Brain|人类记忆和认知中的高频振荡：记忆痕迹的神经生理学基础？

摘要：尽管人们在理解记忆和认知的细胞和分子过程方面取得了进展，并成功地调节了脑部疾病患者的认知表现，但对神经生理机制的探索仍然不足。经典脑电图频谱之外的高频振荡已成为基本认知过程的潜在神经相关因素。在人类内侧颞叶和新皮质的颅内记录中，可检测到跨越伽马（60 - 150 赫兹）、涟波（80 - 250 赫兹）及更高频率范围的高频振荡。与其他非振荡活动不同，这些持续时间、频率和振幅各异的短暂电生理振荡被认为是由小至单个皮质柱体积内的神经元群协调尖峰脉冲产生的。虽然它们的确切起源、机制以及在健康和疾病中的生理作用仍然难以捉摸，但它们与人类的记忆巩固和认知处理有关。最近的研究表明，它们参与了外显记忆的编码和回忆，并可能在记忆痕迹的形成和重新激活中发挥作用。高频振荡在编码过程中、整个保持过程中以及回忆记忆项目之前都能被检测到，这符合 "刻痕 "活动的基本定义。在皮层和皮层下神经网络中重新激活的高频振荡的时间协调性非常适合整合多模态记忆表征，这些记忆表征可以在清醒和睡眠状态下重放和巩固。研究表明，高频振荡反映了神经元集合点燃的协调爆发，为跟踪和调节假定的电生理记忆提供了一个很有前景的基质。

1. 记忆和认知中的神经振荡与神经元尖峰脉冲之间的联系

颅内电生理记录和刺激为研究支撑人脑最复杂、最抽象功能的神经活动提供了前所未有的途径。局部场电位（LFP）记录反映了与记忆和认知功能相关的神经群的活动，可以是振荡性的，也可以是非振荡性的。现在，高密度的宏电极、中电极和微电极阵列可以记录各种不同的 LFP 活动。然而，探究不同尺度记录的特定电生理活动以确定其起源仍是一项重大挑战，将这些活动映射到我们认知的特定过程也是如此。

在电生理活动频谱的高分辨率端，神经元动作电位尖峰活动（也称为单个单元活动）与抽象概念的心理表征有关，并被认为是我们思维和陈述性记忆的基石。这些单个神经元的尖峰活动仅限于从尖峰细胞附近的电极触点采样的微米尺度的胞外场电位。传统上，这些振荡被分为不同的频段，通常称为脑电波或节律，它们被认为是在不同尺度的神经组织中产生的。δ或θ波段的低频振荡涉及更大的体积和空间扩展的神经网络，而γ波段的高频节奏则更局部，局限于更具体的神经元组合。在这一频谱的两端，即连接经典脑电图波段的低频范围（<60 Hz）和检测神经元动作电位的高频范围（>600 Hz）之间，存在着频率跨度很大的电生理活动，包括高频振荡（HFOs）和其他非振荡源的频谱功率（图 1）。高频振荡可作为连接单个神经元尖峰 "构件 "与神经网络振荡中反映的大规模 LFP 活动的桥梁。

在这篇综述中，我们将首先定义细胞外 LFP 记录所捕获的各类电生理活动的术语，以及脑电图振荡和神经元棘波之间的庞大频谱。最近，在区分尖波涟漪与 HFOs 或宽带功率增加的问题上，对重叠频率范围内类似 LFP 活动的各种术语一直存在争议。以前的综述主要集中在高伽马和涟漪频率的较低范围，将 250 Hz 以上范围内的 HFOs 视为主要与癫痫的病理生理学有关。在此，我们将重点讨论介于脑电图振荡和神经元单细胞活动之间的宽频率范围内的 HFOs。我们将参照其他高频 LFP 活动回顾 HFOs 的基本生理学原理，尤其侧重于人类研究，以支持拟议的术语和定义，并为标题问题中提出的神经元集合和刻痕的神经心理学理论提供背景资料。

