工作记忆中慢脑振荡对区域间皮层交流的动态调节

1. 研究背景

当信息在工作记忆中被处理时，会引发由认知控制网络组成的背外侧前额叶、前扣带皮层和后顶叶皮层的神经活动。认知监测功能尤其依赖于前扣带皮层和后顶叶皮层之间的相互作用。然而，在需要高认知控制的情况下，大脑后部区域动态地访问前额叶资源的确切神经机制仍是未知的。

2. 研究方法

实验1

被试：30名健康志愿者，5名志愿者由于太多眨眼和水平眼动而被剔除。总计有效被试25名，16名男性，9名女性。

实验设计：被试需要完成视觉空间延迟匹配任务，实验条件分为保留和操作，低负荷和高负荷。

如果方块是绿色（1个或4个），被试需要在记忆维持方块的位置2000ms（保留条件），如果方块是红色（1个或4个），被试需要在矩阵中反映出方块在垂直间隙周围的位置，并将新的位置保存在记忆中（操作条件）。然后，一个带有1个或4个灰色标记方块的探测矩阵(取决于之前展示过的方块数量)呈现2000ms。被试需要按键反应：方块是否是记忆过的方块位置或镜像位置是否和探测矩阵中的方块匹配。

EEG记录：记录64通道的脑电信号，按照国际系统10-10放置，接地电极设置在前额处，脑电记录频率为0.016 ~ 80Hz，采样率为1000Hz，陷波滤波设置为50Hz，阻抗降到20kΩ以下。

EEG分析：每个实验任务的数据被分割为3100 ms的epoch（包括一个600 ms的基线周期、一个500 ms的编码矩阵和一个2000 ms的延迟周期）。所有人工去除伪迹的试次，包括正确和不正确的回答。保留条件下，负荷1和负荷4的无伪迹试次的平均次数分别为57.5 (SD = 7.9)和59.4 (SD = 7.03)。对于操作条件下，无伪迹试次的平均次数在负荷1为58.5 (SD = 7)，在负荷4为59.1 (SD = 6.3)。下面描述的分析应用于2000ms的延迟期。为了进行统计分析，将延迟时间划分为4个时间窗口(time 1：500-1000 ms、time 2:1000-1500 ms、time 3:1500-2000 ms，time 4:2000-2500 ms)。

事件相关振幅（ERA）增加/减少分析：对于ERA的计算，单个试次首先进行复杂的Morlet小波滤波。数据分别进行1-30 Hz和30-70 Hz频率的滤波(低频使用8个周期的复Morlet连续小波解调，高频使用10个周期的复Morlet连续解调)。然后对每个条件的滤波试次进行振幅估计值，并计算ERA。ERA定义为相对于预定义基线期([活动期基线期]/基线期×100)增加或减少的百分比。在编码矩阵之前，提取低频从-500-200 ms和高频从-300-200 ms的基线周期。从延迟区间估计振幅，然后平均为四个时间窗口（如上所述）。为了进行统计分析，在AFz电极上对(4-7Hz) ERA进行三因素方差分析，CONDITION (retention, manipulation)， LOAD (LOAD 1, LOAD 4)和TIME (TIME 1, TIME 2, TIME 3, TIME 4)。选择AFz进行统计分析，因为发现与邻近电极相比，该位点具有最强的同步化，数据呈正态分布。

Frontal-midline Theta锁定Gamma调幅：对于每一个实验任务，在AFz处的单个试次相位值theta（5Hz）和估计gamma在30,40,50,60和70Hz（10Hz frequency bins）的60个电极位置的幅度值。

数据呈正态分布。作为一项探索性分析，五种方法重复测量方差分析，包括频率(30、40、50、60和70 Hz)、时间(时间1、时间2、时间3、时间4)、条件(保留、操作)、负荷(负荷1、负荷4)、以FM-THETA相位分选的gamma振幅为因变量，计算60个电极的FM-THETA PHASE (segment 1-10)。这样做是为了确定是否存在显著的主效应或任何涉及因子FM-THETA相位的相互作用，作为FM-THETA相位调制gamma振幅的指标。探索性分析显示三电极集群显示gamma调幅FM-theta阶段：额集群(FP1,F7,FC5, FC1 ,FCz,和FC2)，左颞顶集群(C3,CP1 ,CP3, CP5 ,T7, TP7,P7和P5)，和右颞顶集群(C6, CP6,TP8, P2,P3和P6)。下一步，将分析重点放在这三个电极簇和五种重复测量方差分析上，这些方差分析采用因素FREQUENCY、TIME、CONDITION、LOAD和FM-THETA PHASE，其中前额-中线theta相位排序的gamma振幅在三个电极簇中均为因变量。

