位相と振幅の結合は、内在的な空間組織によって結びつけられているが、刺激に関連した発散的な変化を示す

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Neuroimage.2020 Jun;219:117051. S1053-8119(20)30537-1. doi: 10.1016/j.neuroimage.2020.117051.Epub 2020-06-12.

位相と振幅の結合は、内在的な空間組織によって結びつけられているが、刺激に関連した発散的な変化を示す

Phase- and amplitude-coupling are tied by an intrinsic spatial organization but show divergent stimulus-related changes.

Parham Mostame
Sepideh Sadaghiani

PMID: 32540356 DOI: 10.1016/j.neuroimage.2020.117051.

抄録

機能的接続性(FC)は、神経コミュニケーションの窓を提供すると考えられており、脳機能と認知の研究の中心的な焦点となっています。しかし、電気生理学的に大規模なFCをどのように概念化するかについては、コンセンサスが得られていません。位相結合（PhC）は、2つの信号の位相間の結合として定義され、リズミカルな振動周期の同期を反映しています。逆に、振幅結合（AmpC）は、2つの信号のエンベロープ間の結合として定義され、活性化振幅の相関を反映しています。異なる電気生理学的特性を定量化しているにもかかわらず、PhCとAmpCの関係はほとんど知られていません。我々は、術前モニタリングを受けている18人の患者（女性8人）の心電図（ECoG）を使用して、キューベースの運動タスク中に、5つの正則周波数帯にわたるPhCとAmpCの間の空間的および時間的対応を評価した。PhCとAmpCの空間パターンの間の有意な対応は、すべての被験者と周波数帯（シータのためのR≈0.50、周波数の増加に伴って減少）にわたって刺激処理中に検出された。刺激前後の間隔に等しく存在するFCの部分を考慮すると、交差測定の空間相関はほぼ完全に消失し、空間相関は刺激処理とは無関係に内在的FCを反映していることを示唆している。刺激に関連した処理はPhCとAmpCの両方を変調させたが、空間的には独立した方法であった。線形時間相関を調べたところ、PhCとAmpCの間に線形依存性を示す証拠は見出されなかった。我々の知見の頑健性を支持するために、6人の被験者からなる第2のECoGデータセットの動詞生成タスクに結果を拡張した。我々は、PhCとAmpCは空間を越えて内在性FCを同様に反映しているが、刺激に関連したFCの変化は空間と時間を越えて発散していると結論づけた。

Functional connectivity (FC), thought to provide a window into neural communication, has become a core focus in the study of brain function and cognition. However, there is no consensus on how to conceptualize large-scale FC in electrophysiology. Phase coupling (PhC), defined as coupling between the phases of two signals, reflects the synchronization of rhythmic oscillation cycles. Conversely, amplitude coupling (AmpC), defined as coupling between the envelopes of two signals, reflects correlation of activation amplitude. Despite quantifying different electrophysiological properties, the relationship between PhC and AmpC remains largely unknown. We assessed spatial and temporal correspondence between PhC and AmpC over 5 canonical frequency bands during a cue-based motor task using electrocorticography (ECoG) in 18 patients (8 females) undergoing presurgical monitoring. Significant correspondence between the spatial pattern of PhC and AmpC was detected during stimulus processing across all subjects and frequency bands (R ≈ 0.50 for theta, decreasing with increasing frequency). The cross-measure spatial correlation vanished almost entirely when accounting for the portion of FC equally present during pre- and post-stimulus intervals, suggesting that the spatial correlations reflect intrinsic FC independent of stimulus processing. Stimulus-related processing modulated both PhC and AmpC, however in a spatially independent manner. Examining the linear temporal correlation, we found no evidence for linear dependence between PhC and AmpC. Supporting the robustness of our findings, results extended to a verb generation task in a second ECoG dataset of 6 subjects. We conclude that PhC and AmpC reflect intrinsic FC similarly across space, but exhibit divergent stimulus-related FC changes over space and time.