Neuron：记忆相关处理是人类海马θ振荡的主要驱动因素

摘要：数十年来对啮齿动物的研究表明，运动是海马体低频θ振荡的强大驱动力。令人费解的是，这种与运动相关的θ波增加在灵长类动物中持续时间较短，频率较低，这导致了对其功能相关性的质疑。语言记忆编码导致人类低频振荡的显著增加，一种可能性是，记忆可能是人类海马波振荡比导航更强大的驱动因素。在这里，神经外科患者导航路线，然后在进行颅内录音时立即在心理上模拟相同的路线。我们发现，在脑海中模拟刚刚走过的同一条路线，会引发比导航更强、频率更高、持续时间更长的振荡。我们的研究结果表明，记忆是人类海马体θ波振荡比导航更有效的驱动因素，这支持了人类海马体内部产生θ波振荡的模型。

1. 引言

啮齿动物海马体局部场电位的低频半周期波动与自主运动密切相关。在接受癫痫监测的患者中，有创记录也显示了虚拟导航期间海马theta振荡的短暂发作，而在健康受试者中，无创记录也显示了海马theta振荡的短暂发作。这些发现支持了θ波振荡与导航过程中存在的感觉运动整合之间的关系，尽管这种局部场电位的半周期性波动比在啮齿动物中通常记录的波动更不持久，频率更低值得注意的是，用于研究情景记忆的语言编码任务，如自由回忆或识别一组单词，不涉及明确的感觉运动或运动相关的加工，会引起海马体强劲的θ波振荡。

因此，一个需要解决的重要问题是，在导航过程中观察到的θ波振荡是否与在控制内容的同一实验中直接对比时在记忆任务中观察到的θ波振荡具有相似的特性。在这里，我们直接测试了这个想法，通过比较在虚拟现实中导航的回合和在海马体中植入电极的患者对相同路线的心理模拟。

确定感觉运动或记忆相关处理是否是人类海马体θ波振荡的主要关联直接关系到另一个重要问题:在多大程度上，以感觉节律性形式结合其附属的自我运动信号的外部输入是振荡出现的核心?理论模型表明，海马theta可能是通过导航过程中感觉和运动成分的整合而产生的，这被称为“感觉-运动整合假说”。其他模型则认为，振荡更普遍地是通过“主动感知”过程产生的，即感官刺激的有节奏的处理以相似的频率和谐波产生振荡。然而，在人类语言记忆编码和检索过程中存在振荡，其中由于缺乏持续的外部线索而没有明显的感觉运动节律性，这对这种理论模型提出了一些问题。此外，最近的一项研究表明，在没有感觉输入或运动输出的隐形传态期间，海马体θ波振荡持续存在记忆编码和瞬间移动都涉及相对较短的时间(以秒为数量级)，并且考虑到与啮齿动物相比，人类海马θ波振荡是短暂的，这些研究中海马θ波振荡的存在可能与中断的感觉刺激的挥之不去的信号有关。此外，一些理论模型表明，记忆和导航相关的θ。

为了研究导航和心理模拟相关的θ波振荡，我们记录了患者在执行空间导航任务时的颅内脑电图(iEEG)，在过去的研究中，操纵杆的运动和光流提供了一种虚拟运动感，这种感觉显示会引发θ波振荡在导航之后，患者会立即在心理上模拟他们刚刚走过的路线，在没有任何感官或自我运动提示的情况下，对他们的记忆提出要求。参与者还对他们随后在导航过程中会遇到的店面进行编码，并被动地观看固定交叉作为额外的对照比较。我们假设，如果海马低频振荡是由与外部感觉信息相关的自我运动驱动的，我们应该观察到，与没有外部感觉和相应的自我运动线索相比，当自我运动由外部感觉线索驱动时，低频振荡会增加。相反，如果海马体低频振荡与助记处理有关，并且受到内部生成活动的强烈驱动，那么我们预计，当记忆需求增加时，低频振荡将增加。

