Ændringer i hjerneforbindelsen under søvn med lukket sløjfe transkraniel neurostimulering Forudsig metamehukommelsesfølsomhed, del 1

ABSTRAKT

Metamemory involverer evnen til korrekt at bedømme nøjagtigheden af ​​vores erindringer. Hentning af hukommelser kan forbedres ved hjælp af transkraniel elektrisk stimulation (tES) under søvn, men beviser for forbedringer af metahukommelsesfølsomhed er begrænset.

Hukommelseshentning refererer til processen med at hente information lagret i hjernen på forskellige måder, når hukommelsesglem opstår. I vores daglige studieliv er hukommelsessøgning et meget vigtigt led. Det kan ikke kun hjælpe os med at konsolidere den viden, vi har lært, men også forbedre vores hukommelse.

Hukommelse er en persons evne til at bevare og genkalde information, og den er uadskillelig fra læring. Kun med en stærk hukommelse kan vi mestre mere viden og færdigheder og spille en større rolle i vores daglige liv.

Hukommelseshentning og hukommelse er tæt forbundet. Hukommelseshentning er, når vi skal bruge bestemt viden, vi vil søge og genkalde den, og denne proces med at søge og genkalde er hukommelseshentning. Hvis vores hukommelse ikke er stærk nok, vil vi have svært ved at hente hukommelsen og kan glemme, hvilket vil påvirke vores indlæringseffekt og præstation.

Derfor er det ikke en simpel sag at forbedre hukommelsen, men vi kan bruge nogle videnskabelige metoder og teknikker til at hjælpe os med at forbedre hukommelsen. For eksempel kan vi konsolidere hukommelsen gennem gentagen læring, bruge associationsfærdigheder til yderligere at uddybe hukommelsen eller aktivere vores hjerner på forskellige måder for yderligere at forbedre hukommelsen.

Kort sagt er hukommelseshentning og hukommelse tæt forbundet. Kun når vi har en stærk hukommelse, kan vi udføre hukommelsessøgning bedre og opnå bedre indlæringsresultater. Lad os have modet til at udfordre os selv, forbedre vores hukommelse gennem kontinuerlig læring og øvelse og lægge et solidt fundament for vores fremtid. Det kan ses, at vi skal forbedre hukommelsen, og Cistanche deserticola kan forbedre hukommelsen markant, fordi Cistanche deserticola er et traditionelt kinesisk medicinsk materiale, der har mange unikke effekter, hvoraf en er at forbedre hukommelsen. Virkningen af ​​Cistanche deserticola kommer fra de mange aktive ingredienser, den indeholder, herunder garvesyre, polysaccharider, flavonoidglycosider osv. Disse ingredienser kan fremme hjernens sundhed gennem en række forskellige veje.

Klik på kender 10 måder at forbedre hukommelsen

Anvendelse af tES kan forbedre søvnafhængig hukommelseskonsolidering, som sammen med metahukommelse kræver koordinering af aktivitet på tværs af distribuerede neurale systemer, hvilket tyder på, at undersøgelse af funktionel forbindelse er vigtig for at forstå disse processer.

Ikke desto mindre har littleresearch undersøgt, hvordan funktionelle tilslutningsmodulationer relaterer sig til ændringer i metahukommelsesfølsomhed natten over. Her udviklede vi en lukket sløjfe med kort varighed tES-metode, tidslåst til op-tilstande af igangværende langsom-bølgesvingninger, for at signalere specifikke hukommelsesgentagelser hos mennesker. Vi målte elektroencefalografiske (EEG) kohærensændringer efter stimuleringsimpulser og karakteriserede netværksændringer med grafteoretiske metrikker.

Ved hjælp af maskinlæringsteknikker viser vi, at pulseret tES fremkaldte netværksændringer i flere frekvensbånd, herunder øget forbindelse i theta-båndet og øget effektivitet i spindelbåndet. Derudover var stimulationsinducerede ændringer i beta-båndets banelængde forudsigelige for nattens ændringer i metahukommelsesfølsomhed.

Disse resultater tilføjer ny indsigt til den voksende litteratur, der undersøger stigninger i hukommelsesydelse gennem hjernestimulering under søvn og fremhæver vigtigheden af ​​at undersøge funktionelle forbindelser for at forklare dens virkninger.

