Ako správanie formuje mozog a mozog formuje správanie: poznatky z rozvoja pamäte

Pre viac informácií:ali.ma@wecistanche.com

Zdrojová pamäťsa výrazne zlepšuje v detstve. Predpokladá sa, že toto zlepšenie úzko súvisí s dozrievaním hipokampu. Ako predchádzajúce štúdie používali hlavne prierezové návrhy na posúdenie vzťahov medzi nimizdrojová pamäťa hipokampálnej funkcie, zostáva neznáme, či zmeny v mozgu predchádzajú zlepšeniam vPamäťalebo naopak. Na vyriešenie tohto rozdielu použila súčasná štúdia zrýchlený longitudinálny dizajn (n=200, 100 mužov) na sledovanie 4- a 6-ročných ľudských detí počas 3 rokov. Sledovali sme vývojové zmeny vzdrojová pamäťa vnútorná funkčná konektivita hipokampu a vyhodnotili sa rozdiely medzi 4- a 6-ročnými kohortami v prediktívnych vzťahoch medzizdrojová pamäťzmeny a vnútorná funkčná konektivita hipokampu pri absencii náročnej úlohy. V súlade s predchádzajúcimi štúdiami došlo k nárastu súvisiacemu s vekomzdrojPamäťa vnútorná funkčná konektivita medzi hipokampom a kortikálnymi oblasťami, o ktorých je známe, že sa podieľajú na kódovaní pamäte. Nové zistenia ukázali, že zmeny v pamäťovej schopnosti na začiatku života predpovedali neskoršiu konektivitu medzi hipokampom a kortikálnymi oblasťami a že vnútorná hipokampálna funkčná konektivita predpovedala neskoršie zmeny v zdrojovej pamäti. Tieto zistenia naznačujú, že behaviorálna skúsenosť a vývoj mozgu sú interaktívne, obojsmerné procesy, takže skúsenosť formuje budúce zmeny v mozgu a mozog formuje budúce zmeny v správaní. Výsledky tiež naznačujú, že na načasovaní a umiestnení záleží, pretože pozorované účinky záviseli od veku detí a špecifických ROI mozgu. Tieto zistenia spoločne pridávajú kritický pohľad na interaktívne vzťahy medzi kognitívnymi procesmi a ich základnými neurologickými základmi počas vývoja.

Kľúčové slová: zrýchlený pozdĺžny dizajn; vývoj mozgu;epizodická pamäť;funkčná konektivita hipokampu;rozvoj pamäti; zdrojová pamäť

Fengji Geng,1,3 Morgan Botdorf,2 a Tracy Riggins2

1Katedra kurikula a učebných vied, Univerzita Zhejiang, kampus Zijingang, Hangzhou, 310058, 2Katedra psychológie,

The University of Maryland, College Park, Maryland 20742, a 3Children's Hospital, Zhejiang University School of Medicine, National Clinical

Výskumné centrum pre zdravie detí, Hangzhou, 310052

Vyhlásenie o význame

Prierezové štúdie ukázali, že schopnosť zapamätať si kontextové detaily predchádzajúcich skúseností (tj.zdrojová pamäť) súvisí s vývojom hipokampu v detstve. Nie je známe, či funkčné zmeny hipokampu predchádzali zlepšeniamPamäťalebo naopak. Použitím zrýchleného pozdĺžneho dizajnu sme to zistili skorozdrojová pamäťzmeny predpovedali neskoršiu vnútornú funkčnú konektivitu hipokampu a že táto konektivita predpovedala neskoršie zmeny zdrojovej pamäte. Tieto zistenia naznačujú, že behaviorálna skúsenosť a vývoj mozgu sú interaktívne, obojsmerné procesy, takže skúsenosť formuje budúce zmeny v mozgu a mozog formuje budúce zmeny správania. Okrem toho sa tieto interakcie menili v závislosti od veku detí a oblasti mozgu, čo zdôraznilo dôležitosť vývojovej perspektívy pri skúmaní interakcií medzi mozgom a správaním.

Kliknite pre obchod s vitamínmi Cistanche a pre pamäť Cistanche

Úvod

Pamäť zdroja sa podstatne zlepšuje počas detstva (napr. Riggins, 2014). Konkrétne, s vekom sa deti stávajú lepšími v podávaní správ a uchovávaní kontextových detailov životných skúseností (Bauer, 2007). Tento vývoj úzko súvisí s dozrievaním hipokampu, čo dokazujú rozdiely súvisiace s vekom a pamäťou v štruktúre a funkcii hipokampu v rámci vývoja (pozri prehľad Ghetti a Bunge, 2012; Sastre a kol., 2016; Tang a kol., 2018; Riggins a kol., 2020). Predchádzajúce štúdie používali najmä prierezové návrhy na posúdenie vzťahov medzi vývojom mozgu a pamäte, ktoré neumožňujú skúmať skutočné vývojové zmeny a môžu byť ovplyvnené mätúcimi faktormi, ako sú účinky kohorty. Preto zostáva neznáme, či zmeny v mozgu predchádzajú zlepšeniu pamäte alebo naopak. Predchádzajúce štúdie sa navyše zamerali buď na malé deti alebo deti v školskom veku, čo sťažuje porovnávanie rôznych vývojových období. Na vyriešenie týchto medzier použila súčasná štúdia zrýchlený longitudinálny dizajn na sledovanie 4- a 6-ročných detí počas 3 rokov. Tento dizajn nám umožnil preskúmať vývojové zmeny vo vnútornej hipokampálnej funkčnej konektivite (iHFC) a posúdiť rozdiely medzi 4- a 6-ročnými kohortami v prediktívnych vzťahoch medzi zdrojovou pamäťou a funkčnou konektivitou (pozri obr. 1).

