Ondas corticales durante el sueño y la vigilia NREM en humanos, parte 3

El disparo de PY precede al disparo de IN en los picos de ondas corticales

Utilizando grabaciones de conjuntos de microelectrodos de capas granulares/supragranulares de la corteza temporal lateral durante NREM, detectamos ondulaciones (Fig. 11A), así como potenciales de acción, que se clasificaron en aquellos que surgen de supuestas unidades PY o IN únicas. La frecuencia de oscilación de ondulación SD media6 a través de los canales de microelectrodos (N=72) fue de 89,6 6 1.4 Hz, y a través de ondas individuales (N=50,967) fue de 90,{{9} }.2 Hz. Descubrimos que los IN tenían una fuerte tendencia a dispararse en el pico de la onda, mientras que los PY se dispararon poco antes (Fig. 11B).

En la estructura organizativa del cerebro humano, el lóbulo temporal se considera un área importante estrechamente relacionada con la memoria. Se cree que la capa granular de la corteza temporal desempeña un papel crucial en este proceso. Especialmente en el proceso clave de la memoria a corto plazo, el nivel de actividad y el número de la capa granular de la corteza del lóbulo temporal determinarán directamente el rendimiento de la memoria del individuo. Por lo tanto, mantener sanos los gránulos corticales temporales es importante para nuestro cerebro y nuestra memoria.

Entonces, ¿cómo se mantienen sanos los gránulos corticales temporales? En primer lugar, un sueño adecuado puede promover el crecimiento de las neuronas cerebrales y mejorar la estabilidad de los circuitos neuronales, aumentando así el número y la actividad de los gránulos de la corteza temporal. Además, más ejercicio, más aprendizaje y más interacción social también pueden estimular la actividad neuronal en el cerebro y aumentar la cantidad de neuronas, lo que es beneficioso para la salud de los gránulos de la corteza del lóbulo temporal.

Además de los métodos anteriores, también puedes mantener la salud de las partículas de la corteza temporal mediante buenos hábitos alimentarios. Los estudios han demostrado que algunos nutrientes de alimentos como los arándanos, las nueces, el salmón y el bacalao pueden ayudar a mejorar la memoria y las capacidades cognitivas, y también pueden ralentizar el deterioro funcional de los gránulos de la corteza temporal.

En resumen, los gránulos corticales del lóbulo temporal están estrechamente relacionados con la memoria, por lo que es muy importante mantener la salud de los gránulos corticales del lóbulo temporal. Hacer más ejercicio, estudiar más, socializar más, dormir lo suficiente y buenos hábitos alimentarios ayudan a aumentar la cantidad y la actividad de los gránulos en la corteza del lóbulo temporal, mejorando así nuestra capacidad cognitiva y nuestra memoria. Se puede ver que necesitamos mejorar la memoria, y Cistanche deserticola puede mejorar significativamente la memoria porque Cistanche deserticola es un material medicinal tradicional chino que tiene muchos efectos únicos, uno de los cuales es mejorar la memoria. La eficacia de la carne picada proviene de los diversos ingredientes activos que contiene, incluidos ácidos, polisacáridos, flavonoides, etc. Estos ingredientes pueden promover la salud del cerebro de diversas maneras.

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Anteriormente hemos demostrado que los inhumanos, los estados del norte (Csercsa et al., 2010) y los husos (Dickey et al., 2021) están asociados con mayores tasas de disparo de unidades. Dado que las ondas corticales están acopladas con precisión a estos eventos (Fig. 10), su aparición en estados superiores y husos implica una despolarización fásica subyacente, que puede generar oscilaciones de 90 Hz en modelos computacionales y experimentales mediante inhibición por retroalimentación PY-IN (Bazhenov et al., 2008). ; Buzsáki, 2015). La despolarización hace que las células en cesta se activen sincrónicamente, inhibiendo otras células en cesta y pirámides a través de GABAA. Las pirámides se activan durante la recuperación, excitando las células en cesta a medida que se recuperan, lo que lleva a otro ciclo.

