Paper: Fischer P et al. Movement-related coupling of human subthalamic nucleus spikes to cortical gamma. 2020, eLife, 9:e51956.
DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.51956.
Time: Monday, 17th August, 2020, 8:00 PM (Beijing time), 8:00AM (EDT), 5:00AM (PDT), 1:00 PM (BST)
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Speaker
Petra Fischer, Postdoctor Research Fellow
MRC Brain Network Dynamics Unit
University of Oxford
Petra joined Peter Brown’s group as a D.Phil. student in 2014, and defended her thesis in November 2017, when she began work as a Postdoctoral Neuroscientist in the Unit. Petra is especially interested in information processing for flexible motor control within cortico-basal ganglia-thalamo-cortical loop circuits. Her work is motivated by the motor control impairments that can be observed in Parkinson’s or Huntington’s disease as a result of basal ganglia dysfunction. Some clinical symptoms, such as rigidity, freezing of gait or dyskinesia, seem to result from a failure of volitional commands to selectively activate and inhibit appropriate motor assemblies. Petra aims to understand the mechanisms behind these failures, and the principles of information flow in these circuits, by analysing electrophysiological data from tasks probing cognitive aspects of motor control.
Abstract
Cortico-basal ganglia interactions continuously shape the way we move. Ideas about how this circuit works are based largely on models those consider only firing rate as the mechanism of information transfer. A distinct feature of neural activity accompanying movement, however, is increased motor cortical and basal ganglia gamma synchrony. To investigate the relationship between neuronal firing in the basal ganglia and cortical gamma activity during movement, we analysed human ECoG and subthalamic nucleus (STN) unit activity during hand gripping. We found that fast reaction times were preceded by enhanced STN spike-to-cortical gamma phase coupling, indicating a role in motor preparation. Importantly, increased gamma phase coupling occurred independent of changes in mean STN firing rates, and the relative timing of STN spikes was offset by half a gamma cycle for ipsilateral vs. contralateral movements, indicating that relative spike timing is as relevant as firing rate for understanding cortico-basal ganglia information transfer.
