Hranic, v Systémech Neurovědy

Úvod

široce zastávaný názor, o prefrontální kůra (PFC) je funkce, která kóduje úkol relevantní informace v pracovní paměti (Goldman-Rakic, 1987; Miller a Cohen, 2001; Baddeley, 2003). Tento účet pochází z desetiletí práce, která vykazovala silnou nervovou aktivitu v PFC během doby zpoždění pracovních paměťových úkolů (Fuster a Alexander, 1971; Funahashi et al., 1993a; Wilson et al., 1993; Levy a Goldman-Rakic, 2000)., Tato aktivita zpoždění má dvě klíčové vlastnosti. Za prvé, je specifický pro zapamatovaný podnět, který je v souladu s ním, který obsahuje informace o obsahu pracovní paměti. Za druhé, kóduje pouze podněty, které jsou relevantní pro daný úkol: je odolný vůči distraktorům (Miller et al., 1996; Sakai et al., 2002) a úloha irelevantní informace nejsou kódovány v pracovní paměti (Rainer et al., 1998). Tyto vlastnosti aktivity zpoždění byly pozorovány na úrovni jednoho neuronu u opic i ve větším měřítku ve studiích zobrazování u lidí (Courtney et al.,, 1998; Zarahn et al., 1999; Curtis et al., 2004). U opic udržují jednotlivé neurony zaznamenané z PFC stimulační informace po celou dobu zpoždění, i když jsou rušivé podněty prezentovány uprostřed zpoždění (Miller et al., 1996). Zpoždění doba aktivity je, že odrážejí podnět v současné době v paměti (Fuster, 1973; Funahashi et al., 1993a; Wilson et al., 1993; Procyk a Goldman-Rakic, 2006). U lidí více studií používajících různé zobrazovací techniky také prokázalo zvýšení aktivity zpoždění v PFC., Například pomocí funkční magnetické rezonance (fMRI) trvalé aktivace byla měřena v laterálním PFC, zatímco předměty uchovávány prostorové umístění v pracovní paměti přes zpoždění několika sekund (Courtney et al., 1998).

nutnost PFC zpoždění aktivity pro pracovní paměť je prokázána tím, že studie ukazují, že léze na PFC produkovat silné deficity v pracovní paměti úkoly jak u opic (Fuster a Alexander, 1971; Bauer a Fuster, 1976; Funahashi et al., 1993b; Wilson et al., 1993; Levy a Goldman-Rakic, 2000) a lidé (Müller et al.,, 2002; Tsuchida and Fellows, 2009; Voytek and Knight, 2010). Kromě toho narušení aktivity zpoždění s mikrostimulací zvyšuje rychlost chyb (Wegener et al., 2008). Kromě toho, čím delší je zpoždění, tím větší chybovost, v souladu s poruchou pracovní paměti udržet stimul informace. Tyto nálezy tvořily základ pro převažující názor, že PFC je místo, kde informace o podnět, mít na paměti je uloženo v pracovní paměti (pro nedávné recenzi, viz D’Esposito a Postle, 2015)., Nicméně, nedávno tam byl rostoucí tělo práce, která má vyvolat pochybnosti o této teorii (Druzgal a D’Esposito, 2001; Curtis a D’Esposito, 2003; Postle et al., 2003; Ranganath et al., 2004; Sreenivasan et al., 2014a, b; Postle, 2015). V této mini-revizi budeme stručně diskutovat o důkazech proti převládající teorii a přezkoumat vznikající důkazy pro alternativní návrh role PFC v pracovní paměti.

