Closed-loop stimulation of temporal cortex rescues functional networks and improves memory - Publikacja - MOST Wiedzy

Wyszukiwarka

Closed-loop stimulation of temporal cortex rescues functional networks and improves memory

Abstrakt

Memory failures are frustrating and often the result of ineffective encoding. One approach to improving memory outcomes is through direct modulation of brain activity with electrical stimulation. Previous efforts, however, have reported inconsistent effects when using open-loop stimulation and often target the hippocampus and medial temporal lobes. Here we use a closed-loop system to monitor and decode neural activity from direct brain recordings in humans. We apply targeted stimulation to lateral temporal cortex and report that this stimulation rescues periods of poor memory encoding. This system also improves later recall, revealing that the lateral temporal cortex is a reliable target for memory enhancement. Taken together, our results suggest that such systems may provide a therapeutic approach for treating memory dysfunction.

Cytowania

  • 8 1

    CrossRef

  • 5 5

    Web of Science

  • 6 0

    Scopus

Autorzy (22)

  • Zdjęcie użytkownika  Youssef Ezzyat

    Youssef Ezzyat

  • Zdjęcie użytkownika  Paul A. Wanda

    Paul A. Wanda

  • Zdjęcie użytkownika  Deborah F. Levy

    Deborah F. Levy

  • Zdjęcie użytkownika  Allison Kadel

    Allison Kadel

  • Zdjęcie użytkownika  Ada Aka

    Ada Aka

  • Zdjęcie użytkownika  Isaac Pedisich

    Isaac Pedisich

  • Zdjęcie użytkownika  Michael R. Sperling

    Michael R. Sperling

  • Zdjęcie użytkownika  Ashwini Sharan

    Ashwini Sharan

  • Zdjęcie użytkownika  Bradley C. Lega

    Bradley C. Lega

  • Zdjęcie użytkownika  Alexis Burks

    Alexis Burks

  • Zdjęcie użytkownika  Robert E. Gross

    Robert E. Gross

  • Zdjęcie użytkownika  Cory S. Inman

    Cory S. Inman

  • Zdjęcie użytkownika  Barbara C. Jobst

    Barbara C. Jobst

  • Zdjęcie użytkownika  Mark A. Gorenstein

    Mark A. Gorenstein

  • Zdjęcie użytkownika  Kathryn A. Davis

    Kathryn A. Davis

  • Zdjęcie użytkownika  Gregory A. Worrell

    Gregory A. Worrell

  • Zdjęcie użytkownika  Joel M. Stein

    Joel M. Stein

  • Zdjęcie użytkownika  Richard Gorniak

    Richard Gorniak

  • Zdjęcie użytkownika  Sandhitsu R. Das

    Sandhitsu R. Das

  • Zdjęcie użytkownika  Daniel S. Rizzuto

    Daniel S. Rizzuto

  • Zdjęcie użytkownika  Michael J. Kahana

    Michael J. Kahana

Informacje szczegółowe

Kategoria:
Publikacja w czasopiśmie
Typ:
artykuł w czasopiśmie wyróżnionym w JCR
Opublikowano w:
Nature Communications nr 9, strony 1 - 8,
ISSN: 2041-1723
Rok wydania:
2018
Opis bibliograficzny:
Ezzyat Y., Wanda P., Levy D., Kadel A., Aka A., Pedisich I., Sperling M., Sharan A., Lega B., Burks A., Gross R., Inman C., Jobst B., Gorenstein M., Davis K., Worrell G., Kucewicz M. T., Stein J., Gorniak R., Das S., Rizzuto D., Kahana M.: Closed-loop stimulation of temporal cortex rescues functional networks and improves memory// Nature Communications. -Vol. 9, (2018), s.1-8
DOI:
Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.1038/s41467-017-02753-0
Bibliografia: test
  1. Burke, J. F. et al. Human intracranial high-frequency activity maps episodic memory formation in space and time. Neuroimage 85, 834-843 (2014). otwiera się w nowej karcie
  2. Kim, H. Neural activity that predicts subsequent memory and forgetting: a meta-analysis of 74 fMRI studies. Neuroimage 54, 2446-2461 (2011). otwiera się w nowej karcie
  3. Bronstein, J. M. et al. Deep brain stimulation for Parkinson disease: an expert consensus and review of key issues. Arch. Neurol. 68, 165-171 (2011). otwiera się w nowej karcie
  4. Benabid, A. L. et al. Long-term suppression of tremor by chronic stimulation of the ventral intermediate thalamic nucleus. Lancet 337, 403-406 (1991). otwiera się w nowej karcie
