Cortical Orchestra Conducted by Purpose and Function

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :자연과학대학 협동과정 뇌과학전공,2020. 2. 정천기.촉각과 자기수용감각은 우리의 생존 및 일상생활에 절대적인 영향을 미치는 중요한 감각 기능이다. 말초신경계에서 이 두 가지 기능들에 필요한 정보를 수집하고 전달하는 기계적 수용기 및 그 구심성 신경들에 대한 신호 전달 메커니즘 및 그 특징들은 상대적으로 잘 알려져 있는 편이다. 그러나, 촉각과 자기수용감각을 형성하기 위한 인간 뇌의 피질에서의 정보 처리 메커니즘에 대하여 우리가 현재 알고 있는 바는 극히 일부분이다. 이 논문에서 제시하는 일련의 연구들은 인간 뇌 피질 단계에서 촉각과 자기수용감각의 지각적 처리과정에 대한 거시적 신경계 정보처리 메커니즘을 다룬다. 첫 번째 연구에서는 뇌피질뇌파를 이용하여 인간 일차 및 이차 체성감각 피질에서 인공적인 자극과 일상생활에서 접할 수 있는 자극을 포함하는 다양한 진동촉감각 및 질감 자극에 대한 거시적 신경계 정보처리 특성을 밝혔다. 이 연구에서는 일차 및 이차 체성감각 피질의 촉감각 주파수 특이적인 하이-감마 영역 신경활동이 자극 주파수에 따라 각각 상이한 시간적 다이나믹스를 가지고 변화하는 것을 확인하였다. 또한, 이러한 하이-감마 활동은 성긴 질감과 미세한 입자감을 가진 자연스러운 질감 자극에 대해서도 진동촉감각의 경우와 유사한 패턴을 보였다. 이러한 결과들은 인간의 진동촉감각이 매우 단순한 형태에 자극일지라도 대뇌 체성감각 시스템에 있어 거시적인 다중 영역에서의 계층적 정보처리를 동반한다는 점을 시사한다. 두 번째 연구에서는 인간의 움직임과 관련된 두정엽 영역에서의 하이-감마 뇌활성이 자기수용감각과 같은 말초신경계로부터의 체성감각 피드백을 주로 반영하는지, 아니면 움직임 준비 및 제어를 위한 피질 간 신경 프로세스에 대한 활동을 반영하는지를 조사하였다. 연구 결과, 자발적 운동 중 대뇌 운동감각령에서의 하이-감마 활동은 일차 체성감각피질이 일차 운동피질보다 더 지배적인 것으로 나타났다. 또한 이 연구에서는, 움직임과 관련된 일차 체성감각피질에서의 하이-감마 뇌활동은 말초신경계로부터의 자기수용감각과 촉각에 대한 신경계 정보처리를 주로 반영하는 것을 밝혔다. 이러한 연구들을 바탕으로, 마지막 연구에서는 인간 대뇌에서의 체성감각 지각 프로세스에 대한 거시적 피질 간 네트워크를 규명하고자 하였다. 이를 위해, 51명의 뇌전증 환자에게서 체성감각을 유발했던 뇌피질전기자극 데이터와 46명의 환자에게서 촉감각 자극 및 운동 수행 중에 측정한 뇌피질뇌파 하이-감마 매핑 데이터를 종합적으로 분석하였다. 그 결과, 체성감각 지각 프로세스는 대뇌에서 넓은 영역에 걸쳐 분포하는 체성감각 관련 네트워크의 신경 활성을 수반한다는 것을 알아냈다. 또한, 뇌피질전기자극을 통한 대뇌 지도와 하이-감마 매핑을 통한 대뇌 지도는 서로 상당한 유사성을 보였다. 흥미롭게도, 뇌피질전기자극과 하이-감마 활동을 종합한 뇌지도들로부터 체성감각 관련 뇌 영역의 공간적 분포가 체성감각 기능에 따라 서로 달랐고, 그에 해당하는 각 영역들은 서로 뚜렷하게 다른 시간적 다이나믹스를 가지고 순차적으로 활성화되었다. 이러한 결과들은 체성감각에 대한 거시적 신경계 프로세스가 그 지각적 기능에 따라 뚜렷이 다른 계층적 네트워크를 가진다는 점을 시사한다. 더 나아가, 본 연구에서의 결과들은 체성감각 시스템의 지각-행동 관련 신경활동 흐름에 관한 이론적인 가설에 대하여 설득력 있는 증거를 제시하고 있다.Tactile and proprioceptive perceptions are crucial for our daily life as well as survival. At the peripheral level, the transduction mechanisms and characteristics of mechanoreceptive afferents containing information required for these functions, have been well identified. However, our knowledge about the cortical processing mechanism for them in human is limited. The present series of studies addressed the macroscopic neural mechanism for perceptual processing of tactile and proprioceptive perception in human cortex. In the first study, I investigated the macroscopic neural characteristics for various vibrotactile and texture stimuli including artificial and naturalistic ones in human primary and secondary somatosensory cortices (S1 and S2, respectively) using electrocorticography (ECoG). I found robust tactile frequency-specific high-gamma (HG, 50–140 Hz) activities in both S1 and S2 with different temporal dynamics depending on the stimulus frequency. Furthermore, similar HG patterns of S1 and S2 were found in naturalistic stimulus conditions such as coarse/fine textures. These results suggest that human vibrotactile sensation involves macroscopic multi-regional hierarchical processing in the somatosensory system, even during the simplified stimulation. In the second study, I tested whether the movement-related HG activities in parietal region mainly represent somatosensory feedback such as proprioception from periphery or primarily indicate cortico-cortical neural processing for movement preparation and control. I found that sensorimotor HG activities are more dominant in S1 than in M1 during voluntary movement. Furthermore, the results showed that movement-related HG activities in S1 mainly represent proprioceptive and tactile feedback from periphery. Given the results of previous two studies, the final study aimed to identify the large-scale cortical networks for perceptual processing in human. To do this, I combined direct cortical stimulation (DCS) data for eliciting somatosensation and ECoG HG band (50 to 150 Hz) mapping data during tactile stimulation and movement tasks, from 51 (for DCS mapping) and 46 patients (for HG mapping) with intractable