je PFC místem úložiště pracovní paměti?,

Některé z prvních důkazů, že v rozporu názor, že PFC představuje stimul informace v pracovní paměti přišel z neurozobrazování studie u lidí. Výzkumníci ukázali, že zpoždění doba aktivity v PFC neměl kódovat informace o specifické podněty, které jsou drženy v pracovní paměti (Curtis a D’Esposito, 2003; Riggall a Postle, 2012), zatímco opak platí pro zadní smyslové oblasti (Ester et al., 2009; Harrison and Tong, 2009; Serences et al., 2009; Emrich et al., 2013). Tato zjištění jsou důležitá, protože potvrzují, že PFC je aktivní během období zpoždění., Naznačují však také, že PFC neobsahuje informace o stimulu, jak by se očekávalo, kdyby PFC bylo místem ukládání pracovní paměti. Kromě důkazů ze zobrazovacích studií bylo hlášeno, že léze PFC ne vždy zhoršují ukládání pracovní paměti. Pacienti s velkými léze lokalizovaná na laterální PFC neprokázaly žádné deficity v testech verbální paměti a rozpětí nebo opožděné uznání (D’Esposito a Postle, 1999). Podobný výsledek byl nalezen u opic s lézemi ventrálního PFC (Rushworth et al., 1997).,

Ve snaze sladit tyto neshodné nálezy, Curtis a D’Esposito (2003) navrhuje alternativní roli pro zpoždění doba aktivity v PFC: „PFC neukládá reprezentace minulosti smyslové události nebo budoucí reakce. Místo toho, jeho aktivace je extra-mnemotechnická pomůcka zdroj z top-down ovlivnění kontrolu nad zadní regiony, které skutečně uložit reprezentace.“Podobný návrh předložil Postle (2006) na základě podobné řady důkazů ze studií léze, zobrazování a elektrofyziologie., Ve své vlivné recenze Postle argumentoval, že „uchování informace v pracovní paměti je spojené s trvalou činnost ve stejné oblasti mozku, které jsou zodpovědné za reprezentaci, že informace v non-pracovní paměť situacích“; to znamená, „že PFC není substrátem pro skladování informace v pracovní paměti.“(Postle, 2006) místo toho by podle Postle mohl být příspěvek PFC k pracovní paměti kterýkoli z řídicích procesů (např.), které jsou také nutné při provádění úlohy pracovní paměti.,

donedávna však pro podporu těchto názorů existovalo jen málo elektrofyziologických důkazů. V rané studii, Lebedev et al. (2004) cvičené opice udržet prostorové umístění v pracovní paměť, zatímco oni se zúčastnili také do jiného umístění, která by poskytovala jít cue pro výrobu saccade do pamatoval umístění. Našli dvě populace neuronů v PFC: jedna populace kódované místo, kde opice se účastní, zatímco ostatní populace kódovaného prostorové umístění v pracovní paměti (Lebeděv et al., 2004)., Jednalo se o jednu z prvních demonstrací, že neurony PFC mohou hrát jinou roli v úkolu pracovní paměti, který není přísně udržován sám o sobě. Další důkazy pro alternativní roli PFC v pracovní paměti úkoly, pochází z nedávné práce, ve kterých vědci použili mnohorozměrné vzor analýzu neuronální údaje zaznamenané během plnění zpoždění spárované-přiřadit úkol (Stokes et al., 2013). Během počáteční prezentace podnětu, PFC populační aktivita zakódovala informace týkající se podnětu, přesto tyto informace přetrvávaly do paměťového období., Během následné stimul prezentace, PFC populace činnost první kódovaný fyzikální vlastnosti nový stimul a krátce na to přešel na kód, jestli to byl cíl nebo distraktoru. To znamená, PFC neudržuje stimul informace v pracovní paměti sám o sobě, přesto to má k těmto informacím přístup a může spolehlivě kódovat, zda následující podněty jsou cíle nebo distraktorů.

Naše práce prokázala další důkaz, že PFC není nutně podílí na udržování stimul informace v pracovní paměti (Lara a Wallis, 2014)., Cvičili jsme opice k provedení úlohy pracovní paměti s více položkami, ve které si musely pamatovat barvu jednoho nebo dvou barevných čtverců. Použili jsme velkou sadu barev a diskriminace by mohla být velmi obtížná, často zahrnující jemné změny odstínu barvy. Obtížnost diskriminace vyžaduje, aby opice udržovat velmi přesné vyobrazení vzorků barev v pracovní paměti, aby bylo možné úspěšně provést úkol. I přes obtížnost úkolu by opice mohly úkol plnit výrazně nad úrovní šance., Překvapivě jsme však zjistili, že drtivá většina neuronů PFC nedokázala kódovat barvu podnětů v pracovní paměti. Místo toho nejsilnější signály odrážely plynutí času a prostorové umístění podnětů. Oba tyto signály by mohly hrát důležitou roli při organizaci chování vůči plnění úkolu, ale neodrážejí obsah pracovní paměti.

