Propojení fáze a amplitudy intrakraniálního EEG jako mechanismus kódování pracovní paměti v lidském mozku

Abstract

Pracovná pamäť je esenciálny kognitívny systém, ktorý záhŕňa viaceré oblasti v mozgu a mechanizmy zodpovedné za krátkodobé ukladanie informácií.V prípade verbálnej pracovnej pamäti, udržiavame jej obsah pomocou procesu subvokálneho opakovania, ktorý zapája hlavne oblasti, spojené s produkciou a spracovaním reči. Tieto oblasti sú však len jednou zložkou komplexnej mozgovej skladačky. Existujúci výskum naznačuje, že oscilačná synchronizácia medzi rôznymi oblasťami, a vrámci nich, zohráva klúčovú rolu v ich komunikácii a v aktívnom udržiavaní pracovnej pamäte. Hlavným cieľom tejto práce bolo preskúmať tri prepojené neurálne procesy: aktivitu vo vyššom gamma pásme, prepojenie fázy a amplitúdy medzi theta a gamma osciláciami a synchronizáciu theta fázy medzi rôznymi oblasťami. Analyzovali sme intrakraniálne EEG dáta od pacientov s epilepsiou vykonávajúcich test verbálnej pracovnej pamäte. Prostredníctvom výpočtu korelácie s pamäťovou záťažou sme posúdili, v ktorých oblastiach alebo medzi ktorými oblasťami tieto procesy súvisia s pamäťou. Naše výsledky naznačujú, že oblasti súvisiace s rečou, súvisia tiež s pamäťou. Ukázali sme gamma aktivitu súvisiacu s vykonávaným úlohou, najmä v ľavej motorickej, premotorickej a dorsolaterálnej prefrontálnej kôre. Prepojenie fázy a amplitúdy medzi theta a gamma osciláciami bolo výrazné v temporálnych a ľavých frontálnych oblastiach, ako aj v ľavom hipokampe. Napokon sme našli neurónovú sieť súvisiacu s pamäťou, nachádzajúcu sa najmä v ľavých frontálnych oblastiach. Súhrne, naše výsledky odhaľujú komplexnú štruktúru pracovnej pamäte, ktorá zahŕňa rôzne oblasti mozgu.Working memory is an essential cognitive system involving multiple brain areas and mechanisms responsible for the short-term storage of information. In the case of verbal working memory, we maintain its content through a subvocal rehearsal process, engaging primarily areas associated with speech production and processing. However, these areas are just one component of the complex brain puzzle, and the underlying neural mechanisms are not yet fully understood. Existing research suggests that oscillatory synchronization among and within different areas could play a pivotal role in their communication and in the active maintenance of working memory. The primary aim of this work was to investigate three related neural processes which could play a substantial role in memory encoding: high-gamma power activity, theta-gamma phase-amplitude coupling, and theta phase synchrony. We analyzed intracranial EEG data from epilepsy patients performing verbal working memory paradigm. We assessed in or between which areas the neural activity patterns were memory-related by computing correlation with the memory load. Our results suggest that the speech-related areas are also memory-related. We showed task-related high-gamma activity, particularly in the left motor, premotor, and dorsolateral prefrontal cortex. Theta-gamma phase-amplitude coupling was prominent in the temporal and left frontal regions, as well as in the left hippocampus. Lastly, we found a memory-related neural network, mainly located in the left frontal areas. Altogether, our results reveal a complex structure of working memory involving various brain regions.