图1 导航任务设计、行为结果和iEEG跟踪。(A)实验设计示意图。每个店面的静态图像在黑色背景上呈现5000毫秒，然后是5000毫秒的十字准线展示，每个店面呈现2次。仅导航:受试者被放置在6家商店中的1家之外，并使用Xbox控制器定位屏幕提示上显示的目标商店(目标商店名称始终可见)。在到达合适的目标商店后，在出现下一个目标的新提示之前，会显示一个5000毫秒的十字准星。参与者导航到每个商店2次。导航+心理模拟:类似于只导航，除了到达合适的目标商店时，屏幕上的提示指示参与者通过想象自己在起始位置来进行心理导航。一旦准备好，参与者就用控制器按下[A]开始心理模拟，一旦他们想象自己在目标目的地之外，他们就再一次这样做。(B)散点图显示每个患者所有试验的导航持续时间和心理导航持续时间。不同的颜色表示个体患者，相应的颜色线表示每个患者的导航和心理模拟持续时间之间的鲁棒线性拟合。粗黑线表示所有患者的导航和心理导航在数据点之间的线性拟合。(C)在所有参与者中，中位压缩率显著大于1 (Wilcoxon符号-rank p <0.001，中位导航/回放=3.43)。红线和框表示中位数、第25和第75百分位数，而须条表示最大值和最小值。(D)环境布局，显示6家目标店的位置。(E) 6个代表性例子在导航过程中(绿色)和随后的心理导航(蓝色)的原始eeg痕迹示例。灰色阴影表示2- 12hz功率超过1/f背景频谱功率的时间点。

2. 结果

2.1 比较导航和心理模拟行为

为了确定是导航还是心理模拟导致了更大的低频振荡，iEEG患者使用Xbox控制器在笔记本电脑上进行了空间导航任务。如图1A所示，空间导航任务要求参与者在稀疏的环境中使用操纵杆在商店之间导航(图1D)，随后通过“心理导航”路线进行心理模拟。当患者盯着带有白色十字准线的黑屏时(即，在没有感官输入的情况下)，并且操纵杆没有移动(图1A)。为了确定患者是否以可比较的方式模拟他们刚刚走过的相同路线，我们使用稳健回归计算了每次导航试验的持续时间和每次心理模拟试验的持续时间之间的线性相关性(图1B和S1A)。中位数压缩率(即导航时间除以重播时间)显著大于1 (Wilcoxon sign-rank检验p < 0.001，导航/心理模拟中位数=3.43，图1C)。我们进行了一个额外的对照实验，涉及健康的参与者，他们进行了相同的实验，但涉及额外的捕捉试验，在实验中，他们按照心理模拟的路线移动操纵杆。这些分析和对患者数据进行的额外控制支持这样的推断，即患者在心理上模拟的路线与他们刚刚走过的路线类似，这与过去显示类似结果的工作一致。

2.2 与控制条件相比，心理模拟引起的θ波振荡功率显著增加

在导航和心理模拟过程中，海马体的大脑记录显示出低频振荡发作的突出例子，尤其是在心理模拟过程中(图1E)。为了初步比较在感兴趣的条件下低频活动的存在，我们计算了频率在2到32 Hz之间的功率谱密度(PSD)，并在每个频率上使用了两个单侧Wilcoxon秩和测试(左尾和右尾)。我们使用错误发现率(FDR)来校正跨多个频率的比较。我们比较了三种控制条件下移动导航和心理模拟期间的中位PSD，每种控制条件都涉及视觉刺激、运动控制和/或外显记忆处理的变化。

我们首先测试了导航(仅在活动时)和心理模拟期间的海马中位2-32 Hz PSD是否与不活动时的导航PSD不同，在许多过去的研究中，不活动被用作对照比较，这些研究已经确定了与运动相关的海马theta振荡。1.4、6、11、13、17、32在2-32 Hz范围内，移动导航时功率显著高于固定导航时的电极比例(FDR调整后的秩和p<0.05)显著高于偶然预期(FDR调整后的p<0.05;图2A、2B)。相比之下，在静止状态下，没有电极显示出比运动状态下更大的功率(图2A)。因此，我们的研究结果重复了过去的研究结果，表明在航行过程中，与不动的时期相比，运动期间的振荡功率增加。