U dospelých sa predpokladá, že vnútorná funkčná konektivita odráža funkčnú architektúru mozgu, ktorá sa objavuje ako výsledok koaktivácie medzi oblasťami mozgu vyvolanej úlohou (Fox a Raichle, 2007). Vnútorné vzorce funkčného prepojenia detí sú pravdepodobne konštruované podobným spôsobom; hypotéza dlhodobého formovania však navrhla, že tieto vzory konektivity sa formujú v priebehu času v dôsledku dozrievania aj skúseností (Gabard-Durnam et al., 2016). Napríklad pri sledovaní 4- až 18-ročných detí viac ako 2 roky perspektívne analýzy ukázali, že funkčná konektivita amygdaly vyvolaná úlohou predpovedala funkčnú konektivitu v pokojovom stave o 2 roky neskôr, ale nie súbežne (Gabard-Durnam a kol., 2016). Tieto zistenia naznačujú asociácie medzi aktiváciou mozgu založenou na úlohe a vnútornou funkčnou konektivitou u detí aj dospelých; takéto asociácie sa však môžu v rámci vývoja líšiť.

Empirické údaje tiež podporujú obojsmerné vplyvy medzi mozgom a správaním. Po prvé, predchádzajúce štúdie podporujú názor, že zmeny správania formujú funkčnú konektivitu založenú na úlohe a vnútornú funkčnú konektivitu (napr. Jolles a kol., 2016; Clark a kol., 2017; Rosenberg-Lee a kol., 2018). Napríklad u 8- až 9-ročných detí 8 týždňov doučovania matematiky posilnilo iHFC na intraparietálny sulcus (Jolles et al., 2016). Po druhé, empirické štúdie ukázali, že vnútorná funkčná konektivita môže predpovedať zisky v kognitívnych schopnostiach neskôr vo vývoji (napr. Hoeft a kol., 2011; Supekar a kol., 2013; Evans a kol., 2015). Napríklad Supekar a kol. (2013) zistili, že iHFC merané pred doučovaním matematiky predpovedalo zlepšenie výkonu po doučovaní v strednom detstve.

Na základe týchto štúdií sme skúmali, či existujú obojsmerné vplyvy medzi zmenami zdrojovej pamäte a vnútornou funkčnou konektivitou z hipokampu do oblastí mozgu, o ktorých sa uvádza, že podporujú kódovanie kontextových informácií (Geng et al., 2019). Použili sme zrýchlený longitudinálny dizajn na posúdenie nasledovného: (a) zmeny súvisiace s vekom v súbežných vzťahoch medzi zdrojovou pamäťou a iHFC; b) prediktívne vzťahy medzi skorými zmenami zdrojovej pamäte a neskorším iHFC; a (c) prediktívne vzťahy medzi skorými iHFC a neskoršími zmenami zdrojovej pamäte (obr. 1).

Predpokladali sme, že skoré zisky zdrojovej pamäte by predpovedali neskoršiu iHFC, pretože sa predpokladá, že vplyv skúseností sa časom narastá (Gabard-Durnam et al., 2016). Očakávalo sa, že hromadiace sa skúsenosti s každodennými pamäťovými aktivitami budú riadiť vývojové zmeny v iHFC počas detstva. Navyše, kvôli väčšej plasticite v ranom štádiu vývoja (napr. Tottenham a Sheridan, 2010) sme očakávali, že zmeny v pamäti budú spoľahlivejšie predpovedať neskoršiu konektivitu v mladšej oproti staršej kohorte.

Keďže sa predpokladá, že konektivita mozgu bude formovať neskoršie správanie (napr. Evans et al., 2015), predpokladali sme, že iHFC by predpovedalo zvýšenie schopností zdrojovej pamäte. Okrem toho, pretože funkcia hipokampu je zrelšia počas stredného a raného detstva (Geng a kol., 2019), predpokladali sme, že konektivita po 6 rokoch by robustnejšie predpovedala budúcu pamäť ako konektivita po 4 rokoch.

Materiály a metódy

Účastníci Deti boli účastníkmi veľkej štúdie skúmajúcej pamäť a vývoj mozgu v ranom detstve, ktorá používala zrýchlený pozdĺžny dizajn (N=200, 100 mužov) (Riggins a kol., 2018; Geng a kol., 2019). Prvá vlna (W1) štúdie zahŕňala 4- až 8-ročné deti. 4- a 6-ročné deti boli pozvané späť na dve nasledujúce vlny testovania (W2 a W3; Obr. 2). Celkovo išlo o tri vlny a každá vlna zahŕňala mladých a starých kohort (mladá kohorta: W1=4 rokov, W2=5 rokov, W3=6 rokov; stará kohorta: W{{ 17}} rokov, W2=7 rokov, W3=8 rokov). Tabuľka 1 ukazuje počet detí, ktoré poskytli 3, 2 alebo 1 vlnu údajov na záverečné analýzy v každej kohorte. Hlavnými dôvodmi straty neurozobrazovacích údajov bolo, že sa deti príliš hýbali, zaspali počas skenovania, odmietali vstúpiť do skenera alebo rodiny nedokázali sledovať.