Como lo predeciría este modelo, encontramos que los PY y los IN estaban fuertemente sincronizados con las ondas corticales (Fig. 11B), y PY conducía significativamente a picos de IN (Fig. 11C, D). Además, los IN se dispararon en el pico de ondulación, cuando la inhibición somática piramidal sería máxima, como se encontró en los gatos (Grenier et al., 2001). De manera similar, la amplitud de la onda fue mayor en la vigilia que en NREM (Figs. 3B, 8C), lo que coincide con la despolarización relativa del potencial de membrana piramidal durante la vigilia. La despolarización fásica durante las ondas de vigilia también fue sugerida por el aumento de la amplitud de 0,200 Hz (Figs. 2B, J, 3E, 8F). Por lo tanto, las ondas corticales humanas se asocian con fuertes aumentos tónicos y de fase bloqueada en PY y disparo y probablemente se generan por una despolarización repentina que desencadena oscilaciones de retroalimentación PY-IN (Fig. 11E).

Grupo de ondas corticales que se activa con el momento óptimo para STDP

El aumento de la activación de unidades tónicas y de fase bloqueada y la aparición de ondas en los husos en la transición de abajo hacia arriba sugieren que las ondas pueden facilitar la plasticidad cortical (Dickey et al., 2021). Esto podría ocurrir a través de codisparos de latencia corta entre unidades que conducen a STDP. De hecho, encontramos un gran aumento durante las ondas de codisparo de latencia corta (< 5 ms) entre los pares de unidades PY – PY y los pares de unidades PY – IN (Fig. 11F). Específicamente, hubo un aumento en el coencendido durante las ondulaciones versus las no ondulaciones (PY – PY: Aumento de 7.16-veces, p=2 10159,N=4638, t=28.0; PY–IN: Aumento de 9.78-veces, p { {15}} 1099,N=1561, t=22.7; prueba t pareada unilateral). Los períodos de comparación sin ondulaciones fueron épocas seleccionadas al azar entre ondulaciones coincidentes en número y duración.

Para probar si este aumento en el codisparo no se debió simplemente a un aumento en las tasas de disparo generales de las unidades durante las ondas, o incluso a su ritmicidad, sino más bien a una organización específica del codisparo por la fase de los ciclos de ondas individuales, construimos un conjunto de datos de control que consiste en el disparo neuronal durante ondas donde los tiempos de pico se mezclaron aleatoriamente. En comparación con este control aleatorio, hubo un aumento significativo en la codisparo de latencia corta durante las ondas con sus tiempos de pico reales (PY–PY:1.21-aumento de veces, p=1 107, N=4638 ,t=5.2; PY–IN: aumento de 1.15-veces, p=1 107, N=1561, t=5.2, uno- prueba t pareada de lados). Este hallazgo indica que el aumento de la coignición se debe a una organización específica de la coignición por fase de los ciclos de onda individuales. Por lo tanto, las ondas crean una condición necesaria y suficiente para el STDP y, por lo tanto, pueden ser la base de la contribución crucial de estas ondas anidadas a la consolidación (Dickey et al., 2021).

Discusión

El estudio actual proporciona la primera caracterización integral de las ondas corticales durante la vigilia y el NREM en humanos. Utilizando grabaciones intracraneales, informamos que las ondas corticales humanas están muy extendidas durante el NREM además de la vigilia. Las características básicas de la ondulación (tasa de aparición, amplitud, frecuencia de oscilación, duración, distribución a través de áreas corticales) son estereotipadas a través de electrodos y parcelas corticales. También son muy similares en la corteza versus el hipocampo, y en NREM versus la vigilia. La estereotipia de la onda cortical y la ubicuidad entre estructuras y estados sugieren que pueden constituir una entidad neurofisiológica distinta y funcionalmente importante.

Las características de las ondas humanas son similares a las de los roedores con dos excepciones. En primer lugar, la frecuencia central de las ondas humanas es focalmente de 90 Hz (Jiang et al., 2019a), mientras que en los roedores es de 130 Hz (Khodagholy et al., 2017). Es posible que el cerebro humano, de mayor tamaño, requiera más tiempo para la integración corticocortical y del hipocampo-cortical que el cerebro de los roedores. La segunda diferencia aparente entre humanos y roedores está en la distribución cortical. Un estudio anterior con roedores encontró que las ondas corticales estaban restringidas a la corteza de asociación (Khodagholy et al., 2017), y se informaron observaciones consistentes en humanos (Vaz et al., 2019). Por el contrario, registramos ondulaciones corticales en todas las áreas muestreadas, con tasas de aparición ligeramente más bajas en las áreas de asociación, como lo indica la correlación positiva entre la tasa de aparición y el índice de mielinización.