1、4、6、11、13、17、32同样，在2-32 Hz范围内，与固定导航期间相比，在心理模拟期间显示出显著增加功率的电极比例(FDR调整后的秩和p< 0.05)显著高于偶然预期(FDR调整后的p< 0.05;图2C、2D)。同样，在静止状态下，没有电极显示出比心理模拟更大的能量。从数值上看，我们发现心理模拟(图2A)比导航(图2C)所占的比例更大——我们在接下来的章节中直接比较了导航和心理模拟。我们也进行了上述所有分析，但在受试者水平上，所有这些分析仍然显著。

接下来，我们比较了导航和心理模拟期间的中位低频功率与患者进入虚拟环境之前观看目标商店静态图像时计算的功率(图1A)。在店面展示过程中，视觉刺激有助于记忆编码，但与操纵杆相关的运动控制没有。重要的是，参与者没有进入环境，与记忆相关的处理不太可能包含与运动相关的信息。我们发现，在2.43.1 Hz范围内，导航引起的能量显著高于店面观看(FDR调整后的秩和p < 0.05)而在14.6 ~ 19 Hz范围内，店面观看引起的功率显著高于导航(FDR调整后的秩和p< 0.05)。

相比之下，对于店面观看和心理模拟的比较，我们发现了不同的模式，即在2.0-2.4和5.214.6 Hz范围内，与店面展示相比，心理模拟中电极比例(FDR调整p< 0.05)显着更高(图2G和2H)。这些效应，虽然趋势方向正确，但在受试者水平的分析中不存在。最后，我们还比较了导航和心理模拟期间的中位数功率与每个店面图像之间呈现的十字准线期间的中位数功率(图1A，十字准线)。在十字准星演示期间，视觉刺激和与操纵杆相关的运动活动对记忆加工都没有贡献，尽管参与者在此期间可能正在检索店面或排练店面。在电极水平上，十字准线>导航的对比与店面展示的对比相似，在受试者水平上，十字准线>导航的对比也很显著。心理模拟，可能是由于其高内存需求，比编码店面或看黑屏产生更大的低频功率。令人惊讶的是，与编码店面和看黑屏相比，导航似乎会产生类似或更少的θ波能量。

图2 功率谱密度随记忆需求、视觉刺激和运动而不同。(A)在活动期间和不活动期间显示出显著更大功率的电极比 (绿色)。在任何频率的静止状态下，没有电极显示出明显的更大的功率。对于2 - 32 Hz之间的所有频率，在运动过程中具有显著更大功率的电极的比例显著大于偶然预期的数量。(B)两个代表性电极显示移动(绿色)和不移动(深绿色)期间功率的中位数和中位数绝对差(阴影误差条)。(C)在心理模拟和不活动期间显示显著不同功率的电极比例。对于2 ~ 32 Hz之间的所有频率，在心理模拟中具有显著更高功率的电极比例(蓝色)显著大于偶然预期的数量。(D)两个具有代表性的电极，分别显示心理模拟时(蓝色)和导航时(深绿色)的功率中位数和中位数绝对差。(E)在导航条件下与临街观看条件下，在移动期间显示显著不同功率的电极比例。在2.4至3.1 Hz范围内，导航过程中具有显著更高功率的电极比例(紫色)显著大于偶然预期的数量。在14.6 ~ 19 Hz的频率范围内，店面观看过程中显著更高功率的电极比例(紫色)显著大于偶然预期的数量。(F)两个具有代表性的电极，显示导航条件(绿色)和店面观看(紫色)时功率的中位数和中位数绝对差(阴影误差条)。(G)在心理模拟和临街观看时显示显著不同功率的电极比例。在2.0-2.4 Hz和5.2-14.6 Hz频率下，与店面观看相比，心理模拟(蓝色)中功率显著更高的电极比例显著大于偶然预期的数量(FDR调整p <0.05;灰色阴影区域)。(H)两个具有代表性的电极，显示心理模拟(蓝色)和临街观看(紫色)时功率的中位数和中位数绝对差(阴影误差条)。