IQ detí vo W1 sme merali pomocou slovnej zásoby a podtestov blokového dizajnu z Wechslerovej škály inteligencie pre deti (4. vydanie) (Wechsler, 2003) alebo z Wechslerovej škály inteligencie pre predškolské zariadenia a základné školy (Wechsler, 2012 ). Všetky deti zahrnuté do analýz mali priemerné až nadpriemerné odhadované IQ. Nezistil sa žiadny rozdiel medzi mladými a starými kohortami v škálovanom skóre v slovnej zásobe (mladý: priemer=11,07, SD=2,96; starý: priemer=11,66, SD { {11}}.55; p=0.33) alebo podtesty blokového dizajnu (mladý: stredný=12.96, SD=2.73; starý: stredný=13. 03, SD=3.00; p=0.92). Rodičia uviedli, že všetci účastníci sú zdraví bez akýchkoľvek neurovývinových porúch, neurologických stavov alebo psychiatrických stavov. Okrem toho rodičia uviedli, že 88,5 percenta detí je pravákov, 6,8 percenta ľavákov, 3,7 percenta obojručných a 1 percento detí, ktoré nemožno určiť.

Experimentálny dizajn Kódovanie. Počas prvej návštevy sa deti dozvedeli nové fakty (napr. „Skupina nosorožcov sa nazýva havária“) z jedného z dvoch rôznych zdrojov, dospelej ženy („Abby“) a bábky s mužským hlasom („Henry“) prostredníctvom digitálne videá (Drummey a Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Každý zdroj poskytol 6 faktov, spolu 12 faktov. Prezentácia faktov bola zablokovaná podľa zdroja, kde sa deti najskôr dozvedeli 6 faktov z jedného zdroja, potom nasledovalo 6 faktov z druhého zdroja a poradie blokov bolo náhodné medzi účastníkmi. Boli tam tri zoznamy faktov; každý zoznam pozostával z jedinečných faktov, ktoré boli v rámci zoznamov podobné (napr. „Skupina klokanov sa nazýva dav“ alebo „Skupina kôz sa nazýva kmeň“). Tieto zoznamy boli náhodne rozdelené medzi účastníkov. Deti boli požiadané, aby venovali pozornosť faktom, pretože budú testované na základe faktov nasledujúci týždeň, ale nebolo im povedané, že budú testované na zdroji faktov. Deti sa pýtali, či pred experimentom poznali fakty. Známe fakty boli vylúčené a boli nahradené ďalšími novými faktami zo zoznamu toho istého zdroja (ale to sa vyskytlo len zriedka). Každý zdroj mal 8 možných faktov na vysvetlenie možnosti, že deti budú vedieť 1 alebo 2 z faktov. Ak dieťa poznalo 3 alebo viac faktov z jedného zdroja, celkový počet faktov, na ktorých bolo dieťa testované, sa znížil (ale to bolo zriedkavé, n=4).

Načítanie. Počas druhej návštevy boli deti testované na pamäť faktov a zdrojov z prvej návštevy. Deti mali odpovedať na 22 základných otázok a povedať experimentátorovi, kde sa naučili odpovede na tieto triviálne otázky. Bolo im povedané, že niektoré z otázok sa naučili týždeň predtým buď od „Abby“ alebo „Henryho“, niektoré sa možno naučili mimo laboratória (napr. od učiteľa alebo rodiča) a niektoré možno nevedeli. Deti sa dozvedeli 6 z 22 prezentovaných faktov od „Abby“, 6 od „Henryho“, 5 bolo faktov, ktoré deti bežne poznali (napr. „Akú farbu má obloha?“) a 5 faktov, ktoré deti zvyčajne nevedia. (napr. „Ako sa volá farebná časť vášho oka?“). Každý zoznam 22 faktov mal dve náhodné poradia prezentácie a tieto poradia boli medzi účastníkmi vyvážené. Ak si deti nedokázali spomenúť na zdroj konkrétnej otázky, dostali päť možností s viacerými možnosťami: rodičia, učiteľ, dievča vo videu, bábka vo videu alebo len vedeli/uhádli.

Zdrojová pamäť bola vypočítaná ako podiel otázok, pri ktorých si deti presne vybavili alebo rozpoznali fakt aj zdroj z celkového počtu naučených faktov (pozri vzorec nižšie). Predpokladá sa, že táto miera zdrojovej pamäte odráža viazanosť faktov a zdrojov, čo je dôležitý aspekt epizodickej pamäte (Miller a kol., 2013; Cooper a Ritchey, 2020).

Počas bezúlohového skenovania bol pohyb hlavy účastníka monitorovaný v reálnom čase. Ak účastník vykazoval nadmerný pohyb hlavy (0,2 mm v akomkoľvek smere) počas prvej polovice akéhokoľvek behu, skenovanie sa reštartovalo a účastníkovi bolo pripomenuté, aby zostal čo najtichšie.