FORFATTERRESUMÉ

Talrige undersøgelser har vist en klar sammenhæng mellem søvn og hukommelse - nemlig erindringer konsolideres under søvn, hvilket fører til mere stabile og langvarige repræsentationer.

Vi har tidligere vist, at tagging af episoder med specifikke mønstre af hjernestimulering under indkodning og genafspilning af disse mønstre under søvn kan forbedre denne konsolideringsproces for at forbedre tilliden og beslutningstagningen af ​​minder (metahukommelse).

Her udvider vi dette arbejde for at undersøge hjerneændringer på netværksniveau, der opstår efter stimulation under søvn, som forudsiger forbedringer af hukommelsen. Ved at bruge grafteoretiske metoder og maskinlæringsmetoder fandt vi ud af, at stimulationsinducerede ændringer i beta-båndets vejlængde forudsagde nattens forbedringer i metamory.

Denne nye opdagelse kaster nyt lys over de neurale mekanismer for hukommelseskonsolidering og foreslår potentielle anvendelser til at forbedre metahukommelse.

INTRODUKTION

Hjernen har den bemærkelsesværdige evne til at omdanne korte møder og episoder, endda "one-shot"-møder, til langvarige minder. Dette sker gennem en proces kendt som hukommelseskonsolidering, hvor minder i en labil tilstand afspilles under søvn og konverteres til mere stabile repræsentationer. Men vellykket genfinding af minder involverer kontrolprocesser og beslutningstagning, og selv minder, der konsolideres under søvn, kan være svære at genkalde eller genfinde med ringe tillid til deres sandhed (Koriat & Goldsmith, 1996).

Metahukommelsesfølsomhed, eller et individs evne til at bedømme nøjagtigheden af ​​deres erindringer med tillid, spiller en afgørende rolle i brugen af ​​vores erindringer. For eksempel kan et øjenvidne til en forbrydelse med succes have indkodet kritiske detaljer om episoden, men er muligvis ikke sikker i deres hukommelse, hvilket fører til forkerte beslutninger (Luus & Wells, 1994; Memonet al., 2003; Sporer et al., 1995) .

Det er derfor af afgørende betydning at forbedre ikke kun hukommelseshentning, men også metahukommelsesfølsomhed. Her undersøgte vi forbedringen af ​​følsomheden med en intervention, mens individer sov. Under søvn reaktiveres neuronale ensembler, der repræsenterer tidligere kodede erindringer, i både hippocampus og neokortikale områder (Euston et al., 2007; Ji & Wilson, 2007; Nádasdy et al., 1999; Sirota et al., 2003; Skaggs & McNaughton, 1996;

Hukommelsesgentagelser observeres overvejende under langsom bølgesøvn, især under de positive faser, eller op-tilstande, af den igangværende 0.5-1,2 Hz oscillation (Lee & Wilson, 2002; Mölle & Born, 2011). Reaktiveringer af kodningsspecifikke neuronale mønstre ledsages af 12-15 Hz thalamokortikal oscillerende aktivitet kendt som spindler, såvel som kortvarige højfrekvente udbrud i hippocampus kaldet ripples (De Gennaro & Ferrara, 2003; Mölleet al., 2006).

Den indviklede koordinering af gentagelser, spindler og krusninger er afgørende for at lette konsolideringen af ​​minder til langtidslagring eller for at overføre minder fra hippocampus til neocortex (McClelland et al., 1995; McGaugh, 2000; Rasch & Born, 2013; Staresina et al., 2015).

Konsolidering af minder kan ikke kun lette deres senere genfinding, men kan også relateres til individets fremtidige tillid til dem; konsolidering kan nemlig styrke minder og forbedre læring (Walker & Stickgold, 2004), og tillid til minder er relateret til hukommelsestrohed (Dallenbach, 1913).

Målretning af konsolideringsprocessen med en intervention kunne således ikke kun gavne genfindingssucces, men også metahukommelsesfølsomhed. I løbet af det sidste årti har forskere i stigende grad undersøgt måder at booste hukommelseskonsolideringsprocesser gennem eksterne manipulationer. Disse interventionsstudier har vist, at søvnafhængig hukommelseskonsolidering kan forbedres på to måder.