Na další analýzu, zjistili jsme, že když opice musel udržovat dvě barvy v pracovní paměti, mají tendenci, aby se malé pohyby očí (microsaccades) k jedné nebo druhé položky., Tyto mikrosakcády měly behaviorální důsledky a zdálo se, že odrážejí skrytou pozornost. Pokud se zvířata skrytě zúčastnila položky, byla uložena s přesnějším zobrazením v pracovní paměti. Zdálo se, že zvířata přesouvají svou pozornost mezi předměty, aby se vyrovnala se zvýšenou obtížností úkolu. V této situaci nervová aktivita silně odrážela místo skryté pozornosti. Tyto výsledky přímo podporují myšlenky předložené Postle (2006)., Přestože klíčovým požadavkem úkolu bylo udržovat barevné informace v pracovní paměti, bylo velmi málo důkazů o tom, že neurony PFC kódovaly barvu. To však neznamená, že PFC nebyla do úkolu zapojena. Místo toho PFC neurony kódované pozornosti kontrolní signály, které pomohly zlepšit výkon zvířat.

kromě objevujících se neurofyziologických důkazů diskutovaných výše, nedávná studie lézí posiluje případ proti převládajícímu pohledu na funkci PFC v pracovní paměti. Pasternak et al., (2015) cvičil opice, aby provedly úkol zpožděného zápasu se vzorkem pomocí náhodných bodových podnětů s různou koherencí pohybu. Vědci zjistili, že léze laterálního PFC způsobily mírné deficity ve schopnosti opic zapamatovat si směr pohybu podnětů prezentovaných na kontralesionální straně. Nicméně, tento deficit není závislé na specifické rysy podnětů, které vedly k paměti směr pohybu (např. pohyb soudržnost), což znamená, že PFC nebyl zapojen v kódování specifika pohybu stimul., Kromě toho byly deficity mnohem výraznější, když se vzorky a testovací podněty objevily na různých místech ve srovnání s tím, kdy se objevily na stejném místě. Zdálo se tedy, že léze PFC narušují schopnost opic rychle posunout svou pozornost v době testu. Pasternak a jeho kolegové interpretovali tyto výsledky jako důkaz, že PFC hraje roli při péči o podněty a přístupu k pohybovým informacím uloženým v jiných oblastech.,

Smyslové Kůře Hrát klíčovou Roli v Pracovní Paměť

Pokud PFC není zodpovědný za ukládání informací do pracovní paměti, pak je důležité identifikovat ty oblasti mozku, které jsou odpovědné za tento proces. Z elektrofyziologických a funkčních zobrazovacích studií existují silné důkazy, že senzorické kortikály hrají klíčovou roli (Pasternak and Greenlee, 2005). Velké množství elektrofyziologických studií zkoumalo jedinou neuronovou aktivitu ve většině senzorických kortexů včetně vizuálních (Miller et al., 1993; Motter, 1994), sluchové (Gottlieb et al.,, 1989), a dokonce i chuťové kůry (Lara et al., 2009). Například aktivita související s pracovní pamětí byla hlášena v oblasti V4 v úkolu, kde si opice musely pamatovat barvu nebo jas stimulu (Motter, 1994). Řada funkčních zobrazovacích studií také hlásila aktivitu pracovní paměti v senzorických kortikách. Například ve studii, ve které si účastníci museli pamatovat orientaci mřížky (Ester et al., 2009; Harrison and Tong, 2009; Serences et al., 2009; Emrich et al.,, 2013), orientační specifické aktivační vzorce byly pozorovány při sdružené aktivitě raných vizuálních oblastí V1–v4.

