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任务态fMRI研究:TMS刺激选择性改变情景记忆网络的功能
发布者:admin 发布时间:2019/1/25

摘要:芝加哥西北大学芬伯格医学院的Kim等人在Science Advances发文,研究靶向非侵入性刺激是否可以有选择地影响后内-侧网络内记忆形成的神经信号,并检验其中的因果关系。刺激增强了在记忆形成期间后-内侧网络的诱发反应,并且这种活动增强在整个网络中具有一致性。相反,刺激引起的前颞网络活动没有增加。这些表明,靶向刺激可以在记忆形成过程中导致网络特异的兴奋增加,并有望通过脑部刺激调节参与情景记忆的网络。


关键字:情景记忆  任务态fMRI  经颅磁刺激(TMS) 脑网络


引言

本实验旨在测试靶向非侵入性刺激是否在记忆形成期间有选择地改变PMPosterior-l)与ATAnterior-temporal)网络内刺激诱发的大脑活动。


材料和方法

被试:16名成年人参加了主实验,对PM网络进行顶叶刺激(parietal stimulation,另外16名成年人参与背外侧前额的控制刺激(prefrontal control  stimulation实验。接受刺激后,被试进行六个版本的fMRI记忆任务。


刺激诱发活动分析

AFNI软件对fMRI数据进行预处理,BrainNetViewer呈现结果。预处理之后,根据延迟测试阶段的反应,对研究中的试次进行重新分类,将它们分为后来记。校后来遗忘(未命中)两类。在学习阶段的两个任务中,计算与后来记住的试次相关的活动。随后对BOLD血流动力学反应进行建模。

主要的PM-AT分析(2A),使用先前研究中确定的先验网络区域,这些区域分别基于fMRI与旁海马和鼻周皮层的连接。感兴趣区是以每个网络位置的峰坐标为中心的6mm半径球体。

2.刺激一致性地增加了PM网络的fMRI活动。

A)我们先验地选择了PMAT网络。L,左;R,右。

B)在记忆形成期间,刺激诱发的平均fMRI活动,在刺激后条件(Post-Stim)和假刺激后条件(Post-Sham)分别对PMAT网络进行平均,证明了刺激选择性地增加PM网络活动(Post-Stimvs. Post-Sham)。

C)刺激引起的平均fMRI活动变化(Post-Stim减去Post-Sham),在PMAT网络内的每个区域进行平均,表明PM网络的一致性增加,但AT网络没有。

D)通过相关图显示了刺激引起活动变化的一致性,其中颜色表示被试间活动变化区域间的相关性。我们把一致性量化为每个网络和网络之间的平均相关性,如条形图所示,表明特异于网络的变化一致性在PM网络中最大。


结果

刺激定位(1A)和核磁任务(1C)。对学习阶段刺激引起的活动进行初步分析,被试在随后的测试中正确再认(记住了),从而提供了情景记忆形成的神经信号。我们对先前研究中定义的PMAT网络区域内的活动进行平均(图2A)。

1.实验设计概述。

A)基于有解剖学定义的海马位置的种子点静息态fMRI连接,我们选择了特异于受试者的左顶叶刺激位置作为了种子点。圆圈表示每个被试的这些位置。

B)在连续五次每天刺激之前和之后24小时,被试完成了fMRI记忆任务。我们以平衡的顺序在被试内实施刺激和假刺激。被试的代表性电场,显示了刺激和假强度,红色表示峰强度。

C)在单独的区块中,被试在fMRI扫描期间学习与场景或位置情境配对的物体。延迟之后,我们评估了物体识别记忆和情境回忆记忆。大脑响应被用于识别学习期间的后来正确的试次,从而提供成功形成记忆的fMRI信号。每个fMRI任务评估使用不同的刺激。


为了确定相对于假刺激,顶叶刺激对活动的影响,我们比较了Post-Stim测验与Post-Sham测验期间的活动,分别在情境和空间记忆任务以及PMAT网络中进行计算(2B)。只发现一个网络主效应(P= 0.0037)。基线活动也发现了相同的模式。

相对于控制刺激,顶叶皮层刺激(Post-Stimvs. Post-Sham)增加了PM网络所有区域合并在一起的活动(P<0.001)(2B)。刺激对活动的影响在PM网络中显著大于在AT网络中(P= 0.0037),这证明了刺激对记忆形成的fMRI信号具有网络选择效应。