epilepsy. The results showed that somatosensory perceptual processing involves neural activation of widespread somatosensory-related network in the cortex. In addition, the spatial distributions of DCS and HG functional maps showed considerable similarity in spatial distribution between high-gamma and DCS functional maps. Interestingly, the DCS-HG combined maps showed distinct spatial distributions depending on the somatosensory functions, and each area was sequentially activated with distinct temporal dynamics. These results suggest that macroscopic neural processing for somatosensation has distinct hierarchical networks depending on the perceptual functions. In addition, the results of the present study provide evidence for the perception and action related neural streams of somatosensory system. Throughout this series of studies, I suggest that macroscopic somatosensory network and structures of our brain are intrinsically organized by perceptual function and its purpose, not by somatosensory modality or submodality itself. Just as there is a purpose for human behavior, so is our brain.PART I. INTRODUCTION 1 CHAPTER 1: Somatosensory System 1 1.1. Mechanoreceptors in the Periphery 2 1.2. Somatosensory Afferent Pathways 4 1.3. Cortico-cortical Connections among Somatosensory-related Areas 7 1.4. Somatosensory-related Cortical Regions 8 CHAPTER 2: Electrocorticography 14 2.1. Intracranial Electroencephalography 14 2.2. High-Gamma Band Activity 18 CHAPTER 3: Purpose of This Study 24 PART II. EXPERIMENTAL STUDY 26 CHAPTER 4: Apparatus Design 26 4.1. Piezoelectric Vibrotactile Stimulator 26 4.2. Magnetic Vibrotactile Stimulator 29 4.3. Disc-type Texture Stimulator 33 4.4. Drum-type Texture Stimulator 36 CHAPTER 5: Vibrotactile and Texture Study 41 5.1. Introduction 42 5.2. Materials and Methods 46 5.2.1. Patients 46 5.2.2. Apparatus 47 5.2.3. Experimental Design 49 5.2.4. Data Acquisition and Preprocessing 50 5.2.5. Analysis 51 5.3. Results 54 5.3.1. Frequency-specific S1/S2 HG Activities 54 5.3.2. S1 HG Attenuation during Flutter and Vibration 62 5.3.3. Single-trial Vibration Frequency Classification 64 5.3.4. S1/S2 HG Activities during Texture Stimuli 65 5.4. Discussion 69 5.4.1. Comparison with Previous Findings 69 5.4.2. Tactile Frequency-dependent Neural Adaptation 70 5.4.3. Serial vs. Parallel Processing between S1 and S2 72 5.4.4. Conclusion of Chapter 5 73 CHAPTER 6: Somatosensory Feedback during Movement 74 6.1. Introduction 75 6.2. Materials and Methods 79 6.2.1. Subjects 79 6.2.2. Tasks 80 6.2.3. Data Acquisition and Preprocessing 82 6.2.4. S1-M1 HG Power Difference 85 6.2.5. Classification 86 6.2.6. Timing of S1 HG Activity 86 6.2.7. Correlation between HG and EMG signals 87 6.3. Results 89 6.3.1. HG Activities Are More Dominant in S1 than in M1 89 6.3.2. HG Activities in S1 Mainly Represent Somatosensory Feedback 94 6.4. Discussion 100 6.4.1. S1 HG Activity Mainly Represents Somatosensory Feedback 100 6.4.2. Further Discussion and Future Direction in BMI 102 6.4.3. Conclusion of Chapter 6 103 CHAPTER 7: Cortical Maps of Somatosensory Function 104 7.1. Introduction 106 7.2. Materials and Methods 110 7.2.1. Participants 110 7.2.2. Direct Cortical Stimulation 114 7.2.3. Classification of Verbal Feedbacks 115 7.2.4. Localization of Electrodes 115 7.2.5. Apparatus 116 7.2.6. Tasks 117 7.2.7. Data Recording and Processing 119 7.2.8. Mapping on the Brain 120 7.2.9. ROI-based Analysis 122 7.3. Results 123 7.3.1. DCS Mapping 123 7.3.2. Three and Four-dimensional HG Mapping 131 7.3.3. Neural Characteristics among Somatosensory-related Areas 144 7.4. Discussion 146 7.4.1. DCS on the Non-Primary Areas 146 7.4.2. Two Streams of Somatosensory System 148 7.4.3. Functional Role of ventral PM 151 7.4.4. Limitation and Perspective 152 7.4.5. Conclusion of Chapter 7 155 PART III. CONCLUSION 156 CHAPTER 8: Conclusion and Perspective 156 8.1. Perspective and Future Work 157 References 160 Abstract in Korean 173Docto