使用脑内ERP识别的人类快速视觉识别记忆系统

文献：Despouy, E., Curot, J., Deudon, M., Gardy, L., Denuelle, M., Sol, J.-C., … Barbeau, E. J. (2019). A Fast Visual Recognition Memory System in Humans Identified Using Intracerebral ERP. Cerebral Cortex, 00, 1-11. doi:10.1093/cercor/bhz287 

原文

1.文章概述 ¶

在调查我们的视觉世界时检索到的⼀项关键信息是物体是否熟悉。然⽽，内侧颞叶结构的各⾃作⽤尚未达成共识，特别是周围⽪层（PRC）和海⻢体。PRC和海马体都积极参与加工识别记忆，但它们各自的角色存在争议。PRC病变会导致视觉识别记忆严重丧失，且比内侧颞叶其他区域损伤的影响更严重。而海马体病变的患者显示似乎不需要海马体来执行视觉识别记忆任务。

已有研究认为PRC和熟悉有关，而海马体和回忆有关。但癫痫患者的EEG记录中显示海马体可能与熟悉程度有关。

本文考虑了PRC是否可以⽀持独⽴于海⻢体的快速识别记忆系统。

PRC可以⽀持快速识别记忆系统，绕过海⻢体。

  1. PRC 应该在最快的⾏为反应之前表现出识别记忆活动，⽽海⻢体应该表现出活动发⽣得太晚，⽆法与这些相同的⾏为反应相关联。

  2. 绕过海⻢体的快速识别记忆回路的假设在逻辑上也预设了与内侧颞叶以外的⼤脑区域的识别记忆过程相关的早期活动，以解释决策、信⼼判断和运动活动等过程。

2.实验 ¶

14个药物难治性癫痫患者，和14个健康人（对照组，比较行为反应）

每名患者都接受了针对癫痫发作区单独定制的特定植⼊（即，患者没有系统地在 PRC 和海⻢体中植⼊电极）。每名患者植入8-13个电极。

侵入性电极：SEEG（stereoelectroencephalography）

植入前进行MRI扫描，植入后进行CT扫描，将术前 MRI 和术后 CT 图像融合并标准化到蒙特利尔神经学研究所 (MNI) 脑图谱，以准确定位每个接触。

使用两个同步64通道采集系统（SystemPlus Evolution，SD LTM 64 EXPRESS，Micromed，法国）。患者1和患者2，采样率为256 Hz，其他患者为1024或2048 Hz（抗混叠滤波器：分别为115.8、463.3和926.7 Hz；高通滤波器：0.15 Hz）。在记录之前的6小时内，没有患者出现癫痫发作。

使⽤了视觉识别记忆任务，即速度和准确度提升 (SAB) 程序，该程序要求受试者使⽤他们在先前研究中评估的最快策略。

  • 编码阶段

30个试验特异性刺激（目标）在灰色屏幕中央单独呈现至少3秒（自定速度）。被试的任务是记住所有刺激。

比较患者组和健康组的呈现时间，无显著差异。

  • 分散注意力阶段

被试观看了⼀个带声⾳的动画视频 3 分钟。

  • 识别记忆阶段

参与者必须识别编码阶段的刺激，目标刺激中穿插了30个新的刺激。要求被试尽可能快速准确地回答。

基于患者的认知能力，设置了500和800ms之间的反应截止时间。反应是go-no go 设计。

反应类型：

go: 在截至之前对目标刺激作出反应，是hit;对干扰项反应，是false alarm。

no go:截止前没有反应，刺激是干扰项，是正确拒绝（CR）；刺激是目标项，是miss。

图1

为了评估主题的表现，为每位参与者计算了 d prime（区分能⼒）。为了估计识别⽬标所需的最⼩处理时间，通过确定正确的 go 响应（hit）开始显著超过错误 go 响应（false alarm）的延迟来计算最⼩⾏为反应时间 （minRT）。对于每个被试，使⽤了30 ms的bin和Fisher的精确测试（P < 0.05），⾄少两个显著的连续bin。

降采样256Hz，使用MATLAB toolbox EEGlab v12.0.2.6b计算0-800ms，200ms预刺激基线的ERP。初步目视检查去除伪迹，平均14%的伪迹被去除。使用配对双尾排列检验比较hit和CR反应的ERPs。

对线性分类器进行训练，以区分电极子集上未过滤iEEG信号的单个试验时间段（4 ms）中的hit和CRs。通过对分类器在多个随机数据分割上的表现求平均值，得出准确的测量值。这种类型的解码分析表征类别信号的时间变化。每个输入（电极电位）通过0到1之间的标准化提前在试验中进行标准化。使用liblinear的线性支持向量机（SVM）分类器作为分类器。使用随机欠采样法在数据库中平衡了hit和CR的总数。

为了避免过度拟合，使用了嵌套交叉验证。将数据库分为3个内部折叠和3个外部折叠。3个内部褶皱用于调整模型的C参数。然后，在剩余的外部褶皱上评估最佳模型的准确性。重复此过程，直到所有外部折叠被用作测试集。通过这样的过程，算法在整个数据库上进行了测试.