为了评估刺激对fMRI活动影响的网络内一致性,我们分别对包含PMAT网络的所有区域分析了刺激的影响。发现刺激增加了整个PM网络中记忆形成的fMRI信号(2C)。

接下来检验了顶叶刺激是否一致性地改变了每个网络内的fMRI活动。(2D)。结果发现,包含PMAT网络的区域对刺激的响应具有一致性的,且相对于网络之间,每个网络内的活动变化具有更大的一致性,并且PM网络发生的活动变化具有最大的一致性。

3.刺激对体素水平活动和记忆表现的影响。

A)体素分析表明由刺激引起的显著活动变化的区域,不受PM-AT网络兴趣区域的约束。彩色表示满足显著性阈值的体素,其在PM网络区域中显示出更强的活动。

B)平均项目识别没有因刺激而改变。

C)相对于基线和假刺激,平均情境回忆因刺激而增加。

D)每个条形表示相对于基线的Post-Stim和相对于基线的Post-Sham,单个被试在情景回忆正确率上的变化,表明刺激能持续改善情境回忆,而虚假刺激仅在约50%的被试者中引起了增加。


我们还进行了voxel-wise分析。诱发活动增加的区域(Post-StimPost-Sham)包括下颞叶,内侧顶枕叶和旁海马皮质区(3A),没有脑区显示活动减少。 

正如我们先前在认知正常的年轻成年人中所做的研究,刺激适度地改善了情境回忆,其与项目再认分开测试(1C)。刺激并没有提高项目识别准确率(Post-Stimvs. Post-SlamP= 0.683B)。由刺激引起的情境回忆准确率得到改善(3,CD)。这些发现表明,由刺激引起的PM网络活动的增加伴随着记忆的适度改善,特别是对于被认为依赖于该网络的情境记忆成分。

4。前额控制刺激不影响PM网络。

A)图1A显示了用于控制刺激的前额叶位置。

B)在记忆形成期间,刺激诱发的平均fMRI活动,在Post-StimPost-Sham中分别对PMAT网络进行平均,结果表明刺激的影响不显著。对于接受顶叶刺激的被试,刺激对PM网络的影响显著大于接受前额控制刺激的被试。

C)体素分析表明对前额控制组而言,在PM-AT网络区域中,刺激对活动的影响不显著(Post-Stimvs. Post -Sham),但右背外侧前额皮质的活动显著减少。彩色表示组间差异显著的区域,反映了相对于前额控制刺激组,在顶叶刺激组中,刺激引起了更大的活动增加(Post-Stimvs. Post-Sham)。值得注意的是,这些区域位于PM网络内,验证了相对于前额控制刺激,顶叶刺激选择性地增加了PM网络活动。

16名被试完成了相同的虚假-控制平衡实验,但刺激在左背外侧前额叶皮层(4A)。前额叶皮层的控制刺激没有引起PMAT活动的显著变化(4B)。为了确定顶叶刺激对PM网络活动的影响(2和图3)是否明显大于由前额叶控制刺激引起的效应,我们对PMAT网络的活动分别进行平均,然后进行组间配对比较。发现,顶叶刺激引起的主效应(增加Post-StimPM活动),相对于前额控制刺激,是顶叶刺激的选择性结果。

组间分析表明,接受顶叶刺激的被试的活动增加显著大于前额控制刺激(4C。证实了相对于前额控制刺激,PM网络的活动增强和情境记忆改善,对靶向PM网络的顶叶刺激是特异性的。

总结:靶向刺激增加了记忆形成期间由后续记住的刺激诱发的整个PM网络中的fMRI活动。与记忆相关的活动变化是选择性的,一致性的,并伴随着情境记忆准确率的适度增加。这些发现支持使用fMRI技术在海马-皮层网络上识别出一致的、特异于网络的活动模式重要性,从因果上验证了PMAT网络的功能区别。


参考文献:Kim S,Nilakantan A S, Hermiller M S, et al. Selective and coherent activity increasesdue to stimulation indicate functional distinctions between episodic memorynetworks[J]. Science advances, 2018, 4(8): eaar2768.

 

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