Zmeny v konektivite mozgu počas spánku prostredníctvom uzavretej slučky transkraniálnej neurostimulácie Predpovedanie citlivosti metapamäte, časť 1

ABSTRAKT

Metapamäť zahŕňa schopnosť správne posúdiť presnosť našich spomienok. Získavanie spomienok možno zlepšiť pomocou transkraniálnej elektrickej stimulácie (tES) počas spánku, ale dôkazy o zlepšení citlivosti metapamätí sú obmedzené.

Obnova pamäte sa týka procesu získavania informácií uložených v mozgu rôznymi spôsobmi, keď dôjde k zabudnutiu pamäte. V našom každodennom študijnom živote je vyhľadávanie pamäte veľmi dôležitým článkom. Môže nám to pomôcť nielen upevniť vedomosti, ktoré sme sa naučili, ale aj zlepšiť našu pamäť.

Pamäť je schopnosť človeka uchovávať a vybavovať si informácie a je neoddeliteľná od učenia. Len so silnou pamäťou môžeme zvládnuť viac vedomostí a zručností a hrať väčšiu úlohu v našom každodennom živote.

Vybavovanie pamäte a pamäť spolu úzko súvisia. Vybavovanie pamäte je, keď potrebujeme použiť určité znalosti, budeme ich hľadať a vyvolávať, a tento proces hľadania a vyvolávania je získavanie pamäte. Ak naša pamäť nie je dostatočne silná, budeme mať problémy s obnovovaním pamäte a môžeme zabudnúť, čo ovplyvní náš efekt učenia a výkon.

Zlepšenie pamäte preto nie je jednoduchá záležitosť, ale môžeme použiť niektoré vedecké metódy a techniky, ktoré nám pomôžu zlepšiť pamäť. Môžeme si napríklad upevniť pamäť opakovaným učením, využiť asociačné schopnosti na ďalšie prehĺbenie pamäte alebo rôznymi spôsobmi aktivovať náš mozog, aby sme pamäť ešte viac zlepšili.

Skrátka, vyhľadávanie pamäte a pamäť spolu úzko súvisia. Iba vtedy, keď máme silnú pamäť, môžeme vykonávať vyhľadávanie pamäte lepšie a dosahovať lepšie výsledky učenia. Majme odvahu postaviť sa proti sebe, zlepšovať svoju pamäť neustálym učením sa a cvičením a položiť pevný základ pre našu budúcnosť. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche deserticola môže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche deserticola je tradičný čínsky liečivý materiál, ktorý má mnoho jedinečných účinkov, jedným z nich je zlepšenie pamäte. Účinnosť Cistanche deserticola pochádza z viacerých aktívnych zložiek, ktoré obsahuje, vrátane kyseliny trieslovej, polysacharidov, flavonoidových glykozidov atď. Tieto zložky môžu podporovať zdravie mozgu rôznymi spôsobmi.

Kliknite na spoznajte 10 spôsobov, ako zlepšiť pamäť

Aplikácia tES môže zlepšiť konsolidáciu pamäte závislú od spánku, ktorá spolu s metapamätou vyžaduje koordináciu aktivity naprieč distribuovanými nervovými systémami, čo naznačuje, že skúmanie funkčnej konektivity je dôležité pre pochopenie týchto procesov.

Malý výskum však skúmal, ako modulácie funkčnej konektivity súvisia s nočnými zmenami citlivosti metapamäte. Tu sme vyvinuli metódu tES s krátkou dobou trvania s uzavretou slučkou, časovo uzamknutú na up-stavy prebiehajúcich pomalých vĺn, aby sme vyvolali špecifické prehrávanie pamäte u ľudí. Merali sme zmeny elektroencefalografickej (EEG) koherencie po stimulačných impulzoch a charakterizovali sme zmeny siete pomocou grafo-teoretických metrík.

Pomocou techník strojového učenia sme ukázali, že pulzný tES vyvolal zmeny siete vo viacfrekvenčných pásmach, vrátane zvýšenej konektivity v pásme theta a zvýšenej účinnosti v pásme vretena. Okrem toho zmeny v dĺžke dráhy beta-pásma vyvolané stimuláciou boli prediktívne pre zmeny citlivosti metapamäte cez noc.

Tieto zistenia pridávajú nové poznatky k rastúcej literatúre skúmajúcej zvýšenie výkonnosti pamäte prostredníctvom mozgovej stimulácie počas spánku a zdôrazňujú dôležitosť skúmania funkčnej konektivity na vysvetlenie jej účinkov.