Pokud zadní smyslové oblasti jsou zodpovědné za udržování informací v pracovní paměti, zatímco PFC hraje roli v účasti, nebo výběrem této informace, pak musí existovat mechanismus, kterým PFC a zadní smyslové oblasti může komunikovat. Tento předpoklad není bizarní, protože je známo, že PFC má reciproční spojení s téměř všechny senzorické kůře (Pandya a Barnes, 1987). Jaká je povaha interakce?, Jedna možnost je, že PFC a zadní oblasti sdílení informací prostřednictvím dálkových spojení probíhá oscilační aktivity přítomné v obou oblastech (Engel et al., 2001; Fries, 2009; Canolty and Knight, 2010). Ve skutečnosti, tam je velké množství práce jak u opic a u lidí, které odhalilo důležitou roli oscilační aktivity během pracovní paměť úkolů (Vogel a Machizawa, 2004; McCollough et al., 2007; Ikkai et al., 2010; Johnson et al., 2011; Myers et al., 2014)., Například u opic byla při provádění zpožděného úkolu saccade (Pesaran et al., 2002) a V4 opic provádějících zpožděný zápas na ukázkový úkol (Tallon-Baudry et al., 2004; Lee et al., 2005). Byly také hlášeny silné oscilační aktivity v LFP PFC během období zpoždění (Siegel et al., 2009; Lara and Wallis, 2014) zpožděného zápasu se vzorovými úkoly.,

U lidí, rozsáhlé práce pomocí elektroencefalografie (EEG), electrocorticography (ECoG) a magneto-encephalography (MEG) odhalila zvýšené probíhající oscilační aktivity během pracovní paměti úkoly a to jak v přední a zadní oblasti (pro přehled viz Roux a Uhlhaas, 2014). V nedávné studii, účastníci byli požádáni, aby vzpomenout na prostorové umístění buď tři červené disky, tři červené disky, zatímco ignoruje tři modré disky nebo šest červených disků (Roux et al., 2012). Za všech podmínek došlo ke zvýšené oscilační aktivitě MEG v kmitočtových pásmech alfa a gama., V PFC, aktivita v gama pásmu (o kterém se předpokládá, že odráží místní zpracování; von Stein a Sarnthein, 2000) předpověděl množství úkolů relevantních informací v pracovní paměti. Lineární klasifikátor pomocí gama-band činnosti z PFC mohl úspěšně zařadit studiích s tři cíle a tři distraktorů ve stejné kategorii jako zkoušky pouze se třemi disky a ne jako šest disků studiích. Klasifikátor tedy správně ignoroval úlohy irelevantní disky., V kontrastu, gama-band činnost v dolní temenní lalůček také odráží prostorové informace při zpoždění období, ale třídění se nepodařilo identifikovat distraktoru studiích jako tři položky zkoušky. Zdá se tedy, že zatímco aktivita gama pásma v PFC i parietální kůře odráží podněty, které jsou v současné době v paměti, pouze v PFC jsou informace diskriminovány jako relevantní úkol nebo úkol irelevantní., Podobný výsledek byl pozorován u opic, kde ventrální intraparietal cortex populace činnost silně zakódován počet cílové podněty se zpožděním-match-na-četnost úkol, dokonce i tváří v tvář distraktorů (Jacob a Nieder, 2014). V kontrastu, PFC populace stručně kódované distraktorů, ale cíl numerosity informace byla rychle obnovena a síla obnoví informace předpověděl správný výkon u soudu. Opět to naznačuje, že PFC se nejen podílí na ukládání informací, ale odráží kontrolní procesy, jako je monitorování a výběr.,

Interakce mezi PFC a Smyslové Kůry

aby bylo možné plně pochopit podstatu interakce mezi PFC a zadní smyslové kůře, je důležité, aby měření neurální aktivity v obou oblastech současně. Řada nedávných studií se to podařilo během plnění úkolů pracovní paměti. Nedávná studie zkoumala interakce mezi V4 a boční PFC pomocí simultánní LFP a jeden neuron nahrávky u opic provádění vizuální pracovní paměť úkolem (Liebe et al., 2012)., V této studii, vědci zjistili, že v pásmu theta fáze zamykání hodnotu, opatření, která kvantifikuje množství synchronii mezi theta oscilací v V4 a PFC, byla významně posílena dobu zpoždění. Fáze oscilací PFC vedla v4 asi o 15 ms, což naznačuje, že pozorovaná spojka je asymetrická a dostatečně rychlá na podporu funkčních interakcí mezi oběma oblastmi., Ve skutečnosti, když se podívali na načasování hrotů z každé oblasti, zjistili, že během zpoždění byly časy hrotů spolehlivě uzamčeny do fáze probíhajících kmitů delta pásma ve vzdálenější oblasti (tj. Důležité je, že tyto účinky byly silnější ve studiích, ve které opice podařilo udržet informace v pracovní paměti, a slabší v klinických studiích, v nichž opice nedokázal vzpomenout na podnět., Tyto výsledky naznačují, že synchronní aktivita v PFC a V4 by mohla poskytnout mechanismus, pomocí kterého jsou informace sdíleny mezi těmito dvěma vzdálenými oblastmi během údržby pracovní paměti.