Predspracovanie obrazových údajov Do analýz bolo zahrnutých všetkých 210 zozbieraných snímok fMRI v pokojovom stave, keďže prvé štyri zväzky boli pred zberom údajov vyradené z dôvodu nestability počiatočného signálu MR a adaptácie účastníka. Predspracovanie zahŕňalo nasledujúce kroky. Najprv sa vykonala korekcia času rezu, korekcia pohybu hlavy a vyhladenie pomocou DPABI 1.3 (Yan et al., 2016). Potom bola vykonaná nezávislá analýza komponentov na vyhladených údajoch pomocou MELODIC, sady nástrojov FSL, aby sa odstránili komponenty súvisiace s artefaktmi (Geng et al., 2019). Po odstránení všetkých komponentov súvisiacich s artefaktom sa uskutočnila extrakcia mozgu, normalizácia a filtrovanie. Podľa postupu navrhnutého Tillmanom a kol. (2018), extrakcia mozgu na T1-váženom obrázku bola vykonaná oddelene v šiestich súboroch nástrojov: Advanced Normalization Tools, AFNI, FSL, BSE, ROBEX a SPM8, aby sa zabezpečila vysoká kvalita údajov. Voxely extrahované najmenej štyrmi súbormi nástrojov boli zahrnuté do mozgovej masky. Na vykonanie spoločnej registrácie a normalizácie sa použili pokročilé normalizačné nástroje. Štatistické analýzy boli vykonané v AFNI (Cox, 1996). Časové pásmové filtrovanie (0.{14}.1 Hz) a priestorové vyhladzovanie s 5 mm FWHM Gaussovým jadrom boli vykonané v AFNI na normalizovaných dátach.

Jednotlivé oblasti semien (bilaterálny predný a zadný hipokampus) boli odvodené zo štrukturálneho skenovania pomocou Freesurfer 5.1 (Fischl, 2012) a upravené pomocou nástroja Automatic Segmentation Adapter Tool (Wang et al., 20} 11). Hipokampus bol rozdelený na predný a zadný segment pomocou manuálnej identifikácie štandardných anatomických orientačných bodov. Strýko apex slúžil ako hranica medzi predným a zadným hipokampom (Duvernoy, 2005; Weiss et al., 2005). Hodnotitelia boli slepí k veku a pohlaviu účastníkov. Spoľahlivosť identifikácie týchto orientačných bodov indikovala 94,60 percentnú zhodu v rámci 1 rezu a 99,99 percentnú zhodu v rámci 2 rezov. Vnútrotriedne korelačné koeficienty boli vysoké a pohybovali sa od 0,897 do 0,985. Keď sa medzi hodnotiteľmi nezhodli na správnom umiestnení rezu, použil sa rez skúsenejšieho hodnotiteľa.

Boli vypočítané korelácie medzi časovými radmi jednotlivých oblastí semien (bilaterálny predný a zadný hipokampus) a tými celého mozgu, aby sa vytvorili individuálne mapy funkčnej konektivity v pokojovom stave. Následne sa Fisherova transformácia r-to-z použila na konverziu r máp na z máp, aby sa získali normálne rozdelené hodnoty máp konektivity. Hodnoty z boli extrahované zo 6 oblastí záujmu: dolný/nadradený parietálny lalok (IPL/SPL), dolný okcipitálny gyrus (IOG), ľavý dolný temporálny gyrus (ITG), ľavý dolný frontálny gyrus (IFG), fusiformný gyrus a orbitálny frontálny gyrus (OFG) (obr. 3). Tieto oblasti mozgu boli definované podľa predchádzajúceho výskumu, ktorý ukázal, že 4- až 8-ročné deti vykazovali väčšiu aktiváciu v týchto oblastiach počas kódovania položiek (tj obrázkov zvierat a predmetov), ​​ktoré si následne zapamätali správne zdroje ako tie s nesprávnymi zdrojmi (tj obrázky kreslených postavičiek) (podrobnosti pozri Geng et al., 2019). Rozdiely v aktivácii naznačujú, že týchto šesť oblastí mozgu je kritických pre kódovanie kontextových informácií. Preto boli tieto regióny vybrané ako ROI v súčasnej štúdii.

Štatistické analýzy Lineárne zmiešané modely boli použité vzhľadom na ich schopnosť spracovať nevyvážené a neúplné dlhodobé údaje. Konkrétne v SPSS 20.0 bola spustená séria modelov s pevnými efektmi na testovanie asociácií medzi vekom, zdrojovou pamäťou a iHFC. Najprv sa hodnotili zmeny v zdrojovej pamäti súvisiace s vekom. Potom sa analyzovali vzťahy medzi vekom, zdrojovou pamäťou a iHFC ku každej ROI, aby sa posúdili zmeny v súbežných vzťahoch. Ďalej sa modely použili na preskúmanie, či skoršie zmeny v zdrojovej pamäti predpovedali neskoršiu iHFC s každou oblasťou záujmu a či skoršia funkčná konektivita s každou oblasťou záujmu predpovedala neskoršie zmeny v zdrojovej pamäti.

