Роль бета- и гамма-ритмов в реализации функций рабочей памяти
Ключевые слова:
рабочая память, нейрональные осцилляции, бета-ритм, гамма-ритм
Аннотация
Рабочая память как способность мозга удерживать информацию, недоступную непосредственно органам чувств, лежит в основе многих высших когнитивных функций. Нейробиологической основой рабочей памяти считается самоподдерживающаяся спайковая активность нейронов ассоциативных отделов коры. Помимо частоты спайков, в задачах на рабочую память модулируется коллективная осцилляторная активность нейронных ансамблей в различных частотных диапазонах. В данной статье проведен обзор экспериментальных данных, касающихся роли бета- и гамма-ритмов в реализации функций рабочей памяти. Особое внимание уделено освещению роли этих ритмов в различных фазах экспериментальной задачи, в частности — в момент предъявления подлежащего запоминанию стимула и в момент удержания стимула в рабочей памяти. Продемонстрировано соответствие между разными исследованиями в части взаимосвязи усиления префронтального гамма-ритма с кодированием стимулов и взаимосвязи усиления бета-ритма с удержанием следа памяти. Полученные результаты также рассмотрены в более общем контексте роли бета- и гамма-ритмов в организации нейрональной активности: считается, что гамма-ритм связан с восходящим распространением информации и со сменой состояния нейрональных популяций, а бета-ритм — с нисходящими воздействиями и с поддержанием статуса-кво. Наконец, рассмотрены основные проблемы, касающиеся доказательства каузальной роли префронтальных бета- и гама-ритмов в процессах кодирования и удержания стимулов, а также проблемы, связанные с недостаточным пониманием механизмов влияния бета-ритма на активность сетей рабочей памяти. Обсуждается потенциальная роль экспериментов с инвазивной и неинвазивной стимуляцией коры, а также роль численного моделирования нейрональной активности в разрешении указанных выше проблем.Скачивания
Данные скачивания пока не доступны.
Литература
1. Amit, D. J., & Brunel, N. (1997). Model of global spontaneous activity and local structured activity during delay periods in the cerebral cortex. Cerebral Cortex, 7(3), 237-252.
2. Baddeley, A. (2003). Working memory: looking back and looking forward. Nature Reviews Neuroscience, 4(10), 829-839. https://doi.org/10.1038/nrn1201
3. Dipoppa, M., Szwed, M., & Gutkin, B. S. (2016). Controlling working memory operations by selective gating: the roles of oscillations and synchrony. Advances in Cognitive Psychology, 12(4), 209-232. https://doi.org/10.5709/acp-0199-x
4. Engel, A. K., & Fries, P. (2010). Beta-band oscillations-signalling the status quo? Current Opinion in Neurobiology, 20(2), 156-165. https://doi.org/10.1016/j.conb.2010.02.015
5. Feurra, M., Galli, G., Pavone, E. F., Rossi, A., & Rossi, S. (2016). Frequency-specific insight into shortterm memory capacity. Journal of Neurophysiology, 116(1), 153-158. https://doi.org/10.1152/jn.01080.2015
6. Goldman-Rakic, P. S. (1995). Cellular basis of working memory. Neuron, 14(3), 477-485.
7. Haegens, S., Osipova, D., Oostenveld, R., & Jensen, O. (2010). Somatosensory working memory performance in humans depends on both engagement and disengagement of regions in a distributed network. Human Brain Mapping, 31(1), 26-35. https://doi.org/10.1002/hbm.20842
8. Hoy, K. E., Bailey, N., Arnold, S., Windsor, K., John, J., Daskalakis, Z. J., & Fitzgerald, P. B. (2015). The effect of gamma-tACS on working memory performance in healthy controls. Brain and Cognition, 101, 51-56. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2015.11.002
9. Kopell, N., Whittington, M. A., & Kramer, M. A. (2011). Neuronal assembly dynamics in the beta1 frequency range permits short-term memory. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 108(9), 3779-3784. https://doi.org/10.1073/pnas.1019676108
10. Kornblith, S., Buschman, T. J., & Miller, E. K. (2016). Stimulus load and oscillatory activity in higher Cortex. Cerebral Cortex, 26(9), 3772-3784. https://doi.org/10.1093/cercor/bhv182