  5. Fisher, R. et al. Electrical stimulation of the anterior nucleus of thalamus for treatment of refractory epilepsy. Epilepsia 51, 899-908 (2010).
  6. McIntyre, C. C. & Hahn, P. J. Network perspectives on the mechanisms of deep brain stimulation. Neurobiol. Dis. 38, 329-337 (2010). otwiera się w nowej karcie
  7. Greenberg, B. D. et al. Three-year outcomes in deep brain stimulation for highly resistant obsessive-compulsive disorder. Neuropsychopharmacology 31, 2384-2393 (2006). otwiera się w nowej karcie
  8. Holtzheimer, P. E. et al. Subcallosal cingulate deep brain stimulation for treatment-resistant depression: a multisite, randomised, sham-controlled trial. Lancet Psychiatry 4, 839-849 (2017).
  9. Morrell, M. J. Responsive cortical stimulation for the treatment of medically intractable partial epilepsy. Neurology 77, 1295-1304 (2011). otwiera się w nowej karcie
  10. Rosin, B. et al. Closed-loop deep brain stimulation is superior in ameliorating parkinsonism. Neuron 72, 370-384 (2011). otwiera się w nowej karcie
  11. Fell, J. et al. Memory modulation by weak synchronous deep brain stimulation: a pilot study. Brain Stimul. 6, 270-273 (2013). otwiera się w nowej karcie
  12. Suthana, N. et al. Memory enhancement and deep-brain stimulation of the entorhinal area. N. Engl. J. Med. 366, 502-510 (2012). otwiera się w nowej karcie
  13. Miller, J. P. et al. Visual-spatial memory may be enhanced with theta burst deep brain stimulation of the fornix: a preliminary investigation with four cases. Brain 138, 1833-1842 (2015). otwiera się w nowej karcie
  14. Titiz, A. S. et al. Theta-burst microstimulation in the human entorhinal area improves memory specificity. eLife 6, e29515 (2017). otwiera się w nowej karcie
  15. Colsehill, S. G. et al. Material-specific recognition memory deficits elicited by unilateral hippocampal electrical stimulation. J. Neurosci. 24, 1612-1616 (2004). otwiera się w nowej karcie
  16. Halgren, E., Wilson, C. L. & Stapleton, J. M. Human medial temporal lobe stimulation disrupts both formation and retrieval of recent memories. Brain. Cogn. 4, 287-295 (1985). otwiera się w nowej karcie
  17. Halgren, E. & Wilson, C. L. Recall deficits produced by afterdischarges in the human hippocampal formation and amygdala. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 61, 375-380 (1985). otwiera się w nowej karcie
  18. Lacruz, M. E., Valentin, A. V., Garcia Seoane, Morris, R. G., Selway, R. P. & Alarcon, G. A. Single pulse electrical stimulation of the hippocampus is sufficient to impair human episodic memory. Neuroscience 170, 623-632 (2010). otwiera się w nowej karcie
  19. Merkow, M. B. et al. Stimulation of the human medial temporal lobe between learning and recall selectively enhances forgetting. Brain Stimul. 10, 645-650 (2017). otwiera się w nowej karcie
  20. Jacobs, J. et al. Direct electrical stimulation of the human entorhinal region and hippocampus impairs memory. Neuron 92, 983-990 (2016). otwiera się w nowej karcie
  21. Ojemann, G. A., Creutzfeldt, O., Lettich, E. & Haglund, M. M. Neuronal activity in human lateral temporal cortex related to short-term verbal memory, naming and reading. Brain 111, 1383-1403 (1988). otwiera się w nowej karcie
  22. Kragel, J. E. et al. Similar patterns of neural activity predict memory function during encoding and retrieval. Neuroimage 155, 60-71 (2017). otwiera się w nowej karcie
  23. Penfield, W. & Perot, P. The brain's record of auditory and visual experience. Brain 86, 595-696 (1963). otwiera się w nowej karcie
  24. Moriarity, J. L., Boatman, D., Krauss, G. L., Storm, P. B. & Lenz, F. A. Human "memories" can be evoked by stimulation of the lateral temporal cortex after ipsilateral medial temporal lobe resection. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 71, 549-551 (2001). otwiera się w nowej karcie
