[논문 리뷰] Intrinsic timescales of spiking activity in humans during wakefulness and sleep

Annika Hagemann, Marcel Stephan Kehl외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 20.

EEG and Brain-Computer Interfaces인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 수면 중인 인간의 내측 temporal lobe에서의 신경화상 활동의 내재적 시간스케일을 인트라크라니얼 기록을 통해 정량화한다. 다양한 시간스케일(수십 밀리초에서 수백 밀리초)을 보이며, 하위 영역 간 유의미한 차이는 없지만, 느린파동 수면 중에 가장 긴 시간스케일을 나타내어 내재적 시간스케일이 인지 상태에 맞추어 신경 처리를 조절하는 동적 메커니즘으로 기능할 수 있음을 지지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수면 중인 인간의 내측 temporal lobe에서의 신경화상 활동의 내재적 시간스케일을 정량화하기 위해.
• 내측 temporal lobe의 하위 영역(hippocampus, amygdala, parahippocampal cortex, entorhinal cortex) 간 내재적 시간스케일이 다를지 조사하기 위해.
• 특히 느린파동 수면과 REM 수면에서 내재적 시간스케일이 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.
• 비인간 체계(쥐와 매크라크)에서의 내재적 시간스케일과 비교하여 진화적 및 기능적 일관성을 평가하기 위해.
• 자기상관 일致성 및 스파이크 수 임계값을 기반으로 한 엄격한 배제 기준을 사용하여 내재적 시간스케일 추정의 신뢰성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 뇌전증 환자에서 수면 중 및 각성 상태에서 내측 temporal lobe의 인트라크라니얼 깊이 전극을 사용해 신경화상 활동을 기록하였다.
• 4 ms의 bin 크기를 사용하여 정렬된 스파이크 트레인의 자기상관 함수에 최대우도 추정법을 적용하여 내재적 시간스케일을 추정하였다.
• 자기상관 함수를 지수 감쇠 모델로 피팅하여 내재적 시간스케일 τ를 추정하였다.
• 배제 기준으로는 최소 1000개의 비영점 시간 bin, τ > 4 ms, 그리고 조정된 R² 기반으로 지수 함수가 선형 함수보다 더 좋은 피팅을 보일 것임을 포함하였다.
• 수면 단계와 하위 영역 간 시간스케일을 비교하기 위해 로그 변환된 τ를 사용한 혼합효과 ANOVA를 적용하였으며, subjectID를 무작위 효과로 설정하였다.
• 비슷한 방법론 프레임워크를 사용하여 원숭이 prefrontal cortex와 쥐의 CA1에서의 데이터를 재분석하여 종 간 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인간 내측 temporal lobe의 내재적 시간스케일은 해마, 편도체, 보조해마 피질, 임파티널 피질 등의 하위 영역 간에 다를까?
• RQ2 인간의 스파이크 활동에서 내재적 시간스케일은 특히 느린파동 수면과 REM 수면에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 인간 내측 temporal lobe의 내재적 시간스케일은 쥐와 원숭이 등 비인간 체계에서 관찰된 것과 크기와 분포 측면에서 유사한가?
• RQ4 자기상관 기반 내재적 시간스케일 추정은 인간 신경 데이터에서 신뢰할 수 있으며, 어떤 기준이 강건성을 보장하는가?
• RQ5 내재적 시간스케일은 다양한 행동 상태에서 인지 요구에 맞추어 신경 처리를 조절하는 동적 메커니즘을 반영하는가?

주요 결과

• 인간 내측 temporal lobe의 내재적 시간스케일은 수십 밀리초에서 수백 밀리초에 이르는 넓은 범위를 보이며, 하위 영역 간에 유의미한 차이는 없었다 (해마, 편도체, 보조해마 피질, 임파티널 피질).
• 느린파동 수면 동안 다른 수면 단계에 비해 시간스케일이 유의미하게 길었으며, 이는 시간적 통합의 상태 의존적 조절을 시사한다.
• 각성 상태와 비-REM 수면 단계 간에는 내재적 시간스케일에 유의미한 차이가 없었지만, 느린파동 수면에서 가장 높은 τ 값이 관찰되었다.
• 인간의 내재적 시간스케일 분포는 비인간 체계에서 보고된 것과 겹치며, 종 간 보존된 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 스파이크 수와 자기상관 피팅 품질 기반의 엄격한 배제 기준을 통해 시간스케일 추정의 신뢰성이 확보되었다.
• 로그 변환된 시간스케일은 로그정규분포를 보였으며, 이는 통계적 비교를 위해 로그-τ에 혼합효과 ANOVA를 사용하는 것이 타당함을 정당화한다.