图3 心理模拟的结果是，在导航条件下，低频活动比移动性更大。(A)导航时与心理模拟时显示显著不同功率的电极比例。对于2 - 32 Hz之间的所有频率，相对于心理模拟(绿色)在导航过程中显示显着更大功率的电极比例(蓝色)，在心理模拟过程中显示更大功率的电极比例显著大于偶然预期的数量(FDR调整p < 0.05;灰色阴影区域)。(B)四个代表性电极显示导航(绿色)和心理模拟(蓝色)时功率的中位数和中位数绝对差(阴影误差条)。(C)与心理模拟相比，导航过程中Pepisode出现显著差异的电极比例。(D)四个具有代表性的电极，显示导航(绿色)和心理模拟(蓝色)过程中Peplsode的中位数和中位数绝对偏差。

图4 心理模拟比导航产生更高的频率、更长的持续时间和更大的功率振荡，这是不能用宽带频移来解释的。(A)直方图显示导航和心理模拟在所有电极上的峰值频率的中位数试验水平差异。深橙色代表电极的子集，其频率差异与跨试验检验时为零，浅橙色表示所有电极。在所有电极上，试验水平频率的中位数差异显著不同于零，分布向左倾斜表明模拟频率>导航频率。(B)列联表显示了导航和模拟的试验级峰值频率与试验级峰值频率有显著差异的电极数量在2-12赫兹范围内，导航和心理模拟的Pepisode有显著差异的电极数量。心理模拟和导航之间的肽段差异与不同条件下峰值频率的变化没有显著关联(Fisher的精确检验p- 1000)。(C) 2-32 Hz频率下导航和心理模拟时的中位振荡持续时间图。在模拟过程中，2至32 Hz范围内所有频率的中位数周期持续时间明显大于导航。

2.3 心智模拟比导航时激发出更大的低频θ波活动

为了直接比较导航和心理模拟过程中每条路线的振荡功率，我们计算了导航和心理模拟过程中2至32 Hz频率之间的功率。在逐项试验的基础上，随机选择一个与心理模拟时长相等的导航间隔，将导航与心理模拟时长相匹配。与导航相比，在心理模拟过程中功率显著增加的电极比例显著高于偶然预期(图3A、3B)。所有这些效应在受试者水平上仍然显著。

为了确保我们的发现的鲁棒性和扩展到半周期信号领域，我们使用了扩展更好的振荡检测(eBOSC)包来确定功率超过非周期背景活动至少3个周期的时间百分比。通过要求功率保持在非周期背景(即功率阈值)以上至少3个周期，我们能够在每个频率下记录导航和心理模拟试验期间的活动。因为我们之前的分析揭示了静止期间的最低振荡活动，我们使用静止期间的功率来估计背景频谱。我们发现，与导航相比，在心理模拟过程中显示出振荡流行率显著增加的电极比例也显著大于2至32 Hz的所有频率(图3C和3D)。这些效应在受试者水平上也很显著。当我们进行同样的分析，但没有匹配试验持续时间时，在心理模拟过程中，与从5.2到5.2的导航相比，再次有更大比例的电极具有明显更多的振荡活动考虑到心理模拟期间的PSD和Pepisode在2至32 Hz之间的所有频率上明显高于导航(图3A)，我们下一步控制了背景功率谱中的宽带移位可能解释所观察到的振荡患病率差异的可能性我们分别为导航和心理模拟计算Pepisode的功率阈值，每个条件下的平均功率作为其自己的阈值。这要求在每个条件下的振荡活动大于在该条件下存在的背景活动的估计。与导航相比，心理模拟时功率显着增加的电极比例(经标志等级FDR调整p< 0.05)显著大于偶然预期。因此，在考虑了背景功率谱的差异后，我们发现心理模拟比导航更能驱动海马体的低频振荡活动。为了确保我们匹配导航和心理模拟之间的振荡回合，我们随机选择了一个间隔，即每次试验和电极通过Pepisode阈值的时间点的单个周期长度。