En contraste con las similitudes de las propiedades básicas, encontramos que las ondas en la vigilia versus NREM ocurren dentro de muchos contextos fisiológicos inmediatos diferentes. En NREM, las ondas corticales están fuertemente asociadas con estados bajos y altos locales, y menos fuertemente con los husos del sueño. Característicamente, las ondas ocurren en la pendiente ascendente; 100 ms antes del pico del norte del estado. Estudios anteriores encontraron que los husos de sueño (Dickey et al., 2021) y los estados superiores (Csercsa et al., 2010) están asociados con fuertes aumentos en la activación de unidades locales, y Descubrimos que ese también es el caso de las ondas corticales durante NREM. En estudios anteriores también se encontró que las ondas del hipocampo durante NREM ocurren con frecuencia durante ondas o husos agudos locales (Staresina et al., 2015; Jiang et al., 2019a, b, c).

Dado que los husos del sueño y los estados descendentes a superiores son característicos del NREM, no se esperaría que ocurrieran con las ondas de la vigilia. Aunque no encontramos ninguna otra onda de baja frecuencia asociada consistentemente con ondas durante la vigilia, tanto las ondas corticales como las del hipocampo ocurrieron durante una actividad de amplitud local muy aumentada de 0,200 Hz, un sustituto del disparo de la unidad (Mukamel et al., 2005). Por lo tanto, los contextos locales de las ondas corticales y del hipocampo, tanto en NREM como en vigilia, son aumentos repentinos en la excitabilidad local que duran al menos tanto tiempo como la onda (;70 ms). NREM y la vigilia son diferentes en que el pulso despolarizante está organizado por ritmos endógenos del sueño en NREM, pero parece estar relacionado con entradas exógenas, como una señal de recuperación, durante la vigilia.

Los modelos neuronales computacionales y los estudios experimentales han encontrado que los pulsos despolarizantes pueden inducir oscilaciones de 20 a 160 Hz (Buzsáki y Wang, 2012; Buzsáki, 2015). La despolarización provoca una activación sincrónica de PY, que se inhibe durante un tiempo fijo mediante la inhibición recurrente de las células en cesta locales. Luego, los PY se disparan nuevamente, lo que da como resultado la red de interneuronas piramidal Gamma. Como lo predice este modelo, encontramos una fuerte modulación de fase de ondulación del supuesto PY y la activación interneuronal, con los PY precediendo regularmente a los IN. Nuestros hallazgos también son consistentes con la red de interneuronas piramidales gamma complementada con activación sincronizada de células en cesta e inhibición mutua (interneuronas de red gamma) (Bartos et al., 2002). La demostración mecanicista definitiva requeriría experimentos que actualmente no son posibles in vivo en humanos (Stark et al., 2014).

Estudios anteriores han demostrado que se producen ondas corticales en los picos del norte y del huso en gatos (Grenier et al., 2001) y ratas (Khodagholy et al., 2017), y se producen explosiones g parahipocampales de diversas frecuencias en estados superiores en humanos (Le Van Quyen et al. ., 2010). Aquí informamos relaciones similares en humanos, consistentes con un hallazgo previo de que las ondas corticales durante el NREM humano se suprimen durante los estados bajos y aumentan después (von Ellenrieder et al., 2016).

El papel fundamental de las ondas del hipocampo de los roedores en la consolidación de la memoria durante NREM (Girardeau et al., 2009) depende de su asociación con las ondas corticales del sueño (husos, estados inferiores y superiores) (Siapas y Wilson, 1998; Maigret et al., 2016; Latchoumaneet al. ., 2017). En los seres humanos, las ondas del hipocampo también se asocian con las ondas del sueño (Staresina et al., 2015; Latchoumane et al., 2017; Jiang et al., 2019a, b), y las ondas del sueño corticales también se asocian con la consolidación (Niknazar et al., 2015). Por lo tanto, nuestra observación de que las ondas corticales humanas durante NREM están fuertemente asociadas con los estados superiores, y menos fuertemente con los estados inferiores y los husos, es consistente con el papel de las ondas corticales humanas en la consolidación. Esto está respaldado por un estudio reciente que muestra que las ondas corticales durante NREM marcan la repetición de patrones motores aprendidos durante el despertar anterior (Rubin et al., 2022).