Theta相位和Gamma振幅互相关：为了进一步评估FM-theta相位是否对gamma振幅有显著的调制作用，在频率为5 Hz(振幅范围为+1 ~ 1 μV，采样频率为50 Hz)的theta周期余弦函数，即FM-theta 与gamma振幅平均值相同的时间分辨率，分别与电极簇内每个任务的相序的gamma振幅相互关联(见上文)。两个完整的theta周期(和等效的有序gamma振幅)被用于交叉相关性(每个时间序列得到20个数据点)。如果后gamma振幅不被FM调制，相位1将期望一个系数接近零的平坦交叉相关图。然而，FM-theta相位系统的gamma振幅调制应该会产生一个明显的峰值不同于零的交叉相关图。这种互相关联的方法分别应用于每个参与者。交互相关图的绝对极大值被用作测量伽玛振幅的相位调制。接下来，在每个参与者的单次试验中，FM-Theta相位和gamma幅值从先前确定的电极簇被一次试验移动。因此，在这些移位的数据中，FM-theta和远端gamma振幅之间不应该再有很强的关联。对移位的数据重复使用互相关方法。对数据进行Fisher-Z变换后，交叉相关图的绝对极大值与真实数据的绝对极大值进行统计学比较。即使在Fisher- z变换之后，数据也不是正态分布的。因此，单尾Wilcoxon检验被用来比较真实数据和移动数据的交叉相关系数为每个任务条件和电极集群分别。结果经过多次比较的FDR校正。

实验2

被试：10名健康志愿者，6女4男。

实验设计：与实验1相似。

唯一的例外是，只使用了4个必须经过心理操纵的项目(操纵负荷4)。该实验共包括280个试次。在每一个试次中，记忆组呈现500ms，然后是2000ms的延迟期和2000ms的探测刺激的呈现，以及1500-2000ms的试次间隔(详情见实验1)。然而，在这个实验中，在210个试次中，TMS三次脉冲在延迟期内被发送。在记忆设置偏移后，三次脉冲开始在500 – 1500ms之间抖动。受试者被要求尽可能正确地回答问题。实验开始时进行了训练。

脑电数据采集：使用和TMS兼容的电极帽，根据扩展的10-10系统排列的30个头皮位置记录脑电数据。信号在0.016 -80Hz的频率范围内以1000Hz的频率采集(50Hz的陷波滤波)。在记录过程中，使用鼻尖参考，并将接地电极放置在电极位置FPz。记录水平和垂直EOG。

TMS方案：TMS刺激器和一个7cm的8字形线圈。在TMS试验中，在个体静息运动阈值为80%，50Hz三脉冲被传送到右顶叶皮层。刺激部位为CP6电极位置，位于实验1中右后电极簇的正中央。平均刺激强度为43.7 % (SD = 5.4)的最大刺激输出。三次脉冲是在延迟期间进行的，在整个试验中出现了起搏器抖动(见上文)。整个过程记录脑电信号。

EEG数据分析：按照实验1的描述进行预处理和去伪迹。数据被分割成：从TMS三脉冲开始-1000ms开始，到TMS三脉冲开始时结束。对电极位置的AFz段进行4 ~ 7 Hz的滤波，得到瞬时相位。脑电阶段起始于基于triple-pulse前聚集91 ms(中心频率的半周期在5.5Hz)的TMS开始阶段，以避免结果被过滤的影响。

实验3

被试：10名健康志愿者(5男5女；实验3a的平均年龄为25.3岁(SD = 7.5))。11名健康志愿者(7女3男；平均年龄27.33岁，(SD = 6.6)))。

实验设计：类似的实验设计与实验2是用于控制实验3 a和b。实验3所不同的是为了建立是否FM-theta phase-dependent性能损伤是由于未指明的经颅磁刺激效应(如点击噪音)或颞顶刺激本身。QY球友会在一个不应该涉及到任务的控制点上进行刺激，即顶点。在实验3b中，目的是调查一个项目的保留(后验gamma被锁定在FM-theta的峰值)是否可以被TMS类似地干扰。因此，被试只进行实验1中最简单的任务(保留负荷1)。每组共280个试次。在每一个实验中，记忆组呈现500ms，然后是2000ms的延迟和2000ms探测刺激的呈现，以及1500-2000ms的试次间隔(详情见实验2)。在每个实验的210个试次中，TMS三次脉冲在延迟期内被发送。在记忆设置偏移后，三脉冲的开始在500 – 1500ms之间抖动。受试者被要求尽可能正确地回答问题。实验开始时进行了训练。

