θ波振荡支持前额叶-海马体在序列工作记忆中的交互作用
海马前额叶交互支持序列工作记忆的θ振荡研究
学术背景
背外侧前额叶皮层 (dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC) 和海马在序列工作记忆 (sequential working memory) 中起着关键作用，但具体的交互机制尚不明确。以往研究表明，这两个脑区通过θ振荡在情景记忆和空间导航中进行交互，但在工作记忆中的具体作用亟待进一步探讨。一些研究发现，海马和前额叶皮层的θ相干性与学习空间和物体的情景有关，而病变或功能障碍会影响此类记忆能力。此次研究的目的即是探讨DLPFC与海马在实时处理序列表现中的交互机制，以期揭示其具体作用。
论文来源
本文发表于《Neurosci. Bull.》，其主要作者为Minghong Su、Kejia Hu、Wei Liu、Yunhao Wu等。作者分别来自中国科学院心理研究所、上海交通大学附属瑞金医院等机构。文章于2023年10月17日在线发表。
研究流程和实验细节
研究对象与方法
研究对象为20名癫痫患者（8女，年龄27.6±8.2岁），这些患者在接受瑞金医院功能神经外科中心治疗期间进行了立体电极脑电图(seeg)记录。这些记录覆盖了DLPFC和海马。研究中使用了一项线条排序任务，患者被要求按顺时针顺序排列线条，并在短暂延迟后记住其方向。
实验流程
本实验具体包括以下步骤：
线条排序任务： 参与者需要在3分钟的练习阶段后完成4至6个实验区块，每个区块持续9分钟。每个区块包含交错进行的32个排序试验和32个随机试验。
数据收集与预处理： 通过seeg数据采集患者脑电图数据，并进行预处理。目标区域为DLPFC和海马，共收集到56个海马位点和43个DLPFC位点的数据。
时频分析 (Time-Frequency Representations, TFRs) ： 使用Morlet小波变换分析获取不同任务阶段内的功率谱。
相位相干性分析： 利用虚部相干方法 (Imaginary coherence method) 分析不同脑区之间的θ相位相干性数据。
格兰杰因果关系分析 (Granger causality analysis) ： 通过时间域内的因果关系分析方法，识别DLPFC与海马之间的方向性影响。
实验结果
任务表现
任务表现结果显示，参与者在随机试验中的思考时间明显长于排序试验，同时召回错误率也更高。这表明，随机排序任务对工作记忆的要求更高。
θ功率与任务表现的关系
研究发现，海马在编码阶段的瞬时θ功率增加与任务表现密切相关。相比之下，DLPFC在编码和延迟阶段的θ功率增加更为持续。对于任务表现较好的试验，海马的低频θ (2.5–5 Hz) 功率对于任务表现尤为关键。此外，研究还发现，海马与DLPFC之间的θ相位相干性在随机试验中显著增强，尤其对记忆精确度更高的试验尤为明显。
θ频段内方向性影响
格兰杰因果关系分析显示，在随机任务中，DLPFC对海马的影响比海马对DLPFC的影响更显著。这与前面提到的相干性增强结果相对应，表明DLPFC在处理序列信息时对海马的控制作用更加强烈。
研究的结论与意义
这项研究中发现的θ振荡支持了DLPFC与海马在序列工作记忆中的交互作用。这一发现强化了前额叶皮层与海马在编码和操控序列信息时的重要性，并揭示了这种交互可能通过竞争排队机制来实现。这对于理解工作记忆中的神经机制及其应用具有重要意义，进一步的研究可深入探讨这一机制的具体神经元活动和解剖基础。
研究亮点
- 重要发现：研究首次明确了DLPFC与海马通过θ振荡进行交互，在实时处理序列工作记忆中的重要性。
- 任务表现与脑电活动的关系：揭示了海马和DLPFC在不同任务阶段的θ功率动态变化与记忆精度的关系，强化了对于任务表现的理解。
- 方向性影响：格兰杰因果关系分析首次表明，DLPFC对海马有显著影响，具体展示了脑区交互的方向性。
其他有价值的信息
这项研究不仅为我们理解脑区在工作记忆中的作用提供了新的见解，还可能对脑疾病的诊疗提供新的思路，比如通过调节θ振荡改善记忆功能。目前研究的局限在于未能区分海马前后部的不同作用，未来研究有望进一步细化这一问题，为全面理解海马在记忆中的作用奠定基础。
总结
本研究创新性地揭示了DLPFC与海马之间通过θ振荡进行交互在序列工作记忆中的重要作用。这一发现为工作记忆的神经机制研究提供了新的证据，也为未来的临床应用和基础研究提供了新的方向。