[논문 리뷰] Temporal structure in neuronal activity during working memory in Macaque parietal cortex

Bijan Pesaran, John S. Pezaris외 3명|ArXiv.org|2000. 05. 10.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 56인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 마카카 편측피질(LIP)의 단일세포(SU) 및 국소장전위(LFP) 기록에서 50–90 Hz의 감마대역 진동 활동이 작업기억 동안 운동 계획을 인코딩하며, 이 밴드에서 SU와 LFP 활동 간에 유의미한 공진동성을 보임을 밝혀냈다. 연구 결과는 LFP가 기억 및 운동 계획과 관련된 풍부한 시간적 구조를 지니고 있으며, 고립된 SU 활동보다 신경 보철물에 더 접근하기 쉬운 신호임을 시사한다.

ABSTRACT

A number of cortical structures are reported to have elevated single unit firing rates sustained throughout the memory period of a working memory task. How the nervous system forms and maintains these memories is unknown but reverberating neuronal network activity is thought to be important. We studied the temporal structure of single unit (SU) activity and simultaneously recorded local field potential (LFP) activity from area LIP in the inferior parietal lobe of two awake macaques during a memory-saccade task. Using multitaper techniques for spectral analysis, which play an important role in obtaining the present results, we find elevations in spectral power in a 50--90 Hz (gamma) frequency band during the memory period in both SU and LFP activity. The activity is tuned to the direction of the saccade providing evidence for temporal structure that codes for movement plans during working memory. We also find SU and LFP activity are coherent during the memory period in the 50--90 Hz gamma band and no consistent relation is present during simple fixation. Finally, we find organized LFP activity in a 15--25 Hz frequency band that may be related to movement execution and preparatory aspects of the task. Neuronal activity could be used to control a neural prosthesis but SU activity can be hard to isolate with cortical implants. As the LFP is easier to acquire than SU activity, our finding of rich temporal structure in LFP activity related to movement planning and execution may accelerate the development of this medical application.

연구 동기 및 목표

• 마카카 편측피질(LIP 영역)에서 작업기억 동안 신경 활동의 시간적 구조를 조사하기 위해.
• 국소장전위(LFP) 활동이 작업기억 기간 동안 단일세포(SU) 활동과 관련하여 관련된 역학을 반영하는지 확인하기 위해.
• 신경 보철물 응용에서 SU 활동보다 더 접근하기 쉬운 신호로서 LFP의 잠재력을 평가하기 위해.
• 특히 감마대역(50–90 Hz)의 진동 활동이 기억 표현을 유지하는 데 수행하는 역할을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 다중틀레터 스펙트럼 분석을 사용하여 파워 스펙트럼과 SU 및 LFP 신호 간의 공진동성을 추정함으로써, 분산을 줄이고 고해상도 주파수 분석을 가능하게 하였다.
• 스펙트럼 농도를 최적화하고 추정 신뢰도를 향상시키기 위해 Slepian 함수(프로라트 구형 텐퍼)를 사용한 방법을 적용하였다.
• 메모리 기간 동안 지속적인 활동을 평가하기 위해 시험 간에 스펙트럼 파wer와 공진동성을 계산하고 평균화하였다.
• SU 및 LFP 활동 간의 공진동성을 식별하기 위해 교차스펙트럼 분석을 사용하였다.
• 분석은 주로 50–90 Hz 감마대역과 보조적인 15–25 Hz 밴드에 집중하였으며, 기준 고정 기간과의 비교를 포함하였다.
• 스펙트럼 피크 및 공진동성의 통계적 유의성을 순열 검정 및 신뢰구간을 사용하여 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마카카 LIP 영역의 신경 활동은 작업기억 작업의 지연 기간 동안 구조화된 시간적 역학을 보이는가?
• RQ2 작업기억 기간 동안 감마대역(50–90 Hz)에서 단일세포 활동과 국소장전위(LFP) 활동 간에 일관된 관계가 존재하는가?
• RQ3 LFP는 운동 계획 및 기억 유지 정보를 담고 있는가, 특히 감마대역에서 그러한가?
• RQ4 LFP 활동에는 기억-사시드 운동 작업의 서로 다른 단계와 관련된 특정 주파수 밴드가 존재하는가?
• RQ5 LFP 활동은 신경 보철물 제어에서 단일세포 활동의 실질적인 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 메모리 기간 동안 LIP 영역의 단일세포 및 LFP 활동 모두에서 50–90 Hz 감마대역에서 유의미한 스펙트럼 파wer 상승이 관찰되었다.
• 메모리 기간 동안 단일세포 활동과 LFP 간의 공진동성이 50–90 Hz 감마대역에서 유의미하게 증가하여 기능적 결합을 나타내었다.
• SU 및 LFP 양측의 감마대역 활동은 방향에 따라 조절되어 계획된 사시드를 반영하며, 운동 계획을 위한 시간적 코드임을 시사한다.
• LFP에서 2차적인 15–25 Hz 주파수 밴드는 운동 실행 및 준비 과정과 관련된 복잡한 역학을 보였다.
• LFP는 사시드 전·후 기간에 걸쳐 평균 반응과 감마대역 활동의 조절 범위가 넓어졌으며, 이는 공간 신호의 사시드 후 업데이트를 반영할 수 있다.
• LFP에 강력하고 작업 관련 시간적 구조가 존재한다는 점은, LFP가 단일세포 활동보다 더 접근하기 쉬운 신호로서 신경 보철물 응용에 활용될 수 있음을 뒷받침한다.