2e2,7 s před začátkem prvního barevného čtverce (červený pruh). (B) Příklad elektrody (černé kruhy) je zobrazen pro Pat 3. Nejstřednější kontakt se nachází v ANT (černá šipka). (C) Vzorová odezva (černý pruh) byla znázorněna na barevném kole. (D) Swap model byl použit k přizpůsobení výkonu, ve kterém existují tři možné zdroje odezvy: Von Misesova distribuce se středem na cílové barvě, další von Misesova distribuce se stejnou koncentrací, ale se středem na necílovou barvu a pevnou pravděpodobností jednoduchého uhodnutí na náhodný. (Pro výklad odkazů na barvu v této legendě obrázku se čtenář odkazuje na webovou verzi tohoto článku.)

Zpracování dat a statistická analýza

Přesnost pracovní paměti Přesnost pracovní paměti jsme odhadli na základě modelu Swap, ve kterém byly měřeny tři odpovědi: cílová odpověď, když účastníci správně uvedli barvu zkoumané položky s určitou variabilitou, necílová odpověď, když subjekty omylem uvedly barvu, která byla nemělo se vyvolat (např. přes druhou barvu byla vyvolána, byla vyvolána první barva) a odpověď hádání pro položku sondy úplně není v paměti [37]. Cílové i necílové odpovědi odpovídají Von Misesově distribuci zaměřené na barevnou hodnotu zkoumaných a chybně hlášených položek se stejnou standardní odchylkou, protože cílové a necílové barvy budou v průměru uloženy se stejnou přesností [37]. . Odhadní odpověď byla předpokládána jako stejnoměrná distribuce, protože subjekty mohou reagovat náhodně, když nebyly zapamatovány žádné barevné informace (obr. 1C a D).

Oscilační síla

Sílu před začátkem stimulu vypočítáme následovně. Vytvořili jsme časový bod simulované stimulace (2,2 e2,7 s před prvním barevným čtvercem) pro pokusy bez stimulace podle začátku elektrické stimulace ve zkouškách se stimulací. Falešná stimulace měla stejné časové okno jako skutečná stimulace. Měřili jsme oscilační výkon v signálech místního potenciálu pole (LFP) pomocí Morletových vlnek (číslo vlny ¼ 5) při 40 logaritmicky rozložených frekvencích mezi 1 a 200 Hz pomocí Sada nástrojů Fieldtrip [38]. Výkon (P) na frekvenci v každém časovém bodě byl logaritmicky transformován a korigován na průměrný základní výkon (P0) ve všech studiích (1,5 až 0,5 s před začátkem elektrické stimulace nebo začátek simulované elektrické stimulace) a čas 10 pro získání normalizovaného výkonu (dB) (tj. 10 log10(P/P0)). Gama výkon (30e100Hz) byl měřen v časovém okně 0,8 s (tj. 0,2 se1 s po stimulačním offsetu pro pokusy se stimulací, 0,2 sel s po simulovaném stimulačním offsetu pro pokusy bez stimulace).

Dále jsme zkoumali aktivitu hipokampu během prvního kódování, druhého kódování a období vyhledávání. Předběžně zpracovaná hipokampální data byla seskupena do epoch souvisejících s událostmi. Potom jsme provedli časově-frekvenční rozklad a korekci základní linie přesně stejným způsobem jako výše. Výchozí časové okno korekce bylo 1,5 až 0,5 s před začátkem elektrické stimulace pro pokusy se stimulací, 1,5 až 0,5 s před začátkem simulované elektrické stimulace pro pokusy bez stimulace. Gama výkon (30e100Hz) byl extrahován pro první kódování (tj. 0.25e0.7 s po nástupu první barvy ), druhé kódování (tj. 0.25e0.7 s po nástupu druhé barvy) a načítání (tj. 0,5e1,5 s po nástupu cue). Začátek kódovacího okna byl založen na zjištění, že stimulem vyvolaná aktivita se objevila v hipokampu 0,25 s po začátku vnějšího stimulu [12,39,40]. Časové okno vyhledávání jsme zvolili podle nedávné studie, která naznačovala, že k obnovení paměti došlo mezi 0,5 s a 1,5 s po prezentaci podnětu [41].