Ako sa uvádza v úvode, trvá určitý čas, kým sa zmeny správania a mozgu navzájom formujú. Preto sme analyzovali vzťahy pamäťových zmien medzi W1 a W2 k funkčnej konektivite na W3 (obr. 1). Okrem toho sme vypočítali vzťahy funkčnej konektivity na W1 k zmenám pamäte medzi W1 a W3 (obr. 1). Ďalším praktickým dôvodom, prečo sa intervaly zmien pamäte medzi týmito dvoma predikčnými analýzami líšili, bolo, že v starej kohorte nedošlo k žiadnej významnej zmene v zdrojovej pamäti medzi W2 a W3. [Ďalšou zaujímavou otázkou by bolo, ako zmeny v zdrojovej pamäti súvisia so zmenami v iHFC; v súčasnej vzorke však došlo k príliš veľkej strate údajov v dôsledku pohybu na preskúmanie zmien v iHFC v rámci dvoch kohort. Preto sa na analýzy funkčnej konektivity používajú údaje z jedného časového bodu.]

Nepretržité kovariáty (vek, stredná FD, zmena zdroja pamäte a iHFC) v týchto modeloch boli štandardizované v celej vzorke. Akaike's Information Criterion sa použilo na porovnanie modelov hlavných efektov s modelmi, ktoré zahŕňali hlavné aj interaktívne efekty. Modely s najnižšou hodnotou Akaike's Information Criterion boli vybrané ako najvhodnejší model. Vzhľadom na strednú veľkosť vzorky (pozri tabuľku 1) a obmedzený počet ROI neboli aplikované korekcie pre viacnásobné porovnania. Ak sa pozorovali interakcie zahŕňajúce kohortu (mladí vs. starí), vzťah medzi mierami zdrojovej pamäte a iHFC sa znova odhadol pre každú kohortu štandardizáciou kovariátov pre každú skupinu samostatne a prehodnotením parametrov modelu.

Výsledky

Výsledky správania

Údaje pre analýzy správania poskytli 194 detí (tabuľka 1). Na predpovedanie výkonu zdrojovej pamäte sa modely s pevnými efektmi vrátane veku, kohorty (mladí vs. starí) a interakcie vekovej kohorty lepšie hodili ako model, ktorý zahŕňal iba hlavné efekty. Vek pozitívne súvisel s výkonom pamäte zdroja (b=0.051, SE=0.023, t(353)= 2.281, s.=0.023) a medzi vekom a kohortou došlo k významnej interakcii (b=–0,075, SE=0,031, t(353) {{17 }} 2,423, p=0,016). Keď bola táto interakcia skúmaná, výsledky ukázali, že zmeny v zdrojovej pamäti súvisiace s vekom boli väčšie v mladej než starej kohorte (p, 0,001 vs p=0,028; obr. 4). Neboli pozorované žiadne rozdiely medzi 6--ročnými deťmi z mladej kohorty, ktoré boli testované v W3, a 6-ročnými deťmi zo starej kohorty, ktoré boli testované v W1 (p . 0,90). Okrem toho sme testovali, či existujú rozdiely v zdrojovej pamäti medzi vekovými skupinami v každej kohorte. Všetky porovnania medzi vekovými skupinami dosiahli významnosť s výnimkou rozdielu medzi 7 a 8 rokmi (p=0.24).

Zmeny súvisiace s vekom v súbežných vzťahoch medzi zdrojovou pamäťou a funkčnou konektivitou Pevné účinky lineárnych zmiešaných modelov zahŕňali subregión, vek a zdrojovú pamäť ako nezávislé premenné a iHFC ako závislú premennú. Priemerná FD bola tiež zahrnutá do modelu kvôli marginálne významnému vzťahu medzi vekom a priemernou FD, ako je uvedené vyššie. Modely hlavných efektov boli lepšie prispôsobené ako modely s interakciou zdroja veku. Pri predpovedaní konektivity medzi hipokampom a ľavým IPL/SPL, IOG, ľavým ITG, ľavým IFG, fuziformným gyrusom a OFG boli významné hlavné účinky veku. Konkrétne, so zvyšujúcim sa vekom sa zvýšil aj iHFC (obr. 5). Hlavný účinok zdrojovej pamäte nebol významný pre konektivitu medzi hipokampom a akoukoľvek ROI.

Okrem toho existovali rozdiely v konektivite medzi predným a zadným hipokampom a fusiformným, ľavým ITG, IOG, OFG a ľavým IPL/SPL (tabuľka 3). Vo všetkých oblastiach okrem OFG bola konektivita väčšia pre zadnú časť v porovnaní s predným hipokampom. V IFG bol trendový rozdiel vo funkčnej konektivite hipokampu (predná, zadná; tabuľka 3).

Prediktívne vzťahy medzi zmenami zdrojovej pamäte z W1 na W2 a funkčnou konektivitou na W3

Opravené účinky lineárnych zmiešaných modelov zahŕňali podoblasť (predná vs. zadná), kohortu (mladá vs. stará) a zmenu zdrojovej pamäte (definovanú ako rozdiely v zdrojovej pamäti medzi W1 a W2). Priemerná FD nebola zahrnutá do modelov, pretože medzi mladými a starými kohortami nebol žiadny rozdiel v žiadnom z parametrov pohybu (priemerná FD, absolútny pohyb a dĺžka údajov) (s. 0.60). Modely obsahujúce interakciu zmeny zdroja pamäte kohorty viedli k lepšiemu prispôsobeniu modelu pre ľavé IFG a OFG. Naproti tomu modely hlavných efektov sa lepšie hodili pre ostatné štyri oblasti záujmu. Zmeny zdrojovej pamäte medzi W1 a W2 pozitívne súviseli s funkčnou konektivitou hipokampu W3 s ľavým IPL/SPL, IOG, ľavým ITG a fuziformným gyrusom (tabuľka 4; obr. 6).