我们还运行了一个一般的线性模型，将Penisode(作为因变量)与心理模拟和导航作为所有电极的自变量进行比较。对于2到32 Hz之间的所有频率，我们发现心理模拟比导航更能解释Pepisode在所有电极上的差异。

2.4 与导航相比，心理模拟导致振荡频率和持续时间增加

先前的研究报告了导航过程中的大脑活动与θ波频率之间的正相关关系。因为我们的行为研究结果(图1B、1C)表明，参与者在心理上重播的速度比导航时的速度要快，所以至少我们的一些效果可能是由于心理模拟期间θ波活动频率的增加。为了确定导航和心理模拟在θ范围内是否存在频移，我们将每个试验和每个条件的“峰值频率”定义为Pepisod峰值在2至12 Hz之间的频率。导航和心理模拟之间的峰值频率中位数电极水平差异显著高于零(图4A)。当我们对每个电极单独测试试验水平峰频率时，35.5%的电极的峰差显著大于。在峰值频率有显著差异的电极中，在心理模拟中显示峰值频率显著增加的比例显著大于偶然预期。这当我们用基于病情的基线计算Pepisode的峰值频率时，结果相似。这些结果表明，当在导航和心理模拟之间出现频率转移时，大脑就会发生变化在心理模拟过程中，振荡活动的发生频率高于导航。

先前的研究还表明，有两种不同的θ波振荡——一种高频振荡(~8赫兹)与空间处理有关，与运动速度有关;另一种低频振荡与非空间认知过程有关因此，我们还分别测试了2-4 Hz和5-12 Hz的峰值频率移位。虽然所有电极之间的中位数频率差异小于1赫兹，但在试验水平上，导航和心理模拟之间的峰值频率差异表现出更大的可变性。为了解决行为压缩率和峰值频率差异之间是否存在关系，我们在每个电极的所有试验中分别对频移和压缩率进行了鲁棒回归。在2-14 Hz范围内，显示压缩率与频移之间存在显著相关性的电极数量(n=2)并不显著大于偶然预期。这些结果表明，与模拟相比，我们的发现并不是由导航峰值频率的前后差异引起的，而且频率的小幅增加与导航持续时间的近3倍增加无关。

鉴于我们在心理模拟期间观察到大量电极的峰值频率增加，一种可能性是频率的窄带移位可以解释心理模拟期间Pepisode的显着增加。为了解决这个问题，我们测试了2-12 Hz范围内峰值频率的显著差异是否与同一频率范围内导航和心理模拟之间Pepisode差异的存在有关。为此，我们对导航和心理模拟过程中显示肽肽显著差异的电极数量与显示峰值频率显著差异的电极数量进行了Fisher精确测试。显示Pepisode差异的电极也显示频率移位，并且频率差异的存在与Pepisode差异的存在之间没有关联(图4 b)。换句话说，在电极水平上，导航和心理模拟之间的频率转移并不能解释观察到的脑卒中发作差异。

虽然到目前为止的分析表明，与导航相比，心理模拟导致了θ波振荡的峰值频率增加，但这些分析并没有解决这些振荡的持续时间，之前的研究表明，人类运动相关的θ波振荡的持续时间平均比啮齿动物短这个问题对于理解心理模拟与导航过程中低频振荡的差异以及由于记忆与导航造成的任何潜在的物种间差异都很重要。为了确定导航和心理模拟过程中每个频率下振荡持续的时间，我们计算Pepisode，将每个电极的周期持续时间标准从1个周期增加到4个周期，随后计算Pepisode达到50%阈值的周期持续时间。通过电极，我们发现在2到32 Hz之间的所有频率下，心理模拟期间的振荡明显比导航期间更连续(图4C)。导航和心理模拟的最长振荡频率均为8.0 Hz。