Analýza interiktálních epileptiformních výbojů Abnormální elektrická aktivita během interiktálních intervalů, tj. interiktální epileptiformní výboje (IED), byla nalezena v hipokampu u pacientů s epilepsií temporálního laloku [42], která může zhoršit paměťovou funkci [43,44]. V současné studii byl k identifikaci IED pro všechny pacienty použit automatický detekční algoritmus vyvinutý v předchozí studii [45]. Stručně řečeno, předzpracovaná data byla převzorkována na 200 Hz a poté filtrována pásmovou propustí od 10 Hz do 60 Hz. Okamžitá obálka každého kanálu byla získána výpočtem absolutní hodnoty Hilbertovy transformace filtrovaných dat. Obálka signálu byla segmentována pomocí posuvných oken o šířce 5 s a překrytím 80 procent . Časově se měnící práh k (Mode þ Medián) byl použit k detekci IED, kde k bylo v této studii 5, a Mode a Medián byly získány prostřednictvím odhadu maximální pravděpodobnosti logaritmicko-normálního statistického rozložení obálky signálu v každém segment. Každý kanál měl nyní svou vlastní obálku a svou vlastní prahovou křivku. Lokální maxima v průsečících mezi obalovými a prahovými křivkami byla označena jako detekovaná IED. Původně byl výkon automatického detektoru hodnocen zkušenými neurofyziology, který vykazoval vysokou citlivost detekce a nízkou míru falešně pozitivních výsledků [45]. Abychom se vyhnuli možnosti, že stimulační artefakty (ve stimulačních testech) ovlivňovaly variabilitu signálů LFP, což může následně snížit citlivost detekce IED, odstranili jsme okamžitou obálku při implementaci elektrické stimulace. Odstraněné časové okno bylo od 0,2 s před začátkem stimulace do 0,2 s po odsazení stimulace. V současné studii, abychom prozkoumali účinek stimulace ANT na míru výskytu hipokampálních IED během úlohy pracovní paměti, jsme detekovali IED během celého záznamu. Poté byl sečten počet detekovaných IED od prvního barevného čtverečku do akce odezvy a poté byl vydělen délkou času pro výpočet frekvence IED (počet/s). Poté byla frekvence IED porovnána mezi studiemi se stimulací a bez stimulace.

Statistická analýza

Statistická analýza byla zpracována pomocí vlastních skriptů kombinovaných s open-source toolboxy vyvinutými v MATLABu (Math-Works, Natick, MA, USA). Wilcoxonův test se znaménkem byl proveden pro měření účinku stimulace: rozdíl v přesnosti paměti zkoumané barvy pro pokusy se stimulací a bez stimulace. Porovnání výkonu gama a rychlosti IED hipokampu mezi testy elektrické stimulace a nestimulací bylo provedeno pomocí modelu lineárního smíšeného efektu (LME). LME model je druh regresního modelu, ve kterém je variace závislé proměnné modelována jako funkce fixních i náhodných efektů [46]. Model LME je pro náš soubor dat velmi vhodný, protože jej lze použít na skupinové úrovni při zohlednění opakovaných měření z jednoho vzorku, ke kterým došlo, když jsme testovali stimulační účinky na stejném kontaktu. Kromě toho může model LME zohledňovat nerovnoměrné vzorkování napříč podmínkami a skupinami. Tato charakteristika byla pro naši analýzu důležitá, protože účastníci měli různý počet kontaktů v hippocampu.

Výsledek

Elektrická stimulace zlepšila přesnost úsudků pracovní paměti

Pro každý subjekt byla vypočítána SD paměť proložením rozložení chyb pomocí modelu Swap, ve kterém menší paměťová SD indikovala lepší přesnost paměti [37] (obr. 1D). Abychom určili behaviorální účinky stimulace, porovnali jsme paměť SD mezi studiemi, ve kterých subjekty dostaly a nedostaly stimulaci pomocí Wilcoxonova testu se znaménkem. Zjistili jsme, že elektrická stimulace významně zlepšila výkonnost paměti (z ¼ 2,240, p ¼ 0,025) (obr. 2A). Navíc zlepšení přesnosti pracovní paměti bylo vysoce konzistentní u všech subjektů (7/8) (obr. 2B). Tyto výsledky ukázaly, že stimulace dodaná do ANT během fixace před kódováním může zlepšit úsudek přesnosti pracovní paměti.