ZHRNUTIE AUTORA

Početné štúdie preukázali jasnú súvislosť medzi spánkom a pamäťou – konkrétne, spomienky sa počas spánku konsolidujú, čo vedie k stabilnejším a dlhotrvajúcim zobrazeniam.

Už sme predtým ukázali, že označovanie epizód špecifickými vzormi mozgovej stimulácie počas kódovania a prehrávaním týchto vzorov počas spánku môže zlepšiť tento konsolidačný proces, aby sa zlepšila dôvera a rozhodovanie o spomienkach (metapamäť).

Tu rozširujeme túto prácu, aby sme preskúmali zmeny mozgu na úrovni siete, ku ktorým dochádza po stimulácii počas spánku, ktorá predpovedá zlepšenie pamäte. Použitím teoretických grafov a metód strojového učenia sme zistili, že stimuláciou vyvolané zmeny v dĺžke dráhy beta pásma predpovedali zlepšenie metapamäte cez noc.

Toto nové zistenie vrhá nové svetlo na nervové mechanizmy konsolidácie pamäte a navrhuje potenciálne aplikácie na zlepšenie metapamäte.

ÚVOD

Mozog má pozoruhodnú schopnosť premeniť krátke stretnutia a epizódy, dokonca aj „jednorázové“ stretnutia, na dlhotrvajúce spomienky. K tomu dochádza prostredníctvom procesu známeho ako konsolidácia pamäte, v ktorom sa spomienky v labilnom stave prehrávajú počas spánku a konvertujú sa na stabilnejšie reprezentácie. Úspešné získavanie spomienok však zahŕňa riadiace procesy a rozhodovanie a dokonca aj spomienky, ktoré sú konsolidované počas spánku, môžu byť ťažké vybaviť alebo získať s malou dôverou v ich pravdivosť (Koriat & Goldsmith, 1996).

Citlivosť metapamätí alebo schopnosť jednotlivca s istotou posúdiť presnosť svojich spomienok zohráva rozhodujúcu úlohu pri používaní našich spomienok. Napríklad očitý svedok zločinu mohol úspešne zakódovať kritické detaily epizódy, ale nemusí si byť istý svojou pamäťou, čo vedie k nesprávnym rozhodnutiam (Luus & Wells, 1994; Memonet al., 2003; Sporer et al., 1995) .

Preto je mimoriadne dôležité zlepšiť nielen získavanie pamäte, ale aj citlivosť metapamätí. Tu sme skúmali zlepšenie citlivosti pomocou intervencie, keď jednotlivci spali. Počas spánku sa neurónové súbory reprezentujúce predtým zakódované spomienky reaktivujú v hipokampe aj v neokortikálnej oblasti (Euston et al., 2007; Ji & Wilson, 2007; Nádasdyet al., 1999; Sirota a kol., 2003;

Prehrávanie pamäte sa pozoruje predovšetkým počas spánku s pomalými vlnami, najmä počas pozitívnych fáz alebo stavov nahor prebiehajúcej oscilácie 0.5–1,2 Hz (Lee & Wilson, 2002; Mölle & Born, 2011). Reaktivácie neurónových vzorcov špecifických pre kódovanie sú sprevádzané 12–15 Hz talamokortikálnou oscilačnou aktivitou známou ako vretená, ako aj krátkodobými vysokofrekvenčnými výbuchmi v hipokampe nazývanými vlnky (De Gennaro & Ferrara, 2003; Mölleet al., 2006).

Zložitá koordinácia prehrávaní, vretien a vlniek je nevyhnutná na uľahčenie konsolidácie spomienok do dlhodobého úložiska alebo na prenos spomienok z hipokampu do neokortexu (McClelland a kol., 1995; McGaugh, 2000; Rasch & Born, 2013; Staresinaet al., 2015).

Konsolidácia spomienok môže nielen uľahčiť ich neskoršie vyhľadávanie, ale môže tiež súvisieť s budúcou dôverou jednotlivca v ne; menovite konsolidácia môže posilniť pamäť a zlepšiť učenie (Walker & Stickgold, 2004) a dôvera v spomienky súvisí s vernosťou pamäte (Dallenbach, 1913).

