[论文解读] Entrainment of traveling waves to rhythmic motor acts

Joaquín Rapela|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2016

Neural dynamics and brain function参考文献 37被引用 4

一句话总结

本研究表明，节奏性言语产生可使腹侧感觉运动皮层（vSMC）中的低频脑振荡节律化，诱导相位同步、与高 gamma 活动的相位-振幅耦合（PAC），以及行进波（TWs）。关键的是，行进波组织了 PAC，使得动作电位活动（反映在高 gamma 振幅中）在行为相关的时刻于空间位置之间实现同步，首次提供了证据表明，运动行为可在多个层次上结构性地组织神经振荡——包括相位、振幅耦合和波传播。

ABSTRACT

We hypothesized that rhythmic motor acts entrain neural oscillations in speech production brain regions. We tested this hypothesis in an experiment where a subject produced consonant-vowel (CV) syllables in a rhythmic fashion, while we performed ECoG recordings. Over the ventral sensorimotor cortex (vSMC) we detected significant concentration of phase across trials at the specific frequency of speech production. We also observed amplitude modulations. In addition we found significant coupling between the phase of brain oscillations at the frequency of speech production and their amplitude in the high-gamma range (i.e., phase-amplitude coupling, PAC). Furthermore, we saw that brain oscillations at the frequency of speech production organized as traveling waves (TWs), synchronized to the rhythm of speech production. It has been hypothesized that PAC is a mechanism to allow low-frequency oscillations to synchronize with high-frequency neural activity so that spiking occurs at behaviorally relevant times. If this hypothesis is true, when PAC coexists with TWs, we expect a specific organization of PAC curves. We observed this organization experimentally and verified that the peaks of high-gamma oscillations, and therefore spiking, occur at the same times across electrodes. Importantly, we observed that these spiking times were synchronized with the rhythm of speech production. To our knowledge, this is the first report of motor actions organizing (a) the phase coherence of low-frequency brain oscillations, (b) the coupling between the phase of these oscillations and the amplitude of high-frequency oscillations, and (c) TW. It is also the first demonstration that TWs induce an organization of PAC so that spiking across spatial locations is synchronized to behaviorally relevant times.

研究动机与目标

• 调查节奏性运动行为（如辅音-元音（CV）音节产生）是否能使人脑中的神经振荡节律化。
• 确定在言语产生区域是否存在低频振荡与高 gamma 活动之间的相位-振幅耦合（PAC）。
• 检查在节奏性言语产生期间，腹侧感觉运动皮层（vSMC）是否出现行进波（TWs）。
• 检验假设：行进波通过组织 PAC，使动作电位活动在行为相关的时刻于皮层区域之间实现同步。
• 建立运动节律、振荡动力学与言语产生中神经活动时空协调之间的神经生理学联系。

提出的方法

• 在受试者左半球进行高密度皮层脑电图（ECoG）记录，采集其在不同频率下进行节奏性 CV 音节产生的数据。
• 使用跨试验一致性（ITC）量化低频振荡（1–10 Hz）相位对言语产生节律的对齐程度。
• 应用事件相关谱扰动（ERSP）检测与言语节律锁定的高 gamma 频段（60–200 Hz）的振幅调制。
• 使用调制指数（MI）计算相位-振幅耦合（PAC），评估低频相位与高 gamma 振幅之间的耦合强度。
• 通过分析电极间相位在时空上的进展，绘制行进波（TW）动力学，识别在 vSMC 上传播的波前。
• 通过显示 PAC 峰值与波前对齐，验证行进波的功能意义，确保在言语节律时间点，电极间动作电位活动实现同步。

实验结果

研究问题

• RQ1 节奏性运动行为（如 CV 音节产生）是否能使人脑中的低频神经振荡节律化？
• RQ2 在言语产生期间，vSMC 中是否存在低频振荡与高 gamma 活动之间显著的相位-振幅耦合（PAC）？
• RQ3 在节奏性言语产生期间，vSMC 是否出现行进波（TWs），其空间组织方式如何？
• RQ4 行进波的存在是否组织了 PAC，使得高 gamma 振幅峰值（及动作电位）在行为相关的时刻于皮层各点同步出现？
• RQ5 所观察到的神经动力学——相位对齐、PAC 和行进波——是否可与节奏性运动行为中神经动作电位协调的功能机制相联系？

主要发现

• 在所有试验中，言语产生频率处观察到显著的跨试验一致性（ITC），表明 vSMC 中低频振荡的相位与言语节律对齐。
• 高 gamma 振幅（60–200 Hz）与言语节律呈相位调制，其功率峰值出现在低频周期的特定相位。
• 在 vSMC 中稳健检测到相位-振幅耦合（PAC），调制指数（MI）量化了低频相位与高 gamma 振幅之间耦合的强度。
• 观察到行进波（TWs）在 vSMC 上传播，具有从腹侧到背侧电极的一致时空进展。
• PAC 曲线在电极间表现出有序的相位偏移，与波前进展一致，确保高 gamma 峰值（及动作电位）在行为相关的时刻于空间上同步出现。
• 在行进波存在的情况下，PAC 的组织证实了空间位置之间的神经动作电位与言语产生的节律同步，支持 PAC 在时间协调中的功能作用。