EEG记录：根据扩展的10-10系统，使用与TMS兼容的电极帽，记录30个头皮位置的脑电数据。信号在0.016 - 80hz的频率范围内以1000Hz的频率采集(50Hz的陷波滤波)。在记录过程中，使用鼻尖参考，并将接地电极放置在电极位置FPz。记录水平和垂直EOG。

TMS方案：使用PowerMag Research 100 TMS刺激器(Mag& More)和7cm的8字形线圈(Mag& More)。在经颅磁刺激试验中，在个体静息运动阈值的80%给予50Hz三脉冲。实验3a将三次脉冲发送到顶点(刺激部位为脑电电极Cz点；平均刺激强度为43.0 % (SD = 5.5)的最大刺激输出。而在实验3b中，三脉冲被传递到右顶叶皮层(在脑电电极位置CP6上，与实验1相同，也是实验2的刺激部位；平均刺激强度为41.8 % (SD = 6.9)的最大刺激输出)。在这两个实验中，三次脉冲都是在延迟期间传递的。整个实验过程中都记录脑电。

EEG数据分析：与实验2所描述的一样。

实验4

被试：15名健康志愿者(14女1男)。利用G*Power进行先验功率分析。效应大小基于实验2。然而，由于实验2测试的样本量较小，且效应量非常高，因此实验2中报告的效应量只有三分之一被用于先验功率分析。当f = .2, alpha = .05和1-beta = .8时，建议样本量为14。一名被试由于高度不适而没有完成额叶TMS测试，另一名被试由于在顶叶TMS测试中表现出非常低的表现(低于平均值2.5个标准)而被排除在统计分析之外。

实验设计：采用与实验2相似的实验设计。然而，采用了在不同的时间进行两次TMS治疗的被试内设计。实验一阶段被试右顶叶皮层(10- 10系统脑电电极位置CP6)经颅磁刺激与实验二完全相同。在另一组中，TMS传递到右额叶皮层(电极位置FC6)，该部位对皮肤感觉和肌肉抽搐的控制要优于实验3a中对顶点的刺激。本实验的被试内部设计允许直接比较经颅磁刺激传递到顶叶部位和对照组部位。此外，CP6刺激过程被认为是实验2的内部复制尝试。

TMS方案：使用PowerMag Research 100 TMS刺激器(Mag&More)和一个7cm的8字形线圈(Mag&More)。在经颅磁刺激试验中，在个体静息运动阈值的80%给予50Hz三脉冲。在右顶叶TMS过程中，三脉冲在脑电电极位置CP6发出(与实验2相同；平均刺激强度为40.3 % (SD = 4.8)的最大刺激输出)。而在右额叶TMS过程中，三次脉冲在脑电电极位置FC6(刺激强度与其他过程相同；然而在6名参与者中，强度必须降低，因为80%的静息运动阈值太不舒服而无法承受(平均刺激强度为37.3% (SD = 5.9)最大刺激输出)。在这两组试验中，三次脉冲都是在延迟期间进行的，在试验中出现了起搏抖动(见上文)。使用无框架立体定向神经导航设备(Mag& More PowerMag View!)监测TMS线圈位置。整个实验过程中都记录脑电信号。

EEG数据分析：预处理和人工去伪迹按照实验2的描述进行。数据被分割成：从TMS三脉冲开始前1000ms开始，到TMS三脉冲开始时结束。对电极位置的AFz段进行4 ~ 7 Hz的滤波，得到瞬时相位。在TMS开始时，基于三脉冲(5.5 Hz中心频率的半周期)之前采集的91 ms值估计脑电相位，以避免结果受到分割边缘滤波器振动伪迹的影响。然后将试验分为10个FM-theta阶段箱36个，并计算每个阶段箱的正确应答率。

对TMS SITE (CP6 vs. FC6)和THETA PHASE因素的正确反应率进行了二因素重复测量方差分析。为了评估实验2和实验3的结果是否被实验4重复/复制，分别对CP6(如实验2)和FC6(如实验3)进行了两个单因素重复测量方差分析。最后，实验2的数据集和实验4的CP6增产条件进行了合并，在更大的样本上进行了带有因子THETA PHASE的单向重复测量方差分析。

3. 实验结果

图1a & b 实验范式和行为结果

图2c 负荷4和负荷1之间FM-theta活动差异的地形分布。图解：图为实验范式，行为结果和FM - Theta振幅。

结果表明，在记忆保持条件下，1个或4个物品的空间位置被保留了2000 ms，并与探测进行了比较。在操作条件下，物品的空间位置必须在心理上反映在网格的垂直间隙周围，保留在记忆中，并与探测进行比较。b图：实验1中四种情况的准确率(百分比)。红色的小提琴元素表示Load 1，绿色的小提琴元素表示Load 4。c图：AFz电极上任务相关的FM-theta振幅在延迟期间增加。值超过100%表示与基线相比振幅增加。误差条表示均值的标准误差。c图显示了负荷4和负荷1之间FM-theta活动差异的地形分布。