Zvýšená aktivita gama hippocampu

Vzhledem k tomu, že hipokampus byl navržen jako zapojený do zpracování přesnosti paměti [12], analyzovali jsme nervové změny 56 hipokampálních kontaktů (obr. 3A) souvisejících se stimulací ANT. Nedávné studie zjistily, že elektrická stimulace umožňuje vyvolat vysokofrekvenční aktivitu a že indukovaná gama aktivita je spojena s výkonností paměti [47]. V současné studii byla předstimulační gama síla (3{{10}}}e100Hz) ve stimulačních studiích srovnávána s výkonem v nestimulačních studiích pomocí LME model. Analýza ukázala zvýšenou gama sílu v hipokampu po stimulaci ANT během fixace před stimulem (b ¼ 0.155, t(110) ¼ 3.447, p < 0).="" {39}}01)="" (obr.="" 3b="" a="" c).="" také="" jsme="" zjistili,="" že="" výkon="" gama="" hippocampu="" byl="" vyšší="" během="" prvního="" kódování="" (b="" ¼="" 0,101,="" t(110)="" ¼="" 2,990,="" p="" ¼="" 0,003,="" doplňkový="" obr.="" 1b),="" druhého="" kódování="" (b="" ¼="" 0,101,="" t(130,5)="" ¼="">< 0,001,="" doplňkový="" obr.="" 1d)="" a="" vyhledávání="" (b="" ¼="" 0,104,="" t(110)="" ¼="" 3,471,="" p="">< 0,001)="" ve="" studii="" se="" stimulací="" (obr.="" 3f).="" síla="" theta,="" alfa="" a="" beta="" však="" nebyla="" žádným="" významným="" rozdílem="" mezi="" studiemi="" se="" stimulací="" a="" bez="" stimulace="" během="" různých="" fází="" (všechny="" hodnoty="" p=""> 0,05, doplňkové obrázky 1AeD).

Snížená frekvence IED v hipokampu

IED bylo rozpoznáno jako biomarker epileptogenní tkáně a hipokampální IED může způsobit kognitivní poruchy [42,43]. Vzhledem k tomu, že subjekty zařazené do této studie byli pacienti s epilepsií temporálního laloku, dále jsme zkoumali, zda elektrická stimulace zlepšila přesnost paměti snížením epileptických výbojů. Vypočítali jsme výskyt IED pro každý hipokampální kontakt ve studiích se stimulací a bez ní. Pomocí modelu LME jsme zjistili statisticky spolehlivé snížení frekvence IED v důsledku elektrické stimulace (b ¼ 0.010, t(110) ¼ 2,782, p ¼ 0,006) (obr. 4).

Korelace mezi elektrofyziologickou aktivitou a behaviorálním výkonem

Dále jsme provedli korelační analýzu mezi elektrofyziologickou aktivitou (gama výkon a IED) a behaviorálním výkonem. Nezjistili jsme, že by změna frekvence hipokampálních IED souvisela se změnou přesnosti pracovní paměti (IED: r ¼ {{0}}.262, p ¼ 0.536). Korelace mezi změnou výkonu hipokampu před stimulem a změnou přesnosti pracovní paměti však byla významná (rho ¼ 0,738, p ¼ {{10}}.046) (obr. 3D). Dále, zvýšený výkon gama během doby vyhledávání také koreloval se zlepšením pracovní paměti (rho ¼ 0,881, p ¼ 0,007) (obr. 3E). Zvýšený výkon gama během prvního kódování a druhého kódování nekoreloval se zlepšením pracovní paměti (vše p > 0,05).

Diskuse

Současná studie odhalila, že elektrická stimulace cílená na ANT byla účinná při zlepšování přesnosti pracovní paměti. Zjistili jsme, že stimulace ANT může zvýšit výkon gama v hipokampu a snížit míru výskytu IED v hipokampu. Zvýšená gama síla hipokampu významně korelovala s posouzením přesnosti pracovní paměti, což poskytlo kauzální roli osy hippocampal-anterior thalamic v přesnosti pracovní paměti.