  25. Bickford, R. G. et al. Changes in memory function produced by electrical stimulation of the temporal lobe in man. Res. Publ. Assoc. Res. Nerv. Ment. Dis. 36, 227-243 (1958).
  26. Curot, J. et al. Memory scrutinized through electrical brain stimulation: a review of 80 years of experiential phenomena. Neurosci. Biobehav. Rev. 78, 161-177 (2017). otwiera się w nowej karcie
  27. Perrine, K., Devinsky, O., Uysal, S., Luciano, D. J. & Dogali, L. Left temporal neocortex mediation of verbal memory: evidence from functional mapping with cortical stimulation. Neurology 44, 1845-1850 (1994). otwiera się w nowej karcie
  28. Boggio, P. S. et al. Temporal lobe cortical electrical stimulation during the encoding and retrieval phase reduces false memories. PLoS ONE 4, e4959 (2009). otwiera się w nowej karcie
  29. Boggio, P. S. et al. Temporal cortex direct current stimulation enhances performance on a visual recognition memory task in Alzheimer disease. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 80, 444-447 (2009). otwiera się w nowej karcie
  30. Floel, A., Rosser, N., Michka, O., Knecht, S. & Breitenstein, C. Non-invasive brain stimulation improves language learning. J. Cogn. Neurosci. 20, 1415-1422 (2008). otwiera się w nowej karcie
  31. Haglund, M. M., Ojemann, G. A. & Blasdel, G. G. Optical imaging of bipolar cortical stimulation. J. Neurosurg. 78, 785-793 (1993). otwiera się w nowej karcie
  32. Suh, M., Bahar, S., Mehta, A. D. & Schwartz, T. H. Blood volume and hemoglobin oxygenation response following electrical stimulation of human cortex. Neuroimage 31, 66-75 (2006). otwiera się w nowej karcie
  33. Borchers, S., Himmelback, M., Logothetis, N. K. & Karanath, H. Direct electrical stimulation of the human cortex -the gold standard for mapping brain functions? Nat. Rev. Neurosci. 13, 63-70 (2012). otwiera się w nowej karcie
  34. Hyman, J. M., Wyble, B. P., Goyal, V., Rossi, C. A. & Hasselmo, M. E. Stimulation in hippocampal region CA1 in behaving rats yields long-term potentiation when delivered to the peak of theta and long-term depression when delivered to the trough. J. Neurosci. 23, 11725-11731 (2003). otwiera się w nowej karcie
  35. Pavlides, C., Greenstein, Y. J., Grudman, M. & Winson, J. Long-term potentiation in the dentate gyrus is induced preferentially on the positive phase of theta-rhythm. Brain Res. 439, 383-387 (1988). otwiera się w nowej karcie
  36. Pollen, D. A. Responses of single neurons to electrical stimulation of the surface of the visual cortex. Brain Behav. Evol. 14, 67-86 (1977). otwiera się w nowej karcie
  37. Ezzyat, Y. et al. Direct brain stimulation modulates encoding states and memory performance in humans. Curr. Biol. 27, 1251-1258 (2017). otwiera się w nowej karcie
  38. Haufe, S. et al. On the interpretation of weight vectors of linear models in multivariate neuroimaging. Neuroimage 87, 96-110 (2014). otwiera się w nowej karcie
  39. Barros, A. J. D. & Hirakata, V. N. Alternatives for logistic regression in cross- sectional studies: an empirical comparison of models that directly estimate the prevalence ratio. BMC Med. Res. Methodol. 3, 21 (2003). otwiera się w nowej karcie
  40. Manning, J. R., Jacobs, J., Fried, I. & Kahana, M. J. Broadband shifts in local field potential power spectra are correlated with single-neuron spiking in humans. J. Neurosci. 29, 13613-13620 (2009). otwiera się w nowej karcie
  41. Long, N. M., Burke, J. F. & Kahana, M. J. Subsequent memory effect in intracranial and scalp EEG. Neuroimage 84, 488-494 (2014). otwiera się w nowej karcie
  42. Burke, J. F., Ramayya, A. G. & Kahana, M. J. Human intracranial high- frequency activity during memory processing: Neural oscillations or stochastic volatility? Curr. Opin. Neurobiol. 31, 104-110 (2015). otwiera się w nowej karcie