图5 在导航和心理模拟过程中，学习导致低频振荡更普遍。(A)在早期和晚期导航试验中显示Pepisode显著不同的电极比例(FDR调整后的秩和p<0.05)。除2.4 Hz和4.8 Hz外，在2 ~ 32 Hz的所有频率中，导航后期与导航早期相比，电极振荡活动显著增加的比例显著大于偶然预期的数量(FDR调整p < 0.05;灰色阴影区域)。(B)在中国建立了一种具有显著性的不同类型的脑脊液，并进行了神经模拟试验。与心理模拟早期相比，心理模拟后期振荡活动显著增加的电极比例显著大于偶然预期的数量。

2.5 在心理模拟和导航的后期，低频振荡更普遍，与更稳定的记忆表征相一致

因为学习是在实验过程中进行的，所以从头开始的预测是，当记忆表征作为一种经验的功能得到加强时，导航和心理模拟过程中的低频振荡应该会增加。换句话说，基于更多的经验导航，记忆应该更强，从而增加心理模拟的保真度，可能在学习过程中导航，导致更大的探测到的θ波振荡。为了验证这一假设，我们比较了导航和心理模拟试验的早期和晚期的振荡流行率。在2 ~ 32 Hz的频率范围内，我们发现在导航后期Pepisode中出现显著增加的电极比例比导航早期显著增加(图5A)。在2.0 ~ 2.4 Hz和4.0 ~ 16.0 Hz时，脑模拟后期比早期显示出显著更高功率的电极比例也大于概率(图5 B)，显示晚期>早期效应的电极比例在导航方面相似。与早期的试验相比，在导航和心理模拟的后期试验中，θ波振荡的流行率显著增加，这支持了记忆表征强度的增加导致θ波振荡出现的增加的结论。我们进行了额外的分析，以解决这种早期和晚期的θ波振荡差异是否可能与编码和检索的差异有关，这也可能导致θ波振荡。我们发现，当将早期和晚期模拟试验与导航过程中的早期和晚期试验进行比较时，早期和晚期模拟试验比早期和晚期导航试验激发出更大的θ波活动。我们还发现，在导航和模拟模块中几乎没有新的学习发生，这表明在我们对导航和模拟的比较中，编码和检索需求应该相对平衡。总之，这些分析表明，早期和晚期试验的θ波振荡的差异不太可能仅仅由编码和检索的差异来解释。

2.6 与导航相比，模拟海马后部的低频振荡更普遍，但在对照脑区没有差异

我们接下来测试了位于海马前部和后部的电极在导航和心理模拟过程中低频振荡的发生率是否存在差异，正如过去的报道所表明的，基于记忆和导航，海马前部和后部存在差异与心理模拟相比，导航过程中Pepisode显著增加的电极比例在海马前部和后部没有显著差异(图6A)。然而，在心理模拟过程中，我们确实发现了海马前部和后部的肽明显增加。在模拟过程中，海马体后部功率显著增加的电极比例明显大于髋关节前部频率为8.7-10.3 Hz和22.6 Hz时的海马体。然而，这些影响并没有在罗斯福的修正中幸存下来。我们还比较了导航和模拟过程中前侧与后侧的振荡持续时间，没有发现显著差异。

为了确定大脑模拟过程中低频振荡的增加是否只与海马体有关，我们重复比较了定位于前扣带皮层的电极在导航和大脑模拟过程中的Pepisode，这是一个与海马体电极数量最接近的区域。对于Pepisode(图6C)，我们发现在导航和心理模拟过程中电极显示出显著差异 (图6C)，尽管这一比例明显低于我们在海马中观察到的比例(图3C)。此外，在一种情况下显示Pepisode显著增加的电极比例与在相反情况下显示Pepisode显著增加的电极比例无显著差异。