Obr. 3. Stimulace ANT zvyšuje aktivitu gama hipokampu. (A) Všechny hipokampální kontakty (56 kontaktů od 8 pacientů) jsou vyznačeny v prostoru MNI. (B) Předstimulační gama síla (zkoušky se stimulací vs. zkoušky bez stimulace). Blackout (0e1 s) je doba trvání elektrické stimulace. (C) Gama výkon (30e100Hz) byl významně vyšší u pokusů se stimulací než u pokusů bez stimulace během fixace před stimulem na základě modelu LME (b¼ {{ 21}},155, t(110) ¼ 3,447, p < 0.001)="" (d)="" korelace="" mezi="" změnou="" výkonu="" gama="" (tj.="" gama="" výkon="" pro="" pokusy="" s="" elektrickou="" stimulací="" -="" gama="" výkon="" pro="" pokusy="" bez="" elektrické="" stimulace)="" během="" fixace="" před="" stimulem="" a="" vyvolání="" paměti="" změna="" sd="" (tj.="" sd="" pro="" pokusy="" s="" elektrickou="" stimulací="" -="" sd="" pro="" pokusy="" bez="" elektrické="" stimulace)="" (rho="" ¼="" 0="" 0,738,="" p="" ¼="" 0,046).="" (e)="" významná="" korelace="" mezi="" změnou="" gama="" výkonu="" během="" vyhledávání="" (tj.="" gama="" výkonem="" pro="" pokusy="" s="" elektrickou="" stimulací="" -="" gama="" výkonem="" pro="" pokusy="" bez="" elektrické="" stimulace)="" a="" změnou="" sd="" paměti="" (tj.="" sd="" pro="" pokusy="" s="" elektrickou="" stimulací="" -="" sd="" pro="" pokusy="" bez="" elektrické="" stimulace="" stimulace)="" (rho="" ¼="" 0,881,="" p="" ¼="" 0,007).="" každý="" barevný="" kruh="" označuje="" jednoho="" pacienta.="" (f)="" síla="" gama="" se="" významně="" zvýšila="" během="" vyhledávání="" ve="" studiích="" se="" stimulací="" na="" základě="" modelu="" lme="" (b="" ¼="" 0,104,="" t(110)="" ¼="" 3,471,="" p="">< 0,001).="" ***p=""><>

Obr. 4. Stimulace ANT snižuje frekvenci hipokampálních IED. (A) Průměrná frekvence IED od začátku prvního barevného čtverce do reakce je významně snížena u zkoušek s elektrickou stimulací ve srovnání se zkouškami bez elektrické stimulace (b ¼ 0.010, t(110) ¼ 2,782, p=0,006). (B) Dva příklady IED (označené červenými kroužky) jsou detekovány automatickým detekčním algoritmem. (C) Rastrový graf detekovaných IED ve studiích bez stimulace (horní) a se stimulací (dolní) pro pacienta 2. Každý svislý červený pruh označuje IED detekované v konkrétním čase. (Pro výklad odkazů na barvu v této legendě obrázku se čtenář odkazuje na webovou verzi tohoto článku.)

Velký počet studií se pokoušel zlepšit paměť pomocí elektrické stimulace dodávané do struktur souvisejících s hipokampem a přinesly nekonzistentní výsledky [22,23,25,48]. Současná studie aplikovala elektrickou stimulaci na ANT, jednu z primárních součástí v okruhu Papez. Jako anatomický základ paměti byl navržen Papezův okruh [49]. Výzkumníci navrhli, že modulace nervové aktivity v tomto okruhu může ovlivnit aktivitu hipokampu a tím změnit výkonnost paměti. V souladu s tím jsme zjistili, že elektrická stimulace zlepšila přesnost pracovní paměti, což lze předpovědět pomocí zvýšené gama síly v hipokampu. Naše výsledky podpořily rostoucí konsenzus, že přímá elektrická stimulace může modulovat aktivitu distribuované sítě připojené k místu stimulace [24,50]. Tento závěr byl v souladu s perspektivou neinvazivní stimulace používanou ke zkoumání dynamiky a organizace mozkové sítě [51].

