《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Human hippocampal theta–gamma coupling coordinates sequential planning during navigation
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本文通過(guò)腦磁圖（MEG）和抽象導(dǎo)航任務(wù)研究發(fā)現(xiàn)，在目標(biāo)導(dǎo)向的導(dǎo)航過(guò)程中，人腦海馬體（Hippocampus）的θ波功率與當(dāng)前目標(biāo)距離相關(guān)，而θ-γ相位振幅耦合（PAC）則隨接近目標(biāo)而增強(qiáng)，揭示了不同γ波段分別支持記憶提取（慢γ）與前瞻性規(guī)劃（快γ）的機(jī)制，表明海馬體θ-γ PAC是跨物種、跨認(rèn)知域編碼序列信息的通用原理。
行為表現(xiàn)
研究招募了23名參與者，在腦磁圖（MEG）掃描儀內(nèi)完成一項(xiàng)抽象導(dǎo)航任務(wù)。參與者需在一個(gè)固定的4×4圖片網(wǎng)格上移動(dòng)，以盡可能少的步驟找到每輪指定的目標(biāo)圖片。參與者快速學(xué)習(xí)了地圖布局，隨后能高效地在起點(diǎn)和終點(diǎn)間導(dǎo)航。具體而言，路徑曲折度（實(shí)際步數(shù)與最短可能路徑步數(shù)之比）和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間（導(dǎo)航到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間）隨著任務(wù)進(jìn)行、參與者逐步體驗(yàn)了地圖上所有可能的轉(zhuǎn)移路徑后迅速下降。開始移動(dòng)前的計(jì)劃時(shí)間也隨著即將行進(jìn)路徑的熟悉度增加而減少，表明參與者規(guī)劃熟悉路線耗時(shí)更短。同樣，導(dǎo)航中每次按鍵的執(zhí)行時(shí)間也隨著對(duì)每次轉(zhuǎn)移的先前經(jīng)驗(yàn)而減少。總體而言，參與者在86.7% ± 2.18%的試驗(yàn)中選擇了“正確”（即最短）路徑，且在這些正確試驗(yàn)中的反應(yīng)時(shí)略快于錯(cuò)誤試驗(yàn)。這些結(jié)果證明參與者快速掌握了地圖結(jié)構(gòu)，并能夠準(zhǔn)確規(guī)劃和執(zhí)行通往指定目標(biāo)位置的新路徑和熟悉路徑。
規(guī)劃期間海馬體θ波功率編碼目標(biāo)距離
工作記憶維持的理論模型表明，θ波功率應(yīng)與序列長(zhǎng)度呈線性增加。與此假設(shè)一致，先前顱內(nèi)腦電圖（EEG）研究顯示，人腦海馬復(fù)合體θ波功率在導(dǎo)航期間隨著到隱藏目標(biāo)的距離增加而增加。為探究相同神經(jīng)機(jī)制是否支持目標(biāo)導(dǎo)向?qū)Ш街械男蛄幸?guī)劃，研究分析了在3秒提示期間（目標(biāo)位置顯示在屏幕上）所有MEG傳感器信號(hào)的頻譜內(nèi)容，聚焦于與人類空間認(rèn)知相關(guān)的2-5 Hz θ頻段。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于前期基線，2-5 Hz θ波功率在提示期最初1秒達(dá)到峰值。對(duì)3秒窗口內(nèi)2-5 Hz θ波功率進(jìn)行源定位，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)以前額葉皮層為中心的大簇，并延伸至雙側(cè)內(nèi)側(cè)顳葉和海馬體。