Existovali významné interakcie medzi kohortou a zmenou zdrojovej pamäte, čo predpovedalo vnútornú funkčnú konektivitu z hipokampu do ľavého IFG a OFG (tabuľka 4). Na testovanie týchto interakcií sa modely s pevnými účinkami použili na posúdenie každej kohorty samostatne. V mladej kohorte zmeny zdrojovej pamäte významne súviseli s iHFC s ľavým IFG a OFG (b=0.109, SE=0.025, t( 73)=4.341, p, 0,001; b=0,068, SE=0,022, t(73)=3,117, p=0 .003). V starej kohorte však tieto asociácie neboli zjavné (p hodnoty . 0,20). Preto iba v mladej kohorte došlo k zlepšeniu správania v zdrojovej pamäti, neskôr k vnútornej funkčnej konektivite medzi hipokampom a týmito kortikálnymi oblasťami (obr. 7). Okrem toho sme zopakovali vyššie uvedené analýzy so zdrojovou pamäťou vo W1 a W2 zahrnutou v modeloch, aby sme otestovali vzťahy medzi zmenami zdrojovej pamäte a neskoršou funkčnou konektivitou hipokampu. Všetky výsledky zostali rovnaké, okrem toho, že hlavný účinok zmien zdrojovej pamäte v ľavom IPL/SPL a IOG sa stal nevýznamným (p=0 0,18; p=0 0,11). Okrem toho, zadný hipokampus vykazoval väčšiu konektivitu s fusiformným, ľavým ITG, IOG a ľavým IPL/SPL ako predný hipokampus. Rozdiel v OFG a ľavom IFG nedosiahol významnosť (tabuľka 3).

Prediktívne vzťahy medzi funkčnou konektivitou na W1 a zdrojovou pamäťou sa menia z W1 na W3

Modely s pevnými efektmi zahŕňali iHFC vo W1 a kohortu (mladí vs. starí) ako nezávislé premenné a zmenu zdrojovej pamäte z W1 na W3 ako závislú premennú. Priemerná FD nebola zahrnutá do modelu, pretože sa medzi kohortami významne nelíšila (s. 0.70). Pre ľavú ITG a vretenovú formu boli modely interakcie lepšie prispôsobené. Pre ostatné ROI boli modely hlavných efektov lepšie prispôsobené, ale nepriniesli žiadne významné zistenia.

Interakcie medzi kohortou a iHFC v ľavom ITG a fuziformnom gyruse významne predpovedali zmenu zdrojovej pamäte (tabuľka 5). Na testovanie interakcií sa použili modely s pevnými efektmi na testovanie vzťahov v každej kohorte samostatne. V staršej kohorte iHFC s ľavým ITG a fuziformným gyrusom súvisel so zmenou pamäte zdroja (b=– 0.{{10}}90, SE=0 .024, t(60)=3.76, p , 0.001; b=0.086, SE=0.029, t(60)= 2.998, p=0.004). Táto asociácia však nebola pozorovaná v mladej kohorte (p . 0,80). Preto iba v starej kohorte predpovedala funkčná konektivita medzi hipokampom a ľavým ITG a fuziformným gyrusom neskoršie zlepšenia zdrojovej pamäte (obr. 7).

Diskusia

Táto štúdia použila zrýchlený pozdĺžny dizajn na skúmanie prediktívnych vzťahov medzi zmenami zdrojovej pamäte a iHFC v detstve. Po prvé, zistili sme zvýšenie výkonu zdrojovej pamäte súvisiace s vekom, čo podporuje predchádzajúce štúdie zdôrazňujúce rozdiely súvisiace s vekom v zdrojovej pamäti v tejto vekovej skupine (Drummey a Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Po druhé, výsledky ukázali, že iHFC v rámci pamäťovej siete sa počas detstva zvýšil, čo je v súlade s predchádzajúcimi prierezovými štúdiami, ktoré ukazujú podobné súvislosti medzi vekom a funkčnou konektivitou hipokampu (Blankenship a kol., 2017; Geng a kol., 2019). Nakoniec výsledky ukázali, že zmeny vo výkone pamäte predpovedali neskoršiu funkčnú konektivitu a skorá funkčná konektivita predpovedala neskoršie zmeny zdrojovej pamäte.