Host
Institute of Science and Technology for Brain-inspired Intelligence (ISTBI), Fudan University
istbi.fudan.edu.cn
Organizers
Xinyi Geng, Postdoctoral researcher at ISTBI, Fudan University
Huiling Tan, Associate Professor, University of Oxford
Junhong Zhou, Hinda and Arthur Marcus Institute for Aging Research, Instructor in Medicine, Harvard Medical School, Beth Israel Deaconess Medical Center, Harvard University
文章解读
★ 编者按 ★
运动障碍疾病是神经系统疾病中最为常见的一类，虽然对于运动功能已有众多科学家多年广泛、深入的研究，但是对于运动控制的神经生理学机制，以及运动障碍疾病的发病机制仍有诸多未知问题尚未解决，尤其对于人的手部精细运动控制的基底节-皮层环路神经机制，限于神经信号采集通常依赖于开颅手术进行，未能得到充分的探究与了解。本文基于前期研究发现的运动时该环路中多个节点均出现明显的gamma神经活动的现象，结合该环路以神经元放电频率作为信息传输机制的工作模型，对基底节神经元放电的时间特性、频率特性和皮层gamma神经振荡之间的关系进行了研究，揭示了基底节-皮层之间的gamma相位耦合参与运动控制的可能机制。
摘 要
01
皮层-基底节的交互作用塑造了我们运动的方式。以往对该环路工作原理的模型大多基于仅将神经元放电频率作为信息传输的机制，然而在运动产生时常伴随出现明显的神经活动特征，表现为运动皮层与基底节的gamma神经振荡同步。为探索运动产生时基底节的单神经元放电与皮层gamma神经活动的关系，本文分析了在被试进行手部抓握动作时，人脑的ECoG（皮层脑电）与STN（丘脑底核）单神经元放电活动。结果显示，快速反应时先于STN单神经元放电与皮层gamma振荡之间的相位耦合升高，表明了该环路在运动准备中的作用。重要的是，gamma振荡相位耦合的升高是不与STN平均放电率相关的，此外，相比于同侧运动与对侧运动，STN放电时刻对应的gamma振荡相位具有半个周期的偏差，这也说明，放电的相对时刻与放电率一样，也参与了皮层-基底节环路的信息传输。
关键词
丘脑底核
gamma神经振荡
尖峰放电耦合
相干通信
ECoG，抓握任务
研究背景
02
以往研究中发现，对侧肢体运动发生是在人脑的基底节、丘脑、运动皮层中都能够记录到gamma频段的神经振荡（约60-90Hz）。根据相干通信原理中，gamma同步可能是区域间相互作用耦合的关键，而耦合作用是通过长时间抑制与短时间兴奋实现的，体现了神经传输的高效性、精确性、选择性。神经元放电活动的同步能够激发目前尚未知的神经网络，实现运动执行，而帕金森病人在服用左旋多巴药物后引起的异动则伴随着STN与运动皮层间的过度同步化gamma振荡。前期研究表明，STN放电节律与皮层振荡的相位耦合（低于gamma频率的频段）会出现在运动起始前，但是整体的平均放电率却保持不变。这一研究说明，基底节放电的精确时间模式与皮层的神经集群活动有关，也提示研究者可以从此处着手，理解基底节是如何贡献于运动控制功能的。然而，目前针对基底节参与运动准备和执行的研究，大多聚焦在放电率上，而对于gamma耦合及其通过门控（神经）活动参与运动控制却知之甚少，尽管该现象在其他相关领域如视觉信息的时间整合和工作记忆编码中的研究有显著进展。
研究问题
03
本文研究STN放电与皮层gamma振荡的相位耦合能够预测对侧肢体运动起始的时间（快慢），以及起始运动的动力（vigour）。文章还进一步研究STN放电的时间特性，是否仅在参与对侧肢体的运动控制时起到促进皮层gamma神经振荡的作用。
研究难点
04
针对本文需要回答的问题，实验设计需要同步记录来自脑深部核团STN和皮层的神经活动，为研究增加了难度；由于电生理记录的需要，实验需要在深部脑刺激（DBS）手术中进行，需要据此调整实验难度，减少时间延长和伤口暴露带来的手术风险。在数据分析方面，需要能够保留较高的时间分辨率的分析方法；而STN微电极与皮层电极的定位在个体之间的差异也可能为研究结果带来较大的影响。
创新性与意义
05