La consolidación requiere plasticidad para aumentar la fuerza de las conexiones que encarnan la memoria, lo que puede ocurrir cuando las células presinápticas y postsinápticas se activan en estrecha proximidad temporal, lo que se denomina STDP (Feldman, 2012). Aquí mostramos que es mucho más probable que las neuronas locales se disparen en retrasos óptimos para STDP durante las ondas que en los períodos de control, y que la codisparo se organiza más allá de lo que se esperaría por un aumento general en la activación de neuronas. También se observa un aumento similar durante los husos del sueño y los estados superiores en humanos (Dickey et al., 2021). Dado que también demostramos que las ondas corticales NREM están coordinadas temporalmente con los husos y estados superiores del sueño, esto respalda la facilitación sinérgica de la plasticidad. Por lo tanto, múltiples características de las ondas corticales son consistentes con su papel en la consolidación, pero la confirmación directa de este papel requerirá intervenciones que no se realizaron en el estudio actual.

Recientemente, se demostró que las ondas corticales humanas al despertar marcan patrones de activación espaciotemporal durante el recuerdo con pistas de elementos que reproducían aquellos evocados previamente por los mismos elementos durante su presentación inicial (Jiang et al., 2017). Esto sugiere la posibilidad de que las ondas, en humanos y roedores, NREM y vigilia, el hipocampo y la corteza, compartan un papel común al contribuir a la reconstrucción de patrones de activación que ocurrieron previamente. Las características similares de las ondas humanas, en NREM y la vigilia, el hipocampo y la corteza , son consistentes con esta especulación.

Informes anteriores en roedores (Khodagholy et al., 2017) y humanos (Vaz et al., 2019) de que las ondas corticales estaban restringidas a la corteza de asociación también se interpretaron como consistentes con una interacción selectiva de las ondas corticales con el hipocampo. Sin embargo, en nuestra muestra más extensa de los sitios corticales, observamos una menor densidad de ondulación en la corteza asociativa superior. Además, no encontramos ninguna relación entre las parcelas corticales entre su grado de conectividad con la formación del hipocampo (inferida a partir de imágenes de difusión) (Rosen y Halgren, 2021) y la densidad de ondulación cortical o cualquier otra característica de ondulación. De hecho, en otros trabajos, hemos demostrado que es más probable que las ondas corticales coexistan y se bloqueen en fase con otros sitios corticales además del hipocampo (Dickey et al., 2022). Por tanto, el papel funcional de las ondas corticales puede no limitarse a la consolidación de la memoria y el recuerdo.

En conclusión, el presente estudio proporciona el primer informe sobre las ondas corticales durante el sueño en humanos. Se descubrió que las ondas corticales durante el NREM tienen características básicas (duración, frecuencia de oscilación y tasa de aparición) que son muy similares a las de las ondas corticales durante la vigilia, así como a las ondas del hipocampo. Las frecuencias de oscilación de la ondulación cortical se enfocaron estrechamente en; 90 Hz. Este hallazgo, junto con su estereotipia y ubicuidad en estructuras y estados, sugiere que las ondas corticales pueden constituir una entidad neurofisiológica distinta y funcionalmente importante.

La activación de unidades durante las ondas NREM corticales humanas respaldó el mecanismo propuesto para las ondas del hipocampo de roedores, basado en la retroalimentación PY-IN. Las ondas corticales durante el NREM ocurren característicamente después de los estados bajos, durante los husos y poco antes del pico del estado superior, una asociación y un momento que son importantes para la consolidación de los recuerdos durante el sueño. Además, las ondas corticales NREM se asociaron con un aumento del codisparo local entre unidades, cumpliendo así un requisito fundamental para el STDP. Sin embargo, las ondas corticales estaban muy extendidas en las parcelas corticales, independientemente de su probable conectividad con el hipocampo. En general, estas características de las ondas corticales durante el NREM humano son consistentes con un papel que incluye, entre otros, la consolidación de la memoria dependiente del sueño.

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