11. Lundqvist, M., Compte, A., & Lansner, A. (2010). Bistable, irregular firing and population oscillations in a modular attractor memory network. PLoS Computational Biology, 6(6), e1000803. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000803
12. Lundqvist, M., Rose, J., Herman, P., Brincat, S. L., Buschman, T. J., & Miller, E. K. (2016). Gamma and Beta Bursts Underlie Working Memory. Neuron, 90(1), 152-164. https://doi.org/10.1016/j.neu-ron.2016.02.028
13. Moisa, M., Polania, R., Grueschow, M., & Ruff, C. C. (2016). Brainnetwork mechanisms underlying motor enhancement by transcranial entrainment of gamma oscillations. Journal of Neuroscience, 36(47), 12053-12065. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2044-16.2016
14. Panagiotaropoulos, T. I., Kapoor, V., & Logothetis, N. K. (2013). Desynchronization and rebound of beta oscillations during conscious and unconscious local neuronal processing in the macaque lateral prefrontal cortex. Frontiers in Psychology, 4, 603. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2013.00603
15. Pesaran, B., Pezaris, J. S., Sahani, M., Mitra, P. P., & Andersen, R. A. (2002). Temporal structure in neuronal activity during working memory in macaque parietal cortex. Nature Neuroscience, 5(8), 805-811. https://doi.org/10.1038/nn890
16. Pogosyan, A., Gaynor, L. D., Eusebio, A., & Brown, P. (2009). Boosting cortical activity at Beta-band frequencies slows movement in humans. Current Biology, 19(19), 1637-1641. https://doi.org/10.1016/j.cub.2009.07.074
17. Roopun, A. K., Kramer, M. A., Carracedo, L. M., Kaiser, M., Davies, C. H., Traub, R. D., ...Whittington, M. A. (2008). Period concatenation underlies interactions between gamma and beta rhythms in neocortex. Frontiers in Cellular Neuroscience, 2, 1. https://doi.org/10.3389/neuro.03.001.2008
18. Salazar, R. F., Dotson, N. M., Bressler, S. L., & Gray, C. M. (2012). Content-specific fronto-parietal synchronization during visual working memory. Science, 338(6110), 1097-1100. https://doi.org/10.1126/science.1224000
19. Siegel, M., Warden, M. R., & Miller, E. K. (2009). Phase-dependent neuronal coding of objects in short-term memory. Proceedings of the National Academy of Sciences USA,106(50), 21341-21346. https://doi.org/10.1073/pnas.0908193106
20. Spitzer, B., Wacker, E., & Blankenburg, F. (2010). Oscillatory correlates of vibrotactile frequency processing in human working memory. Journal of Neuroscience, 30(12), 4496-4502. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.6041-09.2010
21. Szatmary, B., & Izhikevich, E. M. (2010). Spike-timing theory of working memory. PLoS Computational Biology, 6(8). https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000879
22. Talakoub, O., Neagu, B., Udupa, K., Tsang, E., Chen, R., Popovic, M. R., & Wong, W. (2016). Timecourse of coherence in the human basal ganglia during voluntary movements. Scientific Reports, 6, 34930. https://doi.org/10.1038/srep34930
23. Tallon-Baudry, C., Bertrand, O., & Fischer, C. (2001). Oscillatory synchrony between human extrastriate areas during visual short-term memory maintenance. Journal of Neuroscience, 21(20), RC177.
24. Wimmer, K., Ramon, M., Pasternak, T., & Compte, A. (2016). Transitions between multiband oscillatory patterns characterize memory-guided perceptual decisions in prefrontal circuits. Journal of Neuroscience, 36(2), 489-505. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3678-15.2016
2. Baddeley, A. (2003). Working memory: looking back and looking forward. Nature Reviews Neuroscience, 4(10), 829-839. https://doi.org/10.1038/nrn1201
3. Dipoppa, M., Szwed, M., & Gutkin, B. S. (2016). Controlling working memory operations by selective gating: the roles of oscillations and synchrony. Advances in Cognitive Psychology, 12(4), 209-232. https://doi.org/10.5709/acp-0199-x
4. Engel, A. K., & Fries, P. (2010). Beta-band oscillations-signalling the status quo? Current Opinion in Neurobiology, 20(2), 156-165. https://doi.org/10.1016/j.conb.2010.02.015
5. Feurra, M., Galli, G., Pavone, E. F., Rossi, A., & Rossi, S. (2016). Frequency-specific insight into shortterm memory capacity. Journal of Neurophysiology, 116(1), 153-158. https://doi.org/10.1152/jn.01080.2015
