Neural synchronization of human frontoparietal cortex

人类额顶皮层的神经同步

基本信息

  • 批准号:
    8542898
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 7.56万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-09-10 至 2015-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): Neural activity persists during the maintenance of working memory (WM) representations and is thought to integrate perception and action over time and across brain areas through the coordination of multiple neural systems. Yet, there is a fundamental gap in understanding the neural mechanisms by which WM coordinates large-scale brain networks. This gap in knowledge is a critical problem because a host of psychiatric and neurologic symptoms stem from a primary WM dysfunction. The long-term goal of this work is to understand the mechanisms by which high-level cognition emerges through the temporal integration of sensory and motor functions across the cortex. The proposal's objective is to test new models of how the synchronization of neuronal oscillations may provide a neural mechanism for structuring recurrent interactions between different nodes in neural networks that support cognition. The central aim of the project is to test several critical predictions from recet theories of the role of neural oscillations and synchrony in high-level cognition using intracrania electroencephalography (iEEG) recordings from the prefrontal and posterior parietal cortices of human patients with pharmacologically intractable epilepsy. The rationale for the proposed research is that, as we better understand the mechanisms by which nodes in large-scale networks interact to give rise to high-level cognition, we will then be able to devise strategies fr understanding the basis, treatment, and prevention of mental disease. The objective will be to test, refine, and possibly refute, tenets of neural synchronization theories and will be accomplished by pursuing three specific aims: 1) Identify the frequencies at which neural oscillations persist during WM maintenance; 2) Test if WM maintenance enhances oscillatory frontal-parietal coupling; and 3) Determine how neural oscillations in different frequency bands interact. Strong preliminary data based on neural activity recorded from subdural electrodes on the surface of the frontal and parietal cortices of patients performing a memory guided saccade task demonstrate the feasibility of project aims in the applicant's hands. Under aim 1, gamma and alpha band oscillations were delay period (i.e., WM related) as well as spatially selective (i.e., contralateralized). Under aim 2, neural oscillations in frontal and parietal cortex synchronized during WM maintenance. Under aim 3, the phase of low frequency oscillations modulated the power of high frequency oscillations during WM maintenance. The approach is innovative because it capitalizes on an extremely rare population of patients with subdural electrodes over frontal and parietal cortex and relies on iEEG recording of neural signals that have the requisite sensitivity and temporal resolution to directly test recent theories of neural synchronization. The proposed research is significant because it is expected to test critical models of how neural oscillations structure computation and communication in the human brain thereby providing a thorough theoretical framework within which clinical researchers can develop strategies for the diagnosis and treatment of psychiatric and neurologic disorders.
描述(由申请人提供):在维持工作记忆(WM)表示过程中,神经活动持续存在,并被认为通过多个神经系统的协调来整合随时间和大脑区域的感知和行动。然而,了解WM协调大型大脑网络的神经机制存在根本差距。知识的差距是一个关键的问题,因为许多精神病和神经系统症状源于主要的WM功能障碍。这项工作的长期目标是了解通过在皮质上的感觉和运动功能的时间整合出现高级认知的机制。该提案的目标是测试新模型的神经元振荡的同步如何提供一种神经机制,以在支持认知的神经网络中不同节点之间构建复发性相互作用。该项目的核心目的是通过使用脑室内脑术(IEEG)录音(IEEG)从前侧面和后侧面和后侧面皮层的药理学性癫痫发作的脑震荡(IEEG)记录来测试有关神经振荡和同步在高水平认知中的作用的重新预测的几个关键预测。拟议研究的理由是,由于我们更好地了解大规模网络中的节点相互作用以引起高级认知的机制,因此,我们将能够制定策略,理解策略,以了解基础,治疗和预防精神疾病。目的是测试,完善或可能反驳神经同步理论的宗旨,并通过追求三个具体目标来实现:1)确定在WM维持期间神经振荡持续存在的频率; 2)测试WM维护是否增强了振荡性额叶 - 顶轴耦合; 3)确定不同频带中的神经振荡如何相互作用。根据从执行记忆引导的扫视任务的患者表面和顶叶皮层表面上记录的基于神经活动的强大初步数据,证明了项目的可行性在申请人的手中。在AIM 1下,伽马和α带振荡是延迟周期(即与WM相关)以及空间选择性(即对侧化)。在AIM 2下,在WM维护过程中同步的额叶和顶叶皮层的神经振荡。在AIM 3下,低频振荡的阶段调节了WM维护过程中高频振荡的功率。这种方法具有创新性,因为它利用了额叶和顶叶皮层上的极罕见的硬膜下电极的患者人群,并依靠IEEG记录神经信号,这些神经信号具有必要的灵敏度和时间分辨率,以直接测试最近神经同步的理论。拟议的研究很重要,因为有望测试神经振荡如何在人脑中结构计算和交流的关键模型,从而提供了一个彻底的理论框架,其中临床研究人员可以在其中制定策略来诊断和治疗精神病和神经系统疾病。

项目成果

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