podobný tok informací byl nedávno pozorován mezi PFC a zadní parietální kůrou (Salazar et al., 2012). V této studii, vědci z simultánní spike a LFP nahrávky z PFC a zadní parietální kůře, zatímco opice provádí prostorové zpoždění zápas ukázkový úkol., Vypočítali index selektivity koherence určený k měření toho, kolik vzájemných informací o zapamatovaném stimulu je mezi PFC a parietálními elektrodami. Během období zpoždění bylo pozorováno zvýšení vzájemných informací o identitě vzorku a umístění. Kromě toho, Weiner-Granger Kauzality ukázal, že tok informací byl především z parietální kůry PFC. Tyto výsledky jsou v souladu s myšlenkou, že ukládání informací se odehrává ve smyslové kůře a PFC může přístup k informacím prostřednictvím synchronizace oscilační pole potenciálů., Podobný jev byl zaznamenán v nedávné studii, kde výzkumníci současně zaznamenávají nervové aktivity z boční PFC a nižší úroveň vizuální oblasti MT a MST, zatímco opice provádí odloženého utkání ukázka úkolu (Mendoza-Halliday et al., 2014). Během období zpoždění byla u MST a laterálního PFC pozorována zvýšená selektivní stimulační aktivita, nikoli však v MT. Tento trvalý nárůst by mohl teoreticky odrážet udržování stimulačních informací v pracovní paměti v obou oblastech mozku., Nicméně, alternativní možností je, že MST udržuje silné zastoupení stimulu v pracovní paměti, která je pak přečetl a integrované s ostatními vyššího řádu signálů PFC. Behaviorální úkol neumožňuje tyto dvě možnosti, jak se odlišit. I když však v Mt během období zpoždění nedošlo ke zvýšení aktivity špičkování, byly v amplitudě LFP z této oblasti přítomny stimulační informace., Navíc, tam byl zvýšený synchronii mezi nízkou frekvencí LFP oscilace v MT a boční PFC hroty, v souladu s top-down interakce mezi PFC a brzy smyslové neurony během udržovacího období.

synchronizace potenciálů oscilačního pole s dlouhým dosahem pravděpodobně není celý příběh. K dispozici je také možnost přímé interakce prostřednictvím kortiko-kortikální synaptických spojení mezi PFC a zadní smyslové neurony (Petrides a Pandya, 1984). V nedávné studii, Crowe et al., (2013) zaznamenal jeden neuron činnosti současně tvoří PFC a zadní parietální kůry neurony, zatímco opice byli zapojeni do kategorizace úkol. Ukázalo se, že PFC i parietální neurony hrají důležitou roli v kategorizačních úkolech tohoto druhu (Freedman et al., 2001; Miller et al., 2002; Wallis and Miller, 2003; Freedman and Assad, 2006; Ferrera et al., 2009; Swaminathan and Freedman, 2012). Zjistili, že vzor střelby v PFC byl silně koreluje s vzor střelby v zadní parietální kůře v různých časových zpoždění., Zásadní je, že došlo k výrazně silnější korelaci mezi vzorem aktivity PFC najednou a aktivitou PPC později ve srovnání s opačným směrem. Tyto výsledky odrážejí selektivní přenos informací shora dolů z prefrontálních na parietální neurony prostřednictvím mechanismu, který nemusí nutně zahrnovat synchronizaci probíhající oscilační aktivity. Ačkoli tyto výsledky byly nalezeny v kategorizačním úkolu, podobný jev by mohl být ve hře během pracovní paměti., Přesný směr interakce může navíc záviset na přesném kognitivním procesu, který se provádí. Například přístup k smyslové informace mohou zahrnovat informace proudící z parietální kůry PFC („bottom-up“), zatímco selektivní pozornost a filtrování může zahrnovat informace proudí v opačném směru („top-down“). Nedávné studie senzorimotorického zpracování ukázaly takové obousměrné interakce v rámci fronto-parietální sítě (Siegel et al., 2015).