Zameranie sa na proces konsolidácie zásahom by teda mohlo prospieť nielen úspechu pri získavaní údajov, ale aj citlivosti metapamäte. V priebehu posledného desaťročia výskumníci čoraz viac skúmali spôsoby, ako posilniť procesy konsolidácie pamäte prostredníctvom vonkajších manipulácií. Tieto intervenčné štúdie ukázali, že konsolidáciu pamäte závislú od spánku možno zlepšiť dvoma spôsobmi.

Po prvé, reaktivácie pamäte môžu byť spustené počas spánku opätovným vystavením jednotlivcov vonkajším zmyslovým podnetom, ako sú pachy alebo zvuky, ktoré boli prítomné počas kódovania (Antony a kol., 2012; Oudiette & Paller, 2013; Schreiner & Rasch, 2014; Rasch a kol. Rudoy a kol., 2009). Táto opätovná aktivácia podnetu môže viesť k výhodám pri stiahnutí konkrétnych položiek, ktoré boli predtým spojené s podnetmi.

Po druhé, viaceré štúdie ukázali, že aplikácia transkraniálnej elektrickej stimulácie (tES) na určitých frekvenciách do mozgu počas spánku môže zosilniť endogénne elektrofyziologické procesy, čo vedie k uľahčeniu konsolidácie pamäte a následnému rozpoznaniu alebo vyvolaniu (Ketz et al., 2018; Ladenbauer et al. 2016, 2017; Marshall a kol., 2006;

Tieto štúdie preukázali všeobecné zvýšenie výkonnosti pri získavaní pamäte po tES počas spánku. Dôležité je, že tento prínos pre pamäť súvisiaci so stimuláciou by mohol byť potenciálne spôsobený frekvenčne špecifickými zmenami vo funkčnej konektivite medzi oblasťami mozgu (Krause et al., 2017).

Aby sme to zhrnuli, predchádzajúci výskum naznačuje, že získavanie spomienok môže byť posilnené neurostimuláciou počas spánku a potenciálne by naznačovalo, že jednotlivci by mali pre tieto epizódy tiež väčšiu citlivosť na metapamät alebo väčšiu koreláciu v presnosti a dôvere pri rozhodovaní o pamäti.

Niektoré výskumy skutočne preukázali vzťah medzi zdravým neprerušovaným spánkom a nedotknutými úsudkami o metapamäti (Dauratet al., 2010). Nemusí to tak však byť, pretože iný výskum preukázal disociácie medzi rozhodnutiami prvého poriadku (rozsudky o uznaní) a rozhodnutiami druhého poriadku (rozsudky o dôveryhodnosti; Del Cul a kol., 2009; Hebart a kol., 2016; Rounis a kol. al., 2010).

To je dôležité, pretože pamäťová dôvera môže časom klesať (Shapira & Pansky, 2019), čo vedie k chybám pri vykazovaní pamäte a horšiemu rozhodovaniu.

Ukázalo sa, že neurálna stimulácia prefrontálneho kortexu zlepšuje monitorovanie pamäte pre všeobecné vedomostné otázky (Chua & Ahmed, 2016; Chua a kol., 2017) a stimulácia theta-burst na potlačenie aktivity frontopolárneho kortexu ovplyvneného metakognitívnymi úsudkami (Ryals a kol. , 2016), čo naznačuje, že techniky tES by mohli byť účinné na zlepšenie a udržanie citlivosti pamäte pre epizódy s novým kódovaním.

Nedávna práca v našom laboratóriu skutočne ukázala, že jedinečné časopriestorové amplitúdovo modulované vzory (STAMP) tES možno použiť na posilnenie konsolidácie spánku a citlivosti úsudkov špecifických epizodických spomienok získaných v imerzívnej virtuálnej realite (Pilly et al., 2020).

V tomto článku rozširujeme predchádzajúcu prácu na reaktivácii pamäte pomocou skúmania zmien vo funkčnej konektivite po krátkodobých vzorcoch tES (menovite STAMP) počas spánku.

Predtým sa ukázalo, že funkčná konektivita je ovplyvnená tES počas bdenia (Polanía et al., 2011, 2012), ako aj konsolidáciou pamäte počas spánku (Mölleet al., 2004). Okrem toho sa konsolidácia spomienok v mozgu považuje za proces na úrovni systému, pretože je podporovaný kombináciou komunikácie na krátke a dlhé vzdialenosti medzi štruktúrami mozgu (Staresina et al., 2015).