Zmeny zdrojovej pamäte predpovedali neskoršiu funkčnú konektivitu hipokampu

Zmeny zdrojovej pamäte na začiatku života predpovedali neskoršiu vnútornú konektivitu medzi hipokampom a kortikálnymi oblasťami pri absencii úlohy, čo naznačuje, že správanie formovalo neskoršiu funkčnú konektivitu. Konkrétne u všetkých detí zmeny v pamäti predpovedali vnútornú konektivitu z hipokampu po vretenovú, ľavú ITG, IOG a ľavú IPL/SPL o 1 rok neskôr. Okrem toho v mladšej kohorte skoré zmeny pamäte tiež predpovedali funkčnú konektivitu hipokampu s ľavým IFG a OFG. V analýzach hodnotiacich zmeny súvisiace s vekom v súbežných vzťahoch však pamäťová schopnosť nesúvisela s iHFC. Tieto zistenia podporujú myšlienku, že životná skúsenosť formuje mozog v rámci vývoja, čo je názor, ktorý získal podporu aj z iných zistení (Fox a Raichle, 2007; Gabard-Durnam et al., 2016). Napríklad sa ukázalo, že funkčná konektivita vyvolaná úlohou predpovedá funkčnú konektivitu v pokojovom stave o 2 roky neskôr, ale nie súčasne (Gabard-Durnam et al., 2016). Okrem toho, ako naznačuje rámec interaktívnej špecializácie, interpretovali sme zistenia, aby sme ukázali, že zmeny v pamäti v ranom veku môžu viesť k funkčnej integrácii v rámci siete hipokampálnej pamäte a že tento proces si vyžaduje čas, aby sa rozvinul (Johnson, 2011; Poppenk et al., 2013). Inými slovami, skoré zisky pamäte môžu odrážať postupné zdokonaľovanie siete hipokampálnej pamäte v priebehu času, čo v konečnom dôsledku vedie k zlepšeniu iHFC aj počas absencie špecifickej úlohy. To je v súlade s predchádzajúcim výskumom v iných kognitívnych doménach, ktorý ukazuje, že zmeny v hipokampálno-parietálnej konektivite v strednom detstve vyvolané aritmetickým tréningom (Rosenberg-Lee et al., 2018).

Funkčná konektivita hipokampu predpovedala neskoršie zmeny zdrojovej pamäte

Konektivita z hipokampu na fúzy a ITG predpovedala zmeny pamäte o 2 roky neskôr. To však platilo len pre staršiu kohortu, takže iHFC s fusiformom a ponechané ITF po 6 rokoch predpovedali zmeny pamäte o 2 roky neskôr. Tieto zistenia podporujú tvrdenie, že aktivita v mozgu môže tiež formovať správanie, a naznačujú, že funkčná integrácia v rámci siete hipokampálnej pamäte môže predpovedať budúce vývojové prírastky pamäťovej schopnosti u detí vo veku 6 rokov. Toto zistenie je v súlade s predchádzajúcimi štúdiami, ktoré naznačujú, že skoršie iHFC môže predpovedať zmeny správania vyvolané intervenciou v typických a atypických vývojových populáciách (Hoeft a kol., 2011; Supekar a kol., 2013). Naša štúdia preto naznačuje, že na začiatku života interakcia medzi mozgom a vývojom správania nie je jednosmerná, ale je to recipročný proces: zmeny správania formujú budúcu mozgovú aktivitu a mozgová aktivita formuje budúce zmeny správania.

Účinky načasovania v interakcii medzi vývojom správania a mozgu

Naše výsledky naznačujú, že na načasovaní záleží, pokiaľ ide o interakcie medzi mozgom a vývojom správania. Konkrétne, hoci skoršie zmeny pamäte predpovedali neskoršiu hipokampálnu konektivitu s určitými kortikálnymi oblasťami v mladej aj starej kohorte, iba v mladšej kohorte sa skoré zmeny pamäte týkali funkčnej konektivity z hipokampu do ľavého IFG a OFG. Na rozdiel od toho skorá funkčná konektivita s fusiformným a ľavým ITG významne predpovedala neskoršie zmeny pamäte iba v staršej kohorte. Navrhujeme dve možné vysvetlenia týchto časových rozdielov. Po prvé, tieto zistenia môžu vyplývať zo známych rozdielov v rozsahu zmien súvisiacich s vekom vo vývoji zdrojovej pamäte počas detstva. V súlade s predchádzajúcimi behaviorálnymi štúdiami, ktoré naznačujú zrýchlené rýchlosti zmien v zdrojovej pamäti pred šiestym rokom života (Riggins, 2014), súčasná štúdia naznačuje, že zmeny pamäte u 4-až{3}}rokov starej kohorty boli väčšie podstatnejšie ako v prípade 6-až{5}}rokov starej kohorty. Väčšie zmeny pamäte môžu viesť k väčším zmenám v mozgu. To môže pomôcť vysvetliť, prečo skoršie zmeny pamäte v mladšej kohorte predpovedali konektivitu medzi hipokampom a IFG a OFG.