jednou z možných výzev k pohledu popsanému v tomto přehledu je nedávná práce Ester et al. (2015)., Oni povinných předmětů zachovat velmi přesné reprezentace orientované mřížky v pracovní paměti, a ukázal, že orientace na informace by mohly být dekódovány z BOLD signálu v lokalizované frontoparietal podoblastí. Důležitou námitkou při interpretaci těchto výsledků je však to, že informace mohou být dekódovány, i když neurony tyto informace nepředstavují. Například informace o orientaci mohou být v zásadě dekódovány ze sítnice, i když žádný jednotlivý neuron nepředstavuje orientační informace., Analogicky, je možné, že informace o orientaci by mohl být dekódován z vzor aktivity v PFC neurony, které jsou zodpovědné za aktivaci správné zastoupení v zadní smyslové mozkové kůry, i když jednotlivé PFC neurony nejsou naladěni na tyto informace v jejich palbě. Na druhou stranu, pokud PFC neurony, které jsou zodpovědné za přesné smyslové reprezentace jsou lokalizované na malé podoblasti je možné, že tyto reprezentace jsou minul standardní metody odběru vzorků používané v single-unit neurofyziologie studií., Tuto možnost lze vyloučit zaznamenáním nervové aktivity na více stupnicích, jako je kombinace ECoG a metod jediné jednotky (Lewis et al., 2015).

Závěr

V posledních letech tam byl stálý proud práce, která zpochybnila široce držený názor, že PFC obchodech úkol relevantní informace v pracovní paměti., Brzy důkazy proti tomuto názoru přišel hlavně z fMRI studie u lidí a vyvrcholilo to alternativní pohled, nejvíce jasně formulovanou Postle (2006), že smyslové informace jsou udržovány v pracovní paměti podle stejné senzorické neurony, které představují, že informace, když je přítomen ve smyslové prostředí., Roli PFC není ukládat informace v pracovní paměti, ale spíše, aby se aktivně zaměřit pozornost na příslušné smyslové reprezentace, zvolte možnost informace a plní výkonné funkce, které jsou nezbytné k ovládání kognitivní zpracování informací (Postle, 2006). Na podporu tohoto názoru roste neurofyziologický a lézový důkaz.

je zapotřebí více práce na objasnění přesné povahy interakce mezi PFC a smyslovými oblastmi během pracovní paměti. Použití moderních metod záznamu ve velkém měřítku (Kipke et al.,, 2008) a analytické techniky (Cunningham a Yu, 2014) mají potenciál umožnit sledování toku informací ze senzorických oblastí do PFC a zpět během úkolů pracovní paměti. Stejně důležité je však stanovit teoretický rámec, který umožní interpretaci těchto údajů. Jedním slibným nápadem je pokusit se pochopit, jak neuronální aktivita souvisí s vnitřním stavem mozku nad a nad jakýmkoli kódováním vnějších faktorů., Tento přístup tvoří základ dynamických systémů rámec, který byl nedávno přijat pochopit nervové mechanizmy řízení motoru (Shenoy et al., 2013). Vzhledem k tomu, že výkonné procesy, jako je pracovní paměť a pozornost jsou, ze své podstaty, interní, dynamické procesy, pomocí dynamických systémů přístup ve své studii má potenciál vrhnout světlo na to, jak mozek interně generuje (tj. bez spoléhání se na externí vstupy) vzory aktivity, které jsou nutné pro takový komplexní repertoár výkonné schopnosti.,

financování

tato práce byla podpořena NIMH grant R01-MH097990 a NIDA grant R01-DA19028 JDW.

Prohlášení o střetu zájmů

autoři prohlašují, že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.