[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用皮层内记录，量化了清醒和睡眠状态下人类内侧颞叶的尖峰活动固有时间尺度。研究发现时间尺度差异显著（数十至数百毫秒），各亚区之间无显著差异，但慢波睡眠期时间尺度最长，支持固有时间尺度作为动态机制在调节神经处理以适应不同认知状态中的作用。

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.

研究动机与目标

• 量化清醒和睡眠状态下人类内侧颞叶尖峰活动的固有时间尺度。
• 探究内侧颞叶（海马体、杏仁核、旁海马皮层、内嗅皮层）各亚区之间的固有时间尺度是否存在差异。
• 检查固有时间尺度在不同睡眠阶段（尤其是慢波睡眠和快速眼动睡眠）的变化情况。
• 将人类的固有时间尺度与非灵长类动物（大鼠和猕猴）的数据进行比较，评估其进化和功能一致性。
• 通过基于自相关一致性与峰发放计数阈值的严格排除标准，验证固有时间尺度估计的可靠性。

提出的方法

• 使用皮层内深度电极记录癫痫患者在清醒和睡眠状态下内侧颞叶的尖峰活动。
• 基于4 ms时间窗的尖峰发放序列自相关函数，采用最大似然法估计固有时间尺度。
• 通过指数衰减模型拟合自相关函数，以估计固有时间尺度τ。
• 排除标准包括：非零时间窗数不少于1000个，τ > 4 ms，且指数函数拟合的决定系数（调整R²）优于线性函数。
• 采用对数转换τ值的混合效应方差分析比较不同睡眠阶段和亚区的时间尺度，以subjectID为随机效应。
• 使用相同的方法论框架对猕猴前额叶皮层和大鼠CA1区的数据进行再分析，以实现跨物种比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 人类内侧颞叶的固有时间尺度在不同亚区（如海马体、杏仁核、内嗅皮层和旁海马皮层）之间是否存在差异？
• RQ2 人类尖峰活动的固有时间尺度在不同睡眠阶段（尤其是慢波睡眠和快速眼动睡眠）如何变化？
• RQ3 人类内侧颞叶的固有时间尺度在大小和分布上是否与大鼠和猕猴等非灵长类动物观察到的结果相当？
• RQ4 基于自相关函数的固有时间尺度估计在人类神经数据中是否可靠？哪些标准可确保其稳健性？
• RQ5 固有时间尺度是否反映了神经处理动态调节以适应不同行为状态认知需求的机制？

主要发现

• 人类内侧颞叶的固有时间尺度范围广泛，从数十毫秒到数百毫秒不等，各亚区（海马体、杏仁核、旁海马皮层、内嗅皮层）之间无显著差异。
• 与其它睡眠阶段相比，慢波睡眠期的时间尺度显著更长，表明时间整合具有状态依赖性调节。
• 清醒状态与非快速眼动睡眠阶段之间的时间尺度无显著差异，但慢波睡眠期的τ值最高。
• 人类固有时间尺度的分布与非灵长类动物报告的结果重叠，提示跨物种间机制具有保守性。
• 通过基于发放计数和自相关拟合质量的严格排除标准，确保了时间尺度估计的可靠性。
• 对数转换后的时间尺度呈对数正态分布，支持在统计比较中使用对数τ值的混合效应方差分析。