  43. Miller, K. J. et al. Broadband changes in the cortical surface potential track activation of functionally diverse neuronal populations. Neuroimage 85, 711-720 (2014). otwiera się w nowej karcie
  44. Nilakantan, A. S., Bridge, D. J., Gagnon, E. P., VanHaerents, S. A. & Voss, J. L. Stimulation of the posterior cortical-hippocampal network enhances precision of memory recollection. Curr. Biol. 27, 465-470 (2017). otwiera się w nowej karcie
  45. Fox, M. D. et al. Resting-state networks link invasive and noninvasive brain stimulation across diverse psychiatric and neurological diseases. Proc. Natl Acad. Sci. USA 111, E4367-E4375 (2014). otwiera się w nowej karcie
  46. Solomon, E. A. et al. Widespread theta synchrony and high-frequency desynchronization underlies enhanced cognition. Nat. Commun. 8, 1704 (2017). otwiera się w nowej karcie
  47. Gu, S. et al. Controllability of structural brain networks. Nat. Commun. 6, 8414 (2015). otwiera się w nowej karcie
  48. Palop, J. J. & Mucke, L. Network abnormalities and interneuron dysfunction in Alzheimer disease. Nat. Neurosci. 17, 777-792 (2016). otwiera się w nowej karcie
  49. Gao, R., Peterson, E. J. & Voytek, B. Inferring synaptic excitation/inhibition balance from field potentials. Neuroimage 158, 70-78 (2017). otwiera się w nowej karcie
  50. Shannon, R. V. A model of safe levels for electrical stimulation. IEEE Trans. Biomed. Eng. 39, 424-426 (1992). otwiera się w nowej karcie
  51. Fischl, B. et al. Automatically parcellating the human cerebral cortex. Cereb. Cortex 14, 11-22 (2004). otwiera się w nowej karcie
  52. Avants, B. B., Epstein, C. L., Grossman, M. & Gee, J. C. Symmetric diffeomorphic image registration with cross-correlation: evaluating automated labeling of elderly and neurodegenerative brain. Med. Image Anal. 12, 26-41 (2008). otwiera się w nowej karcie
  53. Yushkevich, P. A. et al. Automated volumetry and regional thickness analysis of hippocampal subfields and medial temporal cortical structures in mild cognitive impairment. Hum. Brain. Mapp. 36, 258-287 (2015). otwiera się w nowej karcie
  54. Dykstra, A. R. et al. Individualized localization and cortical surface-based registration of intracranial electrodes. Neuroimage 59, 3563-3570 (2012). otwiera się w nowej karcie
  55. Hastie, T., Tibshirani, R., & Friedman, J. The Elements of Statistical Learning. (Springer-Verlag, New York, 2001). otwiera się w nowej karcie
  56. Fan, R. E., Chan, K. W., Hseih, C. J., Wang, X. R. & Lin, C. J. Liblinear: a library for large linear classification. J. Mach. Learn. Res. 9, 1871-1874 (2008).
  57. Department of Psychology, University of Pennsylvania, 433 South University Avenue, Philadelphia, PA 19104, USA. 2 Deparment of Neurology, Thomas Jefferson University Hospital, 900 Walnut Street, Philadelphia, PA 19107, USA. 3 Department of Neurosurgery, Thomas Jefferson University Hospital, 900 Walnut Street, Philadelphia, PA 19107, USA. 4 Department of Neurosurgery, University of Texas, Southwestern, 5323 Harry Hines Boulevard, Dallas, TX 75390, USA. 5 Department of Neurosurgery, Emory University Hospital, 1365 Clifton Road NE, Atlanta, GA 30322, USA. otwiera się w nowej karcie
  58. Department of Neurology, Dartmouth-Hitchcock Medical Center, 1 Medical Center Drive, Lebanon, NH 03756, USA. 7 Department of Neurology, Hospital of the University of Pennsylvania, 3400 Spruce Street, Philadelphia, PA 19104, USA. 8 Department of Neurology, Mayo Clinic, 200 1st Street SW, Rochester, MN 55905, USA. 9 Department of Radiology, Hospital of the University of Pennsylvania, 3400 Spruce Street, Philadelphia, PA 19104, USA. 10 Department of Radiology, Thomas Jefferson University Hospital, 900 Walnut Street, Philadelphia, PA 19107, USA otwiera się w nowej karcie
Weryfikacja:
Politechnika Gdańska

wyświetlono 20 razy

Publikacje, które mogą cię zainteresować

Meta Tagi