接下來(lái)，為檢驗(yàn)此振蕩信號(hào)是否支持即將進(jìn)行的空間軌跡規(guī)劃，研究在“正確”試驗(yàn)中，將θ波功率與到目標(biāo)位置的步進(jìn)距離進(jìn)行了協(xié)變分析。這揭示了右側(cè)內(nèi)側(cè)顳葉存在一個(gè)顯著簇，并在預(yù)定義的右側(cè)海馬體感興趣區(qū)內(nèi)通過(guò)了簇水平統(tǒng)計(jì)閾值。在錯(cuò)誤試驗(yàn)中重復(fù)此分析，則未在全腦水平或同一海馬體感興趣區(qū)內(nèi)識(shí)別到顯著簇。進(jìn)一步從右側(cè)海馬體感興趣區(qū)提取平均θ波功率分析顯示，在正確試驗(yàn)中，θ波功率隨起點(diǎn)到目標(biāo)位置的最短路徑長(zhǎng)度增加而顯著降低，但在錯(cuò)誤試驗(yàn)中則無(wú)整體變化。這與假設(shè)相符，即較長(zhǎng)序列導(dǎo)致γ活動(dòng)在每個(gè)低頻周期內(nèi)分布更廣，從而引發(fā)更大的θ波功率。重要的是，此效應(yīng)并非由功率譜的非周期性斜率或誘發(fā)反應(yīng)的θ波段振幅變化所驅(qū)動(dòng)。此外，與先前研究不同，未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離對(duì)θ波功率的調(diào)制強(qiáng)度在海馬體前部和后部之間存在差異。
研究進(jìn)一步探究目標(biāo)距離在θ波段振蕩中的編碼是否同等來(lái)源于新路徑規(guī)劃和先前執(zhí)行路徑的提取。將正確試驗(yàn)按新路徑和先前遍歷路徑拆分后進(jìn)行相同線性回歸分析，結(jié)果顯示θ活動(dòng)與目標(biāo)距離之間的顯著關(guān)系僅出現(xiàn)在先前遍歷的路徑中。這表明，空間規(guī)劃期間目標(biāo)距離的θ波功率編碼主要反映了對(duì)先前經(jīng)驗(yàn)的導(dǎo)航軌跡的提取。
導(dǎo)航期間海馬體θ波功率編碼目標(biāo)距離
研究接著探究θ波功率與目標(biāo)距離的關(guān)系是否在整個(gè)導(dǎo)航過(guò)程中持續(xù)存在。首先檢查了參與者在地圖上移動(dòng)時(shí)，每次按鍵前后振蕩功率的平均變化。觀察到在每次按鍵周圍2秒窗口內(nèi)，與靜止基線期相比，θ波功率在平移運(yùn)動(dòng)前后約1秒窗口內(nèi)達(dá)到峰值。接著，在排除最后一步（目標(biāo)在屏幕上可見）后，提取導(dǎo)航期間每次按鍵周圍2秒內(nèi)所有傳感器在低θ和高θ波段的平均功率。在正確試驗(yàn)中，隨著接近目標(biāo)，低θ和高θ波段的平均功率迭代下降，但在錯(cuò)誤試驗(yàn)中此效應(yīng)一致性較差。
為識(shí)別此信號(hào)的來(lái)源，在“正確”試驗(yàn)中，將剩余步進(jìn)距離與每個(gè)源體素的θ波功率進(jìn)行協(xié)變分析。這揭示了在低θ和高θ波段，雙側(cè)顳葉區(qū)域存在兩個(gè)顯著簇，且均在預(yù)定義的雙側(cè)海馬體感興趣區(qū)內(nèi)通過(guò)了簇水平統(tǒng)計(jì)閾值。進(jìn)一步從同一雙側(cè)海馬體感興趣區(qū)提取平均θ功率分析顯示，在正確試驗(yàn)中，雙側(cè)海馬體內(nèi)θ功率與剩余目標(biāo)距離存在顯著正相關(guān)。在兩種情況下，θ功率僅在正確試驗(yàn)中隨著接近目標(biāo)而迭代下降，且θ功率與目標(biāo)距離的關(guān)系在正確與錯(cuò)誤試驗(yàn)間存在顯著差異。再次確認(rèn)此效應(yīng)并非由功率譜非周期性斜率或誘發(fā)反應(yīng)θ波段振幅的變化所驅(qū)動(dòng)，且未發(fā)現(xiàn)海馬體前、后部在目標(biāo)距離對(duì)θ調(diào)制的強(qiáng)度上存在差異。