这将为讨论 HFOs 在记忆和认知中的作用奠定基础。最近的几项研究报告称，波纹频率及以上的HFOs 与海马-皮层网络中的记忆编码、重新激活、回忆和巩固有关。最后，我们将讨论 HFOs 可以提供记忆烙印的电生理基底这一标题提议，调和抽象概念表征的单神经元研究、整个大脑中高频 LFP 活动的时空动态以及记忆烙印研究的最新进展。最后，我们将以前瞻性地使用高频全息图跟踪记忆和认知功能过程中广泛连接的神经网络的大规模动态变化作为结束语。

2. 高频谱电生理活动的分类和定义

2.1 根据生理特性被分类到重叠的频率范围内

鉴于在一端的经典脑电图带和另一端的神经元尖峰之间的高频范围内记录的 LFP 活动多种多样（图 1），确定以前的不同边界和名称一直是一个重大挑战。联合国绘制的领土。三十多年的动物和人类研究描述了生理和病理、振荡、非振荡、诱导/诱发和自发现象，但产生的术语和定义在一个统一的观点中并不完全一致和标准化。最近，一个研究人员代表小组发表了一份共识声明，定义了人类、非人类灵长类动物和啮齿类动物中其他高频 LFP 活动背景下的锐波波纹。信号处理和伪影排除、LFP 波纹的检测和分析方法、海马体和新皮质的解剖定位以及与频谱中其他生理和病理放电的关系。其中一些问题也在专门针对 HFO 的评论特卷中进行了讨论。最近的声明和之前的评论主要涉及高伽马和纹波频率范围，旨在将它们与其他频率范围区分开来。

图 1总结了所提议的不同高频活动类别，包括 LFP 频谱功率的振荡源和非振荡源。  HFO 频谱的低端由几类伽马和纹波频率范围主导，这些频率范围在 60 至 150 Hz 的范围内高度重叠。在高端，快速和超快波纹的频率边界及其与神经元尖峰活动的关系和影响尚未明确定义。

对于神经元尖峰对伽马和纹波频率范围内记录的频谱 LFP 活动的贡献进行了更深入的研究。较低频率范围 (>60–250 Hz) 在规范上有更清晰的图表和分类 trum 基于其生理相位与经典 EEG 频段（如 theta 节律）中的振荡耦合。因此，在更广泛的伽马范围内提出了三个频率子带：低（30-90 Hz）和ε 频段（∼  90–150 Hz）与重叠纹波范围（∼140–220 Hz）分开。

着眼于振荡，根据其一代的潜在神经机制将不同的类别分开。第一个这样的区别是在啮齿动物海马体中发生在 140-200 Hz 范围内的波纹之间，与快速伽马相比，这些波纹与神经元尖峰的尖波爆发和原始信号中可见的相对较高的振荡幅度相关。较低频率 (100–130 Hz) 振荡，与尖波爆发无关，但与波纹具有共同的神经元机制。后来的一项研究证实，这两类 HFO 在数量上不同，但具有相似之处，两项研究均发现，波纹(140-220 Hz) 和快速 gamma/epsilon (90-140 Hz) 振荡在海马亚区和相连的新皮质区域具有不同的解剖定位。

一般来说，根据 HFO 的解剖位置、神经基质和生成机制，有充足的证据表明不同类型或类别的 HFO。根据频率边界将它们分为不同的伽马、纹波和更高频率范围似乎具有挑战性和麻烦，因为边界是高度重叠的。

2.2 定义特定频率范围和解剖定位的人类 HFO 类型

从啮齿动物海马脓液和内侧颞叶新皮质中的这些原始研究来看，波纹和伽玛 HFO 应该可以根据频率范围（波纹较高）、产生机制（例如 LFP 尖波的存在）轻松区分 或解剖位置（例如海马子区域）。然而，在人类海马体中，在 80-140 Hz 频率范围内检测到最大振幅的波纹，与高伽马范围（70-150 Hz）重叠。在这