Alternatívne môže rozdiel v načasovaní vyplývať zo známych rozdielov vo vývojových zmenách v hipokampe počas detstva. Štúdie na ľuďoch a zvieratách dôsledne naznačujú, že pamäťová sieť hipokampu zažíva významný rozvoj okolo šiesteho roku života (Serres, 2001; Lavenex a Lavenex, 2013). Preto môže byť 4-6 rokov citlivým obdobím pre rozvoj hipokampu, ktorý sa vyznačuje väčšou plasticitou (Tottenham a Sheridan, 2010). Toto tvrdenie je v súlade s argumentom, že formovanie funkčnej architektúry môže byť obzvlášť výrazné počas vývojových období, keď sú nervové systémy najplastickejšie a prístupné environmentálnym vstupom (Bick a Nelson, 2017). Po skončení citlivého obdobia môže zrelšia hipokampálna pamäťová sieť začať riadiť vývojové zmeny v pamäťových schopnostiach. To môže vysvetľovať, prečo iHFC predpovedalo zmeny správania iba v staršej kohorte. Preto špekulujeme, že až potom, čo mozog dosiahne určitý prah dozrievania, môže jeho funkcia spoľahlivo a dôsledne predpovedať správanie. Účinky načasovania môžu závisieť aj od špecifických oblastí mozgu vykazujúcich funkčnú konektivitu s hipokampom. Včasné zmeny pamäte zo 4 na 5 rokov predpovedali funkčnú konektivitu medzi hipokampom a prefrontálnymi oblasťami (IFG a OFG) po 6 rokoch. V staršej kohorte však funkčná konektivita vo veku 8 rokov nebola predpovedaná zmenami správania od 6 do 7 rokov. Na rozdiel od toho iba v staršej kohorte iHFC predpovedal zmeny pamäte o 2 roky neskôr, a to bolo špecifické pre fusiformu a ITG. Tieto zistenia môžu byť spôsobené rôznymi vývojovými trajektóriami týchto nervových oblastí. Predchádzajúce výskumy ukázali, že vývoj mozgu prebieha v hierarchickej postupnosti od zmyslových cez asociačné kôry až po oblasti dôležité pre kognitívne funkcie (Gogtay et al., 2004; Shaw et al., 2008). IFG a OFG sú oblasti spojené s kogníciou vyššieho rádu, ktoré dozrievajú neskôr ako senzorické alebo asociačné oblasti. Zistenia súčasnej štúdie sú teda v súlade s predstavou, že prefrontálne oblasti, ako sú IFG a OFG, sú menej zrelé, a preto plastickejšie v mladšej verzus staršej kohorte. To je tiež v súlade s predchádzajúcimi štúdiami, ktoré naznačujú, že zvýšené funkčné spojenie hipokampu s PFC súvisí s rozvojom pamäťových schopností (Qin et al., 2014). Súčasné zistenia rozširujú túto prácu a naznačujú, že 4-6 rokov môže byť citlivým obdobím pre funkčnú integráciu medzi hipokampom a frontálnymi oblasťami. Naproti tomu fusiformné a ITG súvisia s vizuálnym spracovaním a dozrievajú skôr ako prefrontálne oblasti. Takéto skoré dozrievanie môže byť základom schopnosti fusiformných a ITG predpovedať zmeny správania.

Silné stránky a obmedzenia

Súčasná štúdia má niekoľko silných stránok. Použitím zrýchleného longitudinálneho dizajnu sme sledovali vývojové zmeny v zdrojovej pamäti, iHFC a vzťahoch medzi nimi. Tento dizajn nám tiež umožnil otestovať rozdiely v načasovaní porovnaním dvoch kohort detí. Zameraním sa na navrhované citlivé obdobie pre rozvoj zdrojovej pamäte sme boli schopní preskúmať, ako je sieť hipokampálnej pamäte v rámci tohto dôležitého vývojového okna rafinovaná a ako súvisí so zlepšeniami pamäte.

Táto štúdia má tiež obmedzenia. Kvôli obmedzenej veľkosti vzorky sme neboli schopní preskúmať, ako zmeny vo funkčnej konektivite v priebehu času súvisia s pamäťou. Z dôvodu veľkosti vzorky sme sa tiež rozhodli nevykonávať analýzy celého mozgu a namiesto toho sme sa spoliehali na ROI odvodené zo štúdie založenej na úlohe zahŕňajúcej deti z rovnakej longitudinálnej štúdie. Môžu teda existovať aj nálezy s ďalšími oblasťami mozgu, ktoré nie sú zahrnuté v súčasnom súbore ROI. Okrem toho boli ROI definované v úlohe iba pomocou obrazového materiálu. Na rozdiel od toho sa zdrojová pamäť v tejto štúdii merala v úlohe zahŕňajúcej obrazový aj verbálny materiál. Nie je známe, či by sa aktivovali rôzne oblasti mozgu na kódovanie kontextových informácií pomocou vizuálnych versus verbálnych modalít. Nakoniec, hoci časť detí vo vzorke poskytla údaje fMRI založené na úlohách na definovanie ROI, nemali sme dostatok údajov MRI založených na úlohách na posúdenie vývojových vzťahov medzi funkčnou konektivitou hipokampu založenou na úlohe a konektivitou meranou bez náročnej úlohy. uložené.

Na záver sa naša štúdia zamerala na mechanizmy súvisiace s vývojovými zmenami v zdrojovej pamäti a základnej hipokampálnej sieti medzi 4. a 8. rokom života. Výsledky naznačujú, že behaviorálna skúsenosť a zmeny mozgu sú interaktívne procesy, takže skúsenosť formuje zmeny v mozgu a mozog formuje zmeny v správaní. Naše zistenia navyše podporujú a rozširujú predchádzajúce štúdie vývoja mozgu tým, že ukazujú, že na načasovaní záleží, pokiaľ ide o zmeny správania formujúce konektivitu mozgu, a takéto rozdiely v načasovaní závisia aj od toho, ktoré oblasti mozgu sú zapojené. Tieto zistenia spoločne pridávajú kritický pohľad na vývoj zdrojovej pamäte v ranom detstve a prispievajú k rastúcemu počtu literatúry dokumentujúcej interaktívne a zložité vzťahy medzi kognitívnymi procesmi a ich neurologickými základmi vo vyvíjajúcom sa mozgu.