6. Goldman-Rakic, P. S. (1995). Cellular basis of working memory. Neuron, 14(3), 477-485.
7. Haegens, S., Osipova, D., Oostenveld, R., & Jensen, O. (2010). Somatosensory working memory performance in humans depends on both engagement and disengagement of regions in a distributed network. Human Brain Mapping, 31(1), 26-35. https://doi.org/10.1002/hbm.20842
8. Hoy, K. E., Bailey, N., Arnold, S., Windsor, K., John, J., Daskalakis, Z. J., & Fitzgerald, P. B. (2015). The effect of gamma-tACS on working memory performance in healthy controls. Brain and Cognition, 101, 51-56. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2015.11.002
9. Kopell, N., Whittington, M. A., & Kramer, M. A. (2011). Neuronal assembly dynamics in the beta1 frequency range permits short-term memory. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 108(9), 3779-3784. https://doi.org/10.1073/pnas.1019676108
10. Kornblith, S., Buschman, T. J., & Miller, E. K. (2016). Stimulus load and oscillatory activity in higher Cortex. Cerebral Cortex, 26(9), 3772-3784. https://doi.org/10.1093/cercor/bhv182
11. Lundqvist, M., Compte, A., & Lansner, A. (2010). Bistable, irregular firing and population oscillations in a modular attractor memory network. PLoS Computational Biology, 6(6), e1000803. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000803
12. Lundqvist, M., Rose, J., Herman, P., Brincat, S. L., Buschman, T. J., & Miller, E. K. (2016). Gamma and Beta Bursts Underlie Working Memory. Neuron, 90(1), 152-164. https://doi.org/10.1016/j.neu-ron.2016.02.028
13. Moisa, M., Polania, R., Grueschow, M., & Ruff, C. C. (2016). Brainnetwork mechanisms underlying motor enhancement by transcranial entrainment of gamma oscillations. Journal of Neuroscience, 36(47), 12053-12065. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2044-16.2016
14. Panagiotaropoulos, T. I., Kapoor, V., & Logothetis, N. K. (2013). Desynchronization and rebound of beta oscillations during conscious and unconscious local neuronal processing in the macaque lateral prefrontal cortex. Frontiers in Psychology, 4, 603. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2013.00603
15. Pesaran, B., Pezaris, J. S., Sahani, M., Mitra, P. P., & Andersen, R. A. (2002). Temporal structure in neuronal activity during working memory in macaque parietal cortex. Nature Neuroscience, 5(8), 805-811. https://doi.org/10.1038/nn890
16. Pogosyan, A., Gaynor, L. D., Eusebio, A., & Brown, P. (2009). Boosting cortical activity at Beta-band frequencies slows movement in humans. Current Biology, 19(19), 1637-1641. https://doi.org/10.1016/j.cub.2009.07.074
17. Roopun, A. K., Kramer, M. A., Carracedo, L. M., Kaiser, M., Davies, C. H., Traub, R. D., ...Whittington, M. A. (2008). Period concatenation underlies interactions between gamma and beta rhythms in neocortex. Frontiers in Cellular Neuroscience, 2, 1. https://doi.org/10.3389/neuro.03.001.2008
18. Salazar, R. F., Dotson, N. M., Bressler, S. L., & Gray, C. M. (2012). Content-specific fronto-parietal synchronization during visual working memory. Science, 338(6110), 1097-1100. https://doi.org/10.1126/science.1224000
19. Siegel, M., Warden, M. R., & Miller, E. K. (2009). Phase-dependent neuronal coding of objects in short-term memory. Proceedings of the National Academy of Sciences USA,106(50), 21341-21346. https://doi.org/10.1073/pnas.0908193106
20. Spitzer, B., Wacker, E., & Blankenburg, F. (2010). Oscillatory correlates of vibrotactile frequency processing in human working memory. Journal of Neuroscience, 30(12), 4496-4502. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.6041-09.2010
21. Szatmary, B., & Izhikevich, E. M. (2010). Spike-timing theory of working memory. PLoS Computational Biology, 6(8). https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1000879
22. Talakoub, O., Neagu, B., Udupa, K., Tsang, E., Chen, R., Popovic, M. R., & Wong, W. (2016). Timecourse of coherence in the human basal ganglia during voluntary movements. Scientific Reports, 6, 34930. https://doi.org/10.1038/srep34930
23. Tallon-Baudry, C., Bertrand, O., & Fischer, C. (2001). Oscillatory synchrony between human extrastriate areas during visual short-term memory maintenance. Journal of Neuroscience, 21(20), RC177.
24. Wimmer, K., Ramon, M., Pasternak, T., & Compte, A. (2016). Transitions between multiband oscillatory patterns characterize memory-guided perceptual decisions in prefrontal circuits. Journal of Neuroscience, 36(2), 489-505. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3678-15.2016
Опубликован
2018-11-05
Как цитировать
НовиковН. А., & ГуткинБ. С. (2018). Роль бета- и гамма-ритмов в реализации функций рабочей памяти. Психология. Журнал Высшей школы экономики, 15(1), 174-182. https://doi.org/10.17323/1813-8918-2018-1-174-182
Выпуск
Раздел
Обзоры и рецензии
