[论文解读] Temporal structure in neuronal activity during working memory in Macaque parietal cortex

Bijan Pesaran, John S. Pezaris+3 more|ArXiv.org|May 10, 2000

Neural dynamics and brain function参考文献 56被引用 5

一句话总结

本研究揭示，在猕猴顶叶皮层（LIP）的单细胞（SU）和局部场电位（LFP）记录中，50–90 Hz的伽马 band 振荡活动编码了工作记忆期间的运动计划，且该频段内SU与LFP活动表现出显著的相干性。研究结果表明，LFP携带了与记忆和运动计划相关的丰富时间结构，相较于孤立的SU活动，其作为神经假肢信号更具可及性。

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.

研究动机与目标

• 研究猕猴顶叶皮层（LIP区）在工作记忆过程中神经活动的时间结构。
• 确定局部场电位（LFP）活动是否在工作记忆期间反映与任务相关的动力学，尤其是与单细胞（SU）活动的关系。
• 评估LFP作为神经假肢应用中比SU活动更具可及性的信号的潜力。
• 探讨振荡活动（尤其是50–90 Hz的伽马 band）在维持记忆表征中的作用。

提出的方法

• 采用多窗谱分析方法估计功率谱和SU与LFP信号之间的相干性，实现高分辨率频谱分析并降低方差。
• 该方法采用Slepian函数（椭球形波形窗）以优化谱集中度，提高连续LFP和点过程脉冲数据的估计可靠性。
• 在记忆延迟任务的整个记忆期，对多个试验的谱功率和相干性进行计算并取平均，以评估持续活动。
• 采用互谱分析计算SU与LFP活动之间的相干性，识别功能耦合的频带。
• 分析聚焦于50–90 Hz的伽马 band 和次要的15–25 Hz频带，并与基线固定期进行比较。
• 通过置换检验和置信区间评估谱峰和相干性的统计显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 猕猴LIP区的神经活动在工作记忆任务的延迟期是否表现出结构化的时间动力学？
• RQ2 在工作记忆期间，单细胞活动与局部场电位（LFP）活动在50–90 Hz伽马 band 是否存在一致关系？
• RQ3 LFP是否携带有关运动规划和记忆维持的信息，特别是在伽马 band 中？
• RQ4 LFP活动是否存在与记忆-扫视任务不同阶段相关的特定频带？
• RQ5 LFP活动能否作为神经假肢控制中单细胞活动的可行替代信号？

主要发现

• 在LIP区的单细胞和LFP活动中，记忆期50–90 Hz伽马 band 的谱功率显著升高。
• 在记忆期，单细胞活动与LFP在50–90 Hz伽马 band 的相干性显著增强，表明存在功能耦合。
• SU和LFP中的伽马 band 活动具有方向选择性，反映了计划的扫视，提示其作为运动规划的时间编码。
• LFP中的次要15–25 Hz频带表现出与运动执行和准备过程相关的复杂动力学。
• LFP在扫视前后表现出对平均反应和伽马 band 活动的展宽调谐，可能反映了空间信号的扫视后更新。
• LFP中存在稳健且与任务相关的时序结构，支持其作为比单细胞活动更具可及性的神经假肢应用信号。