图6 前扣带皮层海马前部与后部的低频差异及对照分析。(A)与心理模拟相比，在导航过程中具有更大功率的电极的比例(Wilcoxon符号秩FDR调整p< 0.05)分别绘制了前海马(绿色)和后海马(橙色)。在前海马区和后海马区，在导航>心理模拟过程中显示出显著更高功率的电极比例在频率上没有显著差异(FDR校正p> 0.05)。(B)与导航相比，在心理模拟中显示出显著更大功率的电极比例(Wilcoxon符号-rank调整p < 0.05)分别绘制了海马前部和后部。在前海马区和后海马区，在导航>心理模拟过程中显示出显着更大功率的电极比例在频率上没有差异(FDR校正p> 0.05)。(C)来自前扣带皮层的电极在导航和心理模拟过程中显示显著不同的Pepisode的比例(符号等级FDR调整p < 0.05)。对于2 - 32 Hz之间的所有频率，在导航或心理模拟过程中显示更大功率的电极比例与偶然预期的数量没有显著差异(FDR调整p> 0.05)。

3. 讨论

在这里，我们使用了一种新颖的空间导航任务，包括基于操纵杆的导航和相同路线的心理模拟，以比较控制内容时的低频振荡。在导航过程中，感觉运动加工是由外部引导的，任何与记忆相关的需求都受到自我运动过程中所经历的外部感觉线索的强烈驱动。相比之下，在心理模拟过程中，没有外部定向的感觉运动整合，所有内部过程必须主要由记忆相关加工引导。通过比较不同记忆处理和视觉刺激(即在试验间隔期间编码店面和观看固定交叉)的控制条件下导航和心理模拟期间的低频振荡，我们发现即使在没有外部定向感觉运动处理的情况下，低频振荡也有所增加。当我们直接将导航过程中的低频振荡与同一路线的心理模拟进行比较时，我们发现心理模拟在电极和受试者层面上都存在。与导航相比，心理模拟的早期和晚期试验都是如此(图S5)，这表明这种差异不太可能是由于编码和检索需求的差异。在电极水平上，频率特定功率的差异(功率移位)和峰值频率的差异(窄带频移)都导致了低频振荡的差异，尽管我们在心理模拟期间观察到的θ活动的大部分增加不能用宽带频移来解释。总的来说，当控制相对持续时间的差异时，精神刺激导致检测到的振荡的持续时间、强度和频率增加。因此，这些结果表明，低频振荡的半周期增加是由心理模拟引起的，即使在没有任何外部感觉或自我运动线索的情况下，这种方式比导航时引起的更强烈。

几十年来对啮齿动物的研究表明，低频振荡与环境中的自主运动有关。然而，相比之下，人类在虚拟导航过程中的低频振荡频率较低且较不连续，导致人们认为人类的θ波振荡可能比啮齿动物的频率更低，基于自我运动的海马前部和后部可能不同，或者只是更难观察到一个可能导致人类和大鼠在导航过程中的θ波振荡方面存在差异的因素是，尽管人类患者研究通常涉及虚拟现实中的导航，但大多数啮齿动物研究都涉及基于身体的全方位线索(即头部旋转和行走线索)的导航。然而，有一项实验直接对比了虚拟和现实世界的移动，结果显示，在现实世界的导航过程中，频率和振荡流行率只有适度的增加。值得注意的是，与啮齿类动物相比，非人类灵长类动物在不受约束的现实世界中导航的记录也报告了相对较少的连续和低功率θ波振荡。

这表明，前庭和基于身体的线索的增加不太可能解释灵长类动物和啮齿类动物之间海马低频振荡流行率的差异。此外，另一个可能导致大鼠和人类在导航过程中θ波振荡差异的因素是在导航过程中从感觉系统获取信息的方式不同。啮齿类动物表现出嗅探和轻拂行为之间的强烈耦合，这也显示出与θ波振荡的流行程度和积极运动有关的强烈相关性另一方面，与啮齿类动物相比，人类的视觉系统提供了关于外部环境的更高灵敏度的空间信息，对视觉输入的关注与振荡的出现密切相关基于灵长类动物与大鼠相比，低频海马振荡在自我运动中的流行率较低，一种可能性是，由于我们的视觉系统的敏锐度不同，以及眼动(静止时)与探索的关系不同，灵长类动物的θ波振荡在功能上与自我运动的关系不如啮齿类动物。