MVPA在2个相邻连接点上计算，展示PRC和海马体的最高振幅。

使⽤ ERP 图像图探讨了事件相关 EEG 分段的试验到试验差异。

为了将被试的反应和大脑活动关联，将单个试验根据感兴趣的反应时间延迟进行分类。使用z分数将振幅正态化，进行极性校正来合并不同的ERP图像。

因此，这些振幅正态化和极性校正的ERP被⽤于相关分析。由于可以观察到不同的相关模式（图4），因此制定了两个指标。在PRC，没有观察到与纠正的ERP发病的相关性，同时建议与ERP的⻓度相关。

平均50个试验的每个bin的持续时间，汇集被试反应时的相关性。

在SMA（辅助运动区），可以观察到与正确的的ERP启动的相关性。因此，使⽤引起反应的启动时间作为我们的衡量标准，然后平均每个试验箱的这些启动延迟，因为总体试验较少，再次汇集到各被试之间。

海马体没有这种响应启动和反应时间的相关性。

在区分目标物和干扰项的能力以及最小反应时上，2组被试没有差异。

在PRC和海马体两个结构中，在hit和CR反应之间有差异活动，PRC的差异活动早于海马体。(Fig. 2b)

使用MVPA研究单个trial中的信息区分hit和CR，在PRC和海马体的2个相邻接触点计算，2个结构的最大精度峰值相似，但是PRC显著早于海马体。在PRC结构，解码启动早于最小反应时270ms；而海马体，仅19ms。(Fig. 2d)

图2

⼤脑的许多区域显示出hit和CRs之间的差异活动，说明他们参与了识别记忆。

图3a

选择符合标准的74个点。标准：1） 在同⼀区域显示类似波形和延迟的 ERP;2） 以焦点⽅式⽣成，相邻接触与/或陡峭电压梯度和相邻接触之间的⾼压波动之间的极性反转就证明了这⼀点：3） 呈现hit和CR之间的差异活动；;4） 在14 名患者中，每个地区⾄少涉及3 名患者，以确保连续性，但 SMA 除外，因为此结构中电极植⼊的稀缺性。

图3b

PRC是第一个发生差异活动的结构，也是持续时间最长的。SMA是第二个，最后发生差异活动的结构是内侧颞叶的其他区域，包括杏仁核、海马体、颞极和前扣带。

图3C

ERP的第⼀个负波被锁定在PRC刺激表现上，这表明该地区存在部分外源性反应，这与PRC处理感官信息的观点⼀致，并且与视觉腹侧通路密切相关。在这个区域，第⼀个负波的持续时间与反应时间相关。在SMA中，负波的启动似乎与反应时间有关，相⽐之下，海⻢与反应时间没有明显的关系。

图4

在这项研究中，我们可以识别⼀个快速的视觉识别记忆系统。该系统的核⼼组成部分是PRC。此外，海⻢不太可能在这个快速系统中发挥作⽤。

PRC是快速识别记忆任务中展现hit和CR差异活动的区域，且这种差异活动发生地比大脑其他区域都要早。且在行为反应之前的大脑活动被发现和反应时有关，SMA的活动也与反应时有关。

而海马体的差异活动开始的很晚，比PRC晚270ms。这强烈⽀持了PRC参与快速系统，⽽海⻢体则涉及⼀个不同、速度慢得多的系统的观点。且海马体的活动开始的太晚，甚至晚于有些患者的行为反应。但是PRC和海马体的解码水平相似，同时涉及2个结构的解码似乎没有提高解码精度，说明PRC和海马体对识别记忆做出了独立贡献，但是时间框架不同。

额叶和顶叶也出现差异活动，在PRC之后，海马体之前。这些额叶和顶叶区域的参与也符合在与海⻢活动相关的第⼆个系统之前激活快速识别记忆系统的概念。换句话说，它与快速识别记忆中涉及的⼤脑区域回路⼀致。

PRC和海马体可能数以2个完全不同的系统。本文揭示了⼀个两阶段的模型，其中PRC最初参与早期发现熟悉的物体，然后激活其他额叶和顶叶⽪质区域。从本质上讲，这种快速识别记忆系统具有很强的⽣态价值，因为这是⼀⽬了然地可能⽤来做出反应的系统。我们认为，此腹腔（perirhinal）信号是⾃动的，与检索更精细记忆所需的计算相⽐，成本相对较⾼。从这个意义上说，它可能也不同于解决更复杂的识别内存任务所需的其他信号（例如，记住/知道或过程分离程序）。在这个初始阶段之后，海⻢和其他MTL区域被激活，可能对神经计算模型中假设的识别记忆做出定性上不同的贡献，并可能更有信⼼。

这两个阶段可能对应于两个根本不同的认知实体：快速系统与世界的相互作⽤相关（即处理环境中存在的即时相关刺激），⽽较慢的系统将与从记忆中检索其他信息有关。

  • 编码阶段的上下文集成

识别中使用上下文不是那么有用，因为在编码阶段减少了上下文的影响。而记忆任务中对上下⽂的引⽤通常被认为取决于海⻢体。因此可以说这项研究中评估了⼀个⾮常基本的过程，即识别记忆的基础。

  • 海马体和快速识别记忆的关系

因为只进行了激活反应和MVPA分析，海马体没有ERP信号不代表没有参与快速识别记忆。

目前的研究支持了快速识别记忆不需要海马体的观点，但是需要使用新的实验条件和其他分析来进一步揭示海马体是否参与快速识别记忆。