Je to pravdepodobne podobné metapamäti, keďže výskum ukázal, že prepojenie medzi distribuovanou sieťou mozgových oblastí vrátane frontálneho kortexu, precuneusu a hipokampu podporuje pamäť a metakognitívne úsudky (Baird a kol., 2013; Molenberghs a kol., 2016; Morales a kol., 2018; Ren a kol., 2018;

Preto je dôležité pochopiť, ako sa zmeny vo funkčnej konektivite týkajú tohto procesu; pokiaľ je nám však známe, žiadna štúdia doteraz neskúmala, ako môžu zmeny vo funkčnej konektivite v dôsledku stimulácie počas spánku ovplyvniť alebo súvisieť s procesmi konsolidácie pamäte a rozhodovania.

Na preskúmanie zmien vo funkčnej konektivite sme použili merania EEG koherencie (Nunez, 1995), konkrétne imaginárnu časť koherencie (Nolte et al., 2004), a extrahovali črty konektivity z koherenčných údajov pomocou grafových teoretických analýz (Bullmore & Sporns , 2009; Sporns, 2003).

Tento prístup modeluje funkčnú konektivitu mozgu ako prepojený graf a umožňuje skúmať vzťah medzi štruktúrou siete a funkciou.

Zatiaľ čo nás zaujímali zmeny konektivity v pásme Spindle, analýzu sme rozšírili o niekoľko ďalších frekvenčných pásiem, pretože aktivita v mnohých spektrálnych pásmach súvisí s pamäťovými procesmi (Hanslmayr & Staudigl, 2014; Hanslmayr a kol., 2012; Lisman & Jensen, 2013). Potom sme použili techniky založené na strojovom učení, aby sme určili dôležité teoretické vlastnosti grafov na rozlíšenie medzi aktívnymi a falošnými stimulačnými podmienkami, ako aj na predpovedanie zmien v správaní epizodickej pamäte cez noc.

Týmto spôsobom poskytujeme nový pohľad na modulácie vo funkčnej konektivite po pulznom tES, ktoré súvisia so zmenami v metapamäťovej citlivosti pre špecifické epizodické spomienky.

MATERIÁLY A METÓDY

Účastníci uvedení v tomto článku sú rovnakou skupinou účastníkov z Pilly et al. (2020). Počas kódovania epizodických informácií dostali jedinečné krátke časopriestorové vzory tES (konkrétne STAMP), z ktorých polovica bola opätovne aplikovaná počas vzostupných stavov pomalých vlnových oscilácií (SWO) počas nasledujúcich nocí, aby vyvolali reaktiváciu špecifických pridružených spomienok (aktívny stav).

V inom čase tí istí jedinci tiež vykonávali pamäťovú úlohu bez stimulácie mozgu (Sham stav).

Preto nás zaujímali nielen zmeny vo funkčnej konektivite, ktoré sa líšili medzi aktívnymi a simulovanými stimulačnými podmienkami, ale aj zmeny konektivity po STAMP, ktoré súviseli so zmenami vo vybavovaní špecifických epizodických spomienok od pred spánkom po spánok.

Účastníci

Experiment dokončilo celkovo 30 zdravých účastníkov, ktorí boli prijatí pomocou letákov rozmiestnených po areáli Univerzity v Novom Mexiku a okolitej komunity a po dokončení štúdie dostali peňažnú kompenzáciu.

Z nich bolo šesť účastníkov vylúčených z analýz z dôvodu buď zlyhania zariadenia pri stimulácii počas aktívnej noci, alebo nedodržania nasledujúcich pokynov k úlohe.

Údaje EEG spánku od ďalších šiestich účastníkov nebolo možné použiť na výpočet funkčnej konektivity v dôsledku nadmerných artefaktov, čo viedlo k zahrnutiu N=18 účastníkov do konečnej analýzy a podávania správ. Všetci účastníci poskytli podpísaný informovaný súhlas s účasťou na štúdii, ktorý schválila Inštitucionálna revízna rada v Chesapeake.

Všetci účastníci boli rodení anglicky hovoriaci, mali normálny alebo upravený na normálny sluch a zrak a nemali v anamnéze žiadnu neurologickú alebo psychiatrickú poruchu alebo zneužívanie drog.

Behaviorálna paradigma a postup
Náčrt experimentálneho postupu je uvedený na obrázku 1. Experiment pozostával z aklimatizačného obdobia, aby sa účastníci vyškolili a nechali spať v laboratóriu, po čom nasledovali dve experimentálne noci zahŕňajúce učenie a testovanie.