在没有视觉感官线索或显性运动的情况下，通过直接将导航过程中的运动周期与心理模拟过程中的相同周期进行对比，我们可以直接比较这两种信号。在不动期间没有运动的情况下，我们发现低频振荡活动大大减少，运动导致θ波振荡增加，重复了过去的研究。然而，与心理模拟期间θ波振荡的增加相比，这种增加是微不足道的，在这种情况下，参与者没有外部感官输入来指示运动。因此，这些发现表明，与记忆相关的处理过程在心理模拟过程中可能比导航过程有更大的需求，是人类海马体θ波比导航更强的驱动因素。与此一致的是，我们观察到，在导航和心理模拟的后期，当记忆痕迹可能更强、保真度更高时，θ波的流行率更高。因此，我们的研究结果可能有助于解决关于灵长类动物为什么会这样的争论海马振荡有时被观察到不像啮齿类动物那么普遍，这表明与记忆相关的处理是低频海马振荡比人类自我运动更强的驱动因素。值得注意的是，一个平行文献已经确定了低频振荡在多种记忆处理，包括识别单词，自由回忆单词，和非言语源记忆任务。然而，值得注意的是，有一系列研究表明，运动本身并不是位置细胞和θ波活动所必需的，而是意图或运动感。例如，范德沃尔夫的原始表述表明，自愿意图是θ波活动的驱动因素，而不一定是运动本身。在没有任何感觉或运动需求的情况下，人类的θ波振荡也会出现，这表明某些方面可能是内部产生的，而不依赖于外部信号在人类和大鼠的某些睡眠阶段(如快速眼动睡眠)，海马θ波振荡也存在，45,46为外部感觉输入对引发海马θ波振荡并不重要的结论提供了额外的支持。综上所述，这些证据表明，内部背景(即存在于内部的背景，可能与外部环境直接相关，也可能与外部环境不直接相关)是海马体中基于记忆的处理的强大驱动力。我们还观察到，与虚拟导航相比，当没有外部自我运动提示，但对记忆检索和其他内部生成处理的潜在更高要求时，观察十字准星时的θ波振荡更大，这种控制条件下的θ波活动比精神刺激少。在十字准星和心理模拟期间θ波振荡的存在也与一个成熟的文献一致，该文献表明低频振荡对静息状态和默认模式网络的重要性。然而，由于我们在这项研究中没有观察到其他大脑区域之间的耦合，因此我们无法将我们的发现与这项工作明确地联系起来。解决θ波振荡主要是由助记内容驱动还是仅仅处于静息状态这一问题的一个潜在方法是，将导航前的心理模拟(可能助记内容较低)与导航后的心理模拟(可能助记内容较高)进行比较。Goyal等人最近的一项研究表明，海马的θ波振荡可能因任务不同而不同，这是海马前侧和后侧记录部位的功能。该研究发现，与前海马相比，与空间相关加工相关的振荡以更快的频率(~8 Hz)发生，并且在后海马中更为强劲。相比之下，与非空间相关加工相关的海马theta振荡在前海马比后海马更慢(~ 3hz)且更强劲。因此，一种可能性是，我们在心理模拟中观察到的θ波活动比在功能上的差异更大。与Goyal等人的研究一样，本研究中的植入也涉及海马前部和后部，这使我们能够对两者进行比较。与Goyal等人的研究一样，当我们比较整个试验期间的振荡患病率时，我们发现在~2.4 Hz和5.2-13.5 Hz的振荡活动中存在单独的峰值，尽管我们没有发现与种植体前后位置的相互作用。然而，当心理模拟和导航的持续时间相匹配时，以3和8赫兹为中心的振荡的流行率在心理模拟期间大于导航。因为更长的持续时间可以导致更多的振荡检测，我们的研究结果更符合在记忆处理过程中低频振荡的增加，而不是在海马的纵向范围内导航。综上所述，我们的研究结果表明，与感觉驱动的运动或导航相比，与记忆相关的处理会导致低频θ波更加强劲和持续的增长。

参考文献：Memory-related processing is the primary driver of human hippocampal theta oscillations.