实验1结果：使用配对样本t检验分别评估额中线和右侧颞顶叶区域间频率内相位相干性。与刺激前基线间隔相比，在电极位置AFz和P2之间保留4个项目的延迟间隔的前500ms内，theta相位一致性仅显著增加(p < .05)。在任何其他的时间间隔和任何其他的实验条件下，以及任何进一步的电极对在theta或gamma频率下，相位相干性都没有显著的增加。因此，在192个比较中，只有一个在未校正的5%显著水平上显著。结果没有发现在延迟期间额中线和右侧颞顶叶电极之间的一致性增加。鉴于右侧颞顶叶gamma振幅与任务难度不同的FM-theta相位相关，QY球友会预测，用经颅磁刺激(TMS)干扰颞顶叶区域快速节律性脑活动的影响应该取决于TMS脉冲相对于正在进行的FM-theta阶段的时间(见实验2)。

实验2结果：与QY球友会在初始脑电数据中发现的模式非常一致(图2a)，在刺激开始时，TMS依赖于FM-theta相位显著调节任务绩效。重要的是，右侧颞顶叶TMS在FM-theta周期高峰时的作用几乎对任务表现没有任何影响。然而，如果在FM-theta波谷前不久，实验1中增加的gamma振幅被锁定的阶段，右侧后颅磁刺激导致性能下降，接近机会水平(图2b)。这直接表明任务相关右颞顶神经活动是FM-theta波脉冲和同步。。

图2a 基于任务的后gamma波段活动嵌套到FM-theta波

图2b 基于任务的后gamma波段活动嵌套到FM-theta相位特异性TMS效应。图解：基于任务的后gamma波段活动嵌套到FM-theta波和FM-theta相位特异性TMS效应。在延迟期间，FM-theta锁相右颞顶叶gamma振幅(实验1)。a图中蓝色阴影区域电极位置的平均z变换后的gamma幅值表示为从电极位置AFz提取的FM-theta相位的函数。暖色表示较强的gamma振幅。在x轴上，显示了覆盖一个完整的FM-theta循环的十个FM-theta相位箱。y轴的四条线代表根据任务难度排序的四种实验条件。注意，在实验条件下需要的认知控制越多(保持load1 < 操作load1 < 保持load 4 < 操作load 4)后gamma活动多嵌套入FM-theta期。b图：右颞顶叶三脉冲rTMS对四项操作任务精度的影响(实验2)。rTMS破坏效应的强度取决于刺激开始时的瞬时FM-theta相位。当后验rTMS应用于接近FM-theta波谷的位置时，即脑电gamma活动嵌套的敏感期，实验1平均正确率下降到接近机会水平。x轴上的10个FM-theta相位箱从a对齐到FM-theta相位。点表示单个受试者数据。折线图表示样本均值，以均值的标准误差作为误差条。

实验3结果：在FM-theta波谷处的相位特异性干扰不是一种非特异性效应，而是针对开始前端最困难的实验条件，即也显示后gamma活动锁定在FM-theta波谷的条件。然而，应该注意的是，大多数被试在最简单实验条件下(保留一个项目)的表现在天花板上或非常接近天花板，即正确回答平均得分为97.0% (STD = 7.89)。这也可以解释为什么在FM-theta峰值(最容易的条件下的首选阶段)时的TMS不会影响任务性能。

实验4结果：总体而言，实验4的参与者比实验2的参与者做得好得多，这或许可以解释效应量的减少。实验四中部分被试的表现接近上限水平，这可能导致经颅磁刺激对表现的调节较少。在控制条件下，右前额-中央TMS对任务绩效的影响不显著。最后，将实验2和实验4的右顶叶TMS会话数据放在一起，并使用单向重复测量方差分析。theta相位因子的主效应显著(见附图2b)。

4. 结论

目前的研究结果表明，后gamma活动相对于FM-theta峰或谷的排列代表了一种高效的门控机制，它通过前后神经网络的动态同步或去同步来控制对额叶认知资源的访问/分配。同样，当健康的年轻参与者从事高要求的工作记忆任务时，这种主动解耦机制也可以在默认模式网络中找到。

5. 文献名称及DOI号

Berger, B., Griesmayr, B., Minarik, T., Biel, A. L., Pinal, D., Sterr, A., & Sauseng, P. (2019). Dynamic regulation of interregional cortical communication by slow brain oscillations during working memory. Nature communications, 10(1), 1-11.

DOI：10.1038/s41467-019-12057-0