最后，研究試圖確認(rèn)目標(biāo)距離的θ功率編碼是否主要出現(xiàn)在遍歷先前路徑的導(dǎo)航過(guò)程中。然而，在導(dǎo)航期間，觀察到雙側(cè)海馬體2-5 Hz θ功率與剩余目標(biāo)距離之間，對(duì)于新路徑和先前遍歷路徑均存在顯著正相關(guān)。類似地，雙側(cè)海馬體6-9 Hz θ功率與目標(biāo)距離之間，對(duì)于新路徑和先前遍歷路徑也都存在顯著正相關(guān)。這表明，主動(dòng)導(dǎo)航期間海馬體θ功率對(duì)即將進(jìn)行的空間軌跡的編碼并不依賴于所經(jīng)路徑的先前經(jīng)驗(yàn)。
θ-γ相位振幅耦合介導(dǎo)空間規(guī)劃
接下來(lái)，研究探究θ振蕩的相位是否調(diào)節(jié)了并發(fā)γ波段活動(dòng)的振幅，以組織導(dǎo)航中的序列規(guī)劃。根據(jù)此假說(shuō)，編碼較長(zhǎng)序列對(duì)應(yīng)于γ功率在θ相位上更廣泛的分布，因此應(yīng)與θ-γ相位振幅耦合（TG-PAC）強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。因此，研究檢驗(yàn)了TG-PAC是否隨著接近目標(biāo)、需要在記憶中保持的即將到達(dá)的位置序列越來(lái)越短而增加。分析聚焦于在先前嚙齒動(dòng)物和人類記憶研究中顯示具有不同功能的低γ和高γ波段。
首先，研究了導(dǎo)航中隨著接近目標(biāo)，2-5 Hz θ相位與70-140 Hz快γ振幅之間TG-PAC的動(dòng)態(tài)變化。將步進(jìn)距離與每個(gè)源空間體素的TG-PAC進(jìn)行協(xié)變分析，在正確試驗(yàn)中揭示了右前顳葉存在一個(gè)顯著簇，并在預(yù)定義的右側(cè)內(nèi)嗅皮層感興趣區(qū)內(nèi)通過(guò)了簇水平統(tǒng)計(jì)閾值。進(jìn)一步從右側(cè)內(nèi)嗅皮層感興趣區(qū)提取TG-PAC估計(jì)值并進(jìn)行線性回歸，在正確試驗(yàn)中觀察到TG-PAC與目標(biāo)距離之間存在相同的負(fù)相關(guān)，但在錯(cuò)誤試驗(yàn)中則無(wú)。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航中θ-快γ相位振幅耦合與目標(biāo)距離之間的這種關(guān)系存在于新路徑中，但不存在于先前遍歷的路徑中。這與先前描述在編碼新信息期間，起源于內(nèi)嗅皮層的θ和快γ波段活動(dòng)之間相位振幅耦合增強(qiáng)的嚙齒動(dòng)物電生理學(xué)研究一致。
其次，研究了2-5 Hz θ相位與30-70 Hz慢γ振幅之間的TG-PAC。雖然在全腦水平包含所有正確試驗(yàn)時(shí)未觀察到任何顯著簇，但識(shí)別出在右側(cè)海馬體存在一個(gè)簇，顯示僅在遍歷先前經(jīng)驗(yàn)的路徑時(shí)，TG-PAC與目標(biāo)距離呈負(fù)相關(guān)。從右側(cè)海馬體感興趣區(qū)提取TG-PAC估計(jì)值進(jìn)行回歸分析顯示，對(duì)先前遍歷的路徑存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但對(duì)新路徑則無(wú)，且前者的強(qiáng)度顯著強(qiáng)于后者。這與先前描述在順序再激活先前學(xué)習(xí)信息期間，起源于海馬體內(nèi)的θ和慢γ波段活動(dòng)之間相位振幅耦合增強(qiáng)的嚙齒動(dòng)物電生理學(xué)研究一致。
總之，導(dǎo)航中隨著接近隱藏目標(biāo)，海馬復(fù)合體內(nèi)的TG-PAC動(dòng)態(tài)增強(qiáng)。這與假說(shuō)一致，即在記憶中保持更長(zhǎng)的項(xiàng)目序列（即更多有待遍歷的位置）對(duì)應(yīng)于γ功率在每個(gè)θ周期內(nèi)分布更廣，因此TG-PAC更低。此外，研究發(fā)現(xiàn)起源于內(nèi)嗅皮層和海馬體的不同快、慢γ波段分別支持新路徑的前瞻性規(guī)劃和先前遍歷路徑的提取。