Aklimatizačná noc mala umožniť účastníkom, aby si zvykli na spánok v laboratóriu, a údaje EEG sa z tohto obdobia nezaznamenali ani neanalyzovali. Účastníci zakódovali informácie počas prvej experimentálnej noci. Úloha pamäte pozostávala zo sledovania epizód virtuálnej reality spravovaných pomocou VR headsetu HTC Vive, po ktorých nasledovalo niekoľko testov vyvolania pamäte detailov z epizód.

Účastníci zakódovali 14 vinet virtuálnej reality, z ktorých každá trvala asi minútu a znázorňovala sériu udalostí s dvoma alebo viacerými postavami, ktoré spáchali nejakú akciu okolo bytového komplexu. Dodatočná diaľničná známka, ktorá bola dlhšia, bola použitá na školenie účastníkov počas aklimatizačného obdobia. Účastníci boli testovaní na ich pamäť na vinety počas piatich testovacích relácií riadených počas 48 hodín s počítačovou úlohou bez VR zabudovanou v MATLAB.

Pre každú vinetu sa vytvorilo 10 testovacích položiek, ktoré pozostávali z pravdivých/nepravdivých výrokov o špecifických aspektoch vinety. Každý z piatich zoznamov testov obsahoval 28 položiek, 2 pre každú charakteristiku. Účastníci uviedli, či výroky testu boli pravdivé/nepravdivé, ako aj spoľahlivosť ich vybavovania na stupnici od 1 do 10. Účastníci spali v laboratóriu každú z troch nocí.

Postup pozostával zo štyroch experimentálnych sedení a jednej aklimatizačnej relácie. Na aklimatizačnej relácii si účastníci prezreli dlhodobú cvičnú známku, odpovedali na otázky z cvičného testu a potom spali v laboratóriu. V nasledujúcej prvej experimentálnej relácii (relácia 1) účastníci zakódovali experimentálne stimuly.

Polovica účastníkov dostala jedinečný tES s jedinečnými STAMP počas prezerania vinet (aktívny stav), zatiaľ čo druhá polovica nedostala žiadnu stimuláciu (podmieňovaný stav). Účastníci dostali opačnú stimulačnú podmienku počas dvoch dodatočných experimentálnych nocí oddelených asi 1 týždňom. Po dokončení procedúry prezerania vinetácie sa účastníkom podrobil prvý test vyvolania pamäte a potom spali cez noc v laboratóriu. Táto noc, a nie aklimatizačná noc, bola považovaná za „Noc 1“.

Účastníci v aktívnom stave dostali polovicu STAMP počas noci, aby vyvolali konsolidáciu špecifických spomienok počas noci. Na rozdiel od toho účastníci v Shamovom stave nedostali stimuláciu počas noci. Všimnite si, že tento dizajn štúdie nám umožnil porovnať výkon pamäte pre epizódy, ktoré dostali stimuláciu STAMP počas kódovania a spánku (Tag & Cue) s epizódami, ktoré dostali stimuláciu iba pri kódovaní (Tag & No Cue). Pri analýzach konektivity sme sa zamerali na podmienky Tag & Cue a Sham (bez kódovania alebo stimulácie spánku).

Potom, čo sa účastníci prebudili, absolvovali druhý test pamäti a experimentálne sedenie sa skončilo. Druhé experimentálne sedenie (relácia 2) sa uskutočnilo večer po prvom sedení. Účastníci dostali večer tretí test pamäti, šli spať, a po prebudení absolvovali ďalší test pamäte.

Toto druhé obdobie spánku v laboratóriu bolo považované za „Noc 2“. Účastníci aktívnej skupiny opäť v noci dostali PEČIATKY. Posledný test pamäti sa uskutočnil neskôr večer. Pre opačnú stimulačnú podmienku (relácie 3 a 4) si účastníci prezreli nový súbor 14 vinet a počas 2 dní im boli podané zodpovedajúce testy vyvolania pamäte. Týmto spôsobom bol experiment manipuláciou medzi subjektmi, pričom aktívne a falošné podmienky sa vyskytli približne v 1 týždni od seba.

Priradenie poradia stimulačných podmienok (najskôr aktívny verzus falošný), ako aj priradenie vinet, boli medzi účastníkmi vyvážené. Analýzy uvedené v tomto dokumente sa zameriavajú na noc 2, kde boli zistené najväčšie behaviorálne účinky stimulácie STAMP (ďalšie podrobnosti pozri Pilly et al., 2020).

For more information:1950477648nn@gmail.com