[論文レビュー] Intrinsic timescales of spiking activity in humans during wakefulness and sleep

Annika Hagemann, Marcel Stephan Kehl+6 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2022

EEG and Brain-Computer Interfaces被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、脳波記録を用いた頭蓋内記録を用いて、覚醒状態および睡眠状態下におけるヒト内側巻鉤前頭皮質におけるスパイク活動の内在的時定数を定量的に評価した。時定数は数十〜数100ミリ秒の広範な範囲を示し、脳領域間で有意な差異は認められなかったが、特にノンレム睡眠の慢波睡眠期に最も長い時定数が観察された。これは、内在的時定数が認知状態に応じて神経処理を調整する動的メカニズムとして機能している可能性を支持する。

ABSTRACT

Information processing in the brain requires integration of information over time. Such an integration can be achieved if signals are maintained in the network activity for the required period, as quantified by the intrinsic timescale. While short timescales are considered beneficial for fast responses to stimuli, long timescales facilitate information storage and integration. We quantified intrinsic timescales from spiking activity in the medial temporal lobe of humans. We found extended and highly diverse timescales ranging from tens to hundreds of milliseconds, though with no evidence for differences between subareas. Notably, however, timescales differed between sleep stages and were longest during slow wave sleep. This supports the hypothesis that intrinsic timescales are a central mechanism to tune networks to the requirements of different tasks and cognitive states.

研究の動機と目的

• 覚醒状態および睡眠状態下におけるヒト内側巻鉤前頭皮質におけるスパイク活動の内在的時定数を定量すること。
• 内側巻鉤前頭皮質のサブ領域（海馬、扁桃体、傍海馬皮質、内嗅皮質）間で内在的時定数に差異があるかどうかを調査すること。
• 特に慢波睡眠期とレム睡眠期を含む、異なる睡眠段階における内在的時定数の変化を検討すること。
• ラットおよびマカクの非ヒト霊長類における時定数と比較し、進化的・機能的整合性を評価すること。
• 自己相関の整合性およびスパイク数の閾値に基づく厳密な除外基準を用いて、内在的時定数推定の信頼性を検証すること。

提案手法

• てんかんを有する被験者を対象に、覚醒状態および睡眠状態下における内側巻鉤前頭皮質の頭蓋内深部電極を用いてスパイク活動を記録した。
• 4 msのビンサイズで量子化されたスパイク列の自己相関関数を用い、最尤法を用いて内在的時定数を推定した。
• 自己相関関数を指数関数的減衰モデルにフィットさせ、内在的時定数τを推定した。
• 除外基準として、最小1000個の非ゼロ時間ビン、τ > 4 ms、および調整済み決定係数に基づく指数関数的関数の適合が線形関数より優れていること（調整済みR²）を設定した。
• 被験者IDをランダム効果として用いた混合効果分散分析（ANOVA）を用い、睡眠段階およびサブ領域間での時定数を比較した。
• 同じ手法フレームワークを用いて、マカクの前頭前皮質およびラットのCA1領域のデータを再分析し、種間比較を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒト内側巻鉤前頭皮質における内在的時定数は、海馬、扁桃体、内嗅皮質、傍海馬皮質といった異なるサブ領域で変動するか？
• RQ2 ヒトのスパイク活動における内在的時定数は、特に慢波睡眠期とレム睡眠期を含む、異なる睡眠段階でどのように変化するか？
• RQ3 ヒト内側巻鉤前頭皮質における内在的時定数は、ラットやマカクなどの非ヒト霊長類で観察されたものと同程度の大きさと分布を示すか？
• RQ4 自己相関に基づく内在的時定数推定は、ヒト神経データにおいて信頼性があるとされるか？また、その堅牢性を保証する基準は何か？
• RQ5 内在的時定数は、異なる行動状態における認知的要請に応じて神経処理を調整する動的メカニズムを反映しているか？

主な発見

• ヒト内側巻鉤前頭皮質における内在的時定数は、数十〜数100ミリ秒の広範な範囲を示し、海馬、扁桃体、傍海馬皮質、内嗅皮質といったサブ領域間で有意な差異は認められなかった。
• 慢波睡眠期では他の睡眠段階と比較して有意に長い時定数が観察された。これは、時間的統合の状態依存的調節を示唆している。
• 覚醒状態とノンレム睡眠段階の間には、内在的時定数に有意な差異は認められなかったが、慢波睡眠期に最も高いτ値が観察された。
• ヒトにおける内在的時定数の分布は、非ヒト哺乳類で報告されたものと重複しており、種を越えた保存的なメカニズムが存在する可能性を示唆している。
• スパイク数および自己相関の適合度に基づく厳密な除外基準を用いることで、時定数推定の信頼性が確保された。
• 対数変換された時定数は対数正規分布を示し、統計的比較のための対数τに対する混合効果分散分析の適用が正当化された。