Dodali jsme ANT elektrickou stimulaci a zjistili jsme, že stimulace zlepšuje přesnost pracovní paměti. Vzhledem k tomu, že tento výsledek ukazuje na postižení osy hippocampal-anterior thalamus, existují dvě možnosti, jak zlepšit přesnost pracovní paměti. Za prvé, samotná stimulace ANT může přímo zlepšit paměť, protože je kritickou složkou rozšířeného hipokampálního systému podporujícího paměť [19,20]. Dále se uvádí, že ANT hraje zásadní roli v paměti řízené pozornosti [16,17,52]. Nedávná studie navíc odhalila sdílené nervové mechanismy mezi pozorností a pracovní pamětí [53]. Za druhé, přesnost pracovní paměti byla zlepšena modulovanou aktivitou v hipokampu. ANT je hustě spojen s hipokampem [13,15]. Nedávná studie naznačuje, že je nezbytné modulovat kognitivní funkce stimulací jednoho z připojených uzlů tvořících funkční síť [24]. Zjistili jsme, že stimulace ANT může zvýšit výkon gama hipokampu a zvýšený výkon gama předpovídal zlepšenou přesnost pracovní paměti. Bylo navrženo, aby byl hipokampus zapojen do zpracování pracovní paměti, buď když bylo udržováno více položek, nebo když byly objekty prezentovány postupně [5,54]. Studie na lidech i zvířatech prokázaly, že pracovní paměť je spojena s gama aktivitou v hipokampu [5,6,8]. Modulovaná aktivita v hipokampu tedy může přispět ke zlepšení pracovní paměti.

Bylo možné, že elektrická stimulace dodaná do ANT může změnit mentální stav pacienta zvýšením bdělosti nebo pozornosti před vstupem stimulu. Mnoho studií ukázalo, že neurální aktivita před stimulem může vysvětlit variabilitu percepční a kognitivní výkonnosti mezi jednotlivými pokusy [32e35]. V souladu s tím byla zvýšená gama síla hipokampu před stimulem korelována se zlepšením paměti. Kromě toho byl gama výkon během období kódování a vyhledávání také zvýšen elektrickou stimulací. Zvýšený výkon gama během vyhledávání také predikoval zlepšení paměti. Naše výsledky byly v souladu s předchozí studií, že výkon gama hippocampu byl nezbytný pro spuštění pracovní paměti [8]. Celkově vzato je možné, že elektrická stimulace dodaná do ANT může zvýšit bdělost nebo pozornost pacienta během stadia před stimulem a dále ovlivnit následné kódování paměti a načítání.

Také jsme pozorovali, že stimulace ANT může potlačit patologický výtok z hipokampu, což je v souladu s naší předchozí klinickou studií [14]. Snížení IED však nemůže předpovědět zlepšení pracovní paměti, i když četné studie prokázaly, že hipokampální IED bylo spojeno s výkonností paměti [43,44,55]. Je možné, že IED může primárně ovlivnit dlouhodobou paměť, spíše než paměť pracovní.

Tato studie má čtyři omezení. Za prvé, velikost vzorku byla relativně malá. Potvrzení pozorovaného stimulačního účinku vyžadovalo další zkoumání náborem velkého počtu účastníků. Také tato malá velikost vzorku nás omezila k dalšímu zkoumání laterálního účinku stimulace ANT. Za druhé, všichni jedinci v této studii byli pacienti s epilepsií rezistentní na léky. Zobecnění současných výsledků na jiné skupiny by proto mělo být zacházeno opatrně. Na druhou stranu mnoho pacientů s epilepsií hlásilo deficit paměti a zlepšení paměti je pro ně v podstatě terapeutickým cílem. Za třetí, tato studie zjistila, že stimulace ANT může zlepšit přesnost pracovní paměti u lidí. Není však známo, zda výkon pracovní paměti mohou modulovat i další stimulační parametry, jako je intenzita, trvání a doba stimulace. Za čtvrté, je možné, že elektrická stimulace dodaná do ANT může zvýšit pacientovu bdělost nebo pozornost během fáze před stimulem a dále ovlivnit následné kódování paměti a načítání. V této studii však nemůžeme určit, která fáze je pro zlepšení pracovní paměti důležitější. Budoucí studie to mohou přímo otestovat poskytnutím elektrické stimulace v různých fázích odděleně.

Závěr

Tato studie ukázala, že intrakraniální elektrická stimulace do předního jádra thalamu může zlepšit přesnost pracovní paměti a zvýšit aktivitu gama hipokampu. Zvýšená hipokampální gama aktivita během pre-stimulu a vyhledávání byla prediktivní pro zlepšení přesnosti pracovní paměti. Tyto výsledky naznačují kritickou roli osy hippocampal-anterior thalamic v přesnosti pracovní paměti.