文本创新性是对参与运动的神经环路上的重要节点——基底节与运动皮层之间如果实现信息传输进行了探究，基于gamma相位耦合的信息传输机制，发现不仅仅是基底节的放电率，还有放电的时间模式都参与了基于gamma相位耦合的运动控制。这为理解运动环路的信息传输增加了重要的神经生理学基础，同时，对于理解疾病状态下异常运动的产生机制也具有重要价值，为未来开发精确时间控制、任务控制的闭环神经调控技术提供了新思路。
研究方法
06
本文记录12位帕金森病患者在深部脑刺激（DBS）手术术中的STN微电极记录和运动皮层ECoG信号。患者手术前停药一晚，患者在术中单手持握力计，进行持续时间不小于100ms，用力不少于个人最大握力10%的抓握任务。运动任务采用Go-noGo的方式进行，并在正确操作后给予文字奖励视觉反馈。
信号预处理后选取至少8个试次抓握任务的数据进行后续分析，最终包括来自12位被试的28段数据，其中12段单神经元放电和16段多神经元放电信号，包括19±8试次对侧运动和18±9试次同侧运动。
STN放电信号使用主成分分析方法进行峰电位分类（spike sorting）；信号通过窄带滤波和希尔伯特变换进行幅度与相位信息提取，按照通用频段定义，将信号划分为theta 5-8Hz、alpha 8-12Hz、低beta 12-20Hz、高beta 20-30Hz，以及gamma在40-150Hz范围内，以10Hz为步进、20Hz为带宽的11个子频段。
计算STN放电与皮层神经振荡之间的锁相值（PLV）用来量化两者之间的相位耦合程度。该值的计算首先将ECoG信号对应STN放电时的相位表示为单位圆上的向量，再对所有向量进行加和平均。即：
此外，为了抵消样本量差异的影响，当样本量（此例中，即识别出的的STN放电峰电位）超过50时，采用配对相位一致性（pairwise phase consistency，PPC）替代PLV。
该值相当于对大样本量下的PLV进行了无偏估计。在计算相位耦合程度时，为了能够聚焦在事件发生的时刻周围，将每个任务试次划分为4个子段，分别是“左右手动作提示——Go提示”，“Go提示——抓握动作开始提示”，“抓握动作开始提示——结束提示”，“抓握动作结束提示——0.4s后”，各个子段的时间长度可能不同，将每个子段均分为8个时间点，如此一个试次即包含29个时间点（即5个“事件标记”时刻与6×4=24个“事件间隔内”时刻）。采用这样的方式划分时间，可以对任务的不同事件分别进行研究，比如对比在运动或提示开始时是否具有锁相，而不是把任务看做单一事件。最终围绕每个时刻，选择0.3s窗长内不少于50个峰电位，统一各个时刻点峰电位数量的样本量进行后续耦合强度的计算，以消除不同样本量对结果的影响。
除相位耦合程度外，文章还统计了每个时刻点周围0.3s窗长内的平均放电率、峰值间隔的变异系数、峰值间隔模式和放电簇占比。
ECoG电极使用术中x-射线影像与术前MRI、术后CT的融合进行定位，将相邻电极信号差分得到双极形式的ECoG信号，选择在对侧运动起始时刻周围[-0.1s，0.4s]窗 长内、60-80Hz频段的PLV值最高的电极信号，进行后续分析。
文章采用基于集群的排列检验（Cluster-based permutation test）进行统计显著性分析。采用Pearson相关系数分析耦合程度与反应时的线性相关程度。
在分析STN放电时刻是否集中与ECoG gamma振荡的某个相位上时，由于ECoG采用差分双极方式处理，信号的相位可能由于差分的减数与被减数先后不同产生“反相”作用，在具体分析中发现30kHz采样率记录的ECoG信号会包含比gamma频段更高的（约300Hz）振荡成分，为了消除该影响，统一相位表述，如果该成分出现在gamma频段的谷值处，则对信号进行手动反相处理。
最后，文章分析了对侧肢体运动和同侧肢体运动两种情况下，STN放电与皮层gamma振荡耦合的相位偏好差别，以及在运动任务的不同子事件之间是否具有差别。
研究结果
07
(1) STN放电与皮层gamma耦合现象，在皮层上具有显著的区域分布特性。本文结果显示，耦合强度高的区域集中在皮层外侧前中回，即初级手部运动皮层所在的区域，并且对侧肢体运动时更集中。
(2）在运动起始时刻，STN放电与皮层gamma振荡有显著的相位耦合，且普遍存在于所有记录中。而STN的放电率在运动任务的不同事件之间，没有明显变化。
(3）STN放电与皮层gamma振荡的耦合程度与运动反应速度相关，耦合程度越强，反应越快。
(4）STN放电时刻受到皮层gamma振荡相位的调制，对比对侧肢体运动与同侧肢体运动两种情况，STN放电时刻具有不同的相位偏好，且大约相差半个gamma周期（即反相）。
结 论
08
结果显示，先于STN单神经元放电与皮层gamma振荡之间的相位耦合强度，在快速反应时明显升高，表明了该环路在运动准备中的作用。gamma振荡相位耦合的升高不与STN平均放电率相关。此外，相比于同侧运动与对侧运动，STN放电时刻对应的gamma振荡相位具有半个周期的偏差，这也说明，放电的相对时刻与放电率一样，也参与了皮层-基底节环路的信息传输。
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编译作者：耿馨佚
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