For det første kan hukommelsesreaktiveringer udløses under søvn ved at genudsætte individer for eksterne sensoriske signaler, såsom lugte eller lyde, der var til stede under kodning (Antony et al., 2012; Oudiette & Paller, 2013; Schreiner & Rasch, 2014; Rasch et al. , 2007; Rudoy et al., 2009). Denne cued-genaktivering kan føre til fordele ved tilbagekaldelse for de specifikke genstande, der tidligere var knyttet til cues.

For det andet har flere undersøgelser vist, at anvendelse af transkraniel elektrisk stimulation (tES) ved bestemte frekvenser til hjernen under søvn kan forstærke endogene elektrofysiologiske processer, hvilket fører til facilitering af hukommelseskonsolidering og efterfølgende genkendelse eller genkaldelse (Ketz et al., 2018; Ladenbauer et al. , 2016, 2017; Lustenbergeret al., 2016; Marshall et al., 2006, 2004;

Disse undersøgelser har vist en generel stigning i hukommelseshentningsydelse efter tES under søvn. Det er vigtigt, at denne stimuleringsrelaterede fordel for hukommelsen potentielt kan skyldes frekvensspecifikke ændringer i funktionel forbindelse mellem hjerneregioner (Krause et al., 2017).

For at opsummere, tyder tidligere forskning på, at genfinding af minder kan styrkes gennem neurostimulering under søvn, og ville potentielt antyde, at individer også ville have større metahukommelsesfølsomhed eller større korrelation i nøjagtigheden og tilliden til deres hukommelsesbeslutninger for disse episoder.

Faktisk har nogle undersøgelser påvist en sammenhæng mellem sund uafbrudt søvn og intakte metamory-domme (Dauratet al., 2010). Dette er dog muligvis ikke tilfældet, da anden forskning har påvist dissociationer mellem førsteordens afgørelser (anerkendelsesdomme) og andenordens afgørelser (tillidsdomme; Del Cul et al., 2009; Hebart et al., 2016; Rounis et al. al., 2010).

Dette er vigtigt, da hukommelsestillid kan falde over tid (Shapira & Pansky, 2019), hvilket fører til fejl i hukommelsesrapportering og dårligere beslutningstagning.

Neural stimulering af præfrontalcortex har vist sig at forbedre hukommelsesovervågning for generelle vidensspørgsmål (Chua & Ahmed, 2016; Chua et al., 2017), og theta-burst-stimulering for at sænke aktiviteten af ​​den frontopolære cortex påvirkede metakognitive vurderinger (Ryals et al. , 2016), hvilket tyder på, at teknikker kan være effektive til at forbedre og vedligeholde hukommelsesfølsomhed for nyligt kodede episoder.

Faktisk har nyligt arbejde i vores laboratorium vist, at unikke spatiotemporale amplitudemodulerede mønstre (STAMPs) af tES kan bruges til at øge søvnkonsolideringen og følsomheden af ​​vurderinger af specifikke episodiske minder erhvervet i immersivevirtual reality (Pilly et al., 2020).

I dette papir udvider vi tidligere arbejde med at signalere hukommelsesgenaktivering ved at undersøge ændringer i funktionel forbindelse efter kortvarige tES-mønstre (nemlig STAMPs) under søvn.

Funktionel tilslutning har tidligere vist sig at blive påvirket af tES under vågenhed (Polanía et al., 2011, 2012), såvel som af hukommelseskonsolidering under søvn (Mölleet al., 2004). Derudover menes konsolidering af minder i hjernen at være en proces på systemniveau, idet den understøttes af en kombination af kort- og langrækkende kommunikation på tværs af hjernestrukturer (Staresina et al., 2015).

Dette svarer sandsynligvis til metamemory, da forskning har vist forbindelse mellem et distribueret netværk af hjerneområder, herunder frontal cortex, precuneus og hippocampus, understøtter hukommelse og metakognitive vurderinger (Baird et al., 2013; Molenberghs et al., 2016; Morales et al., 2018; Ren et al., 2018; Ye et al., 2019).

Derfor er det afgørende at forstå, hvordan ændringer i funktionel forbindelse relaterer til denne proces; Så vidt vi ved, har ingen undersøgelse til dato undersøgt, hvordan ændringer i funktionel forbindelse på grund af stimulation under søvn kan påvirke eller relatere til hukommelseskonsolidering og beslutningsprocesser.

For at undersøge ændringer i funktionel konnektivitet brugte vi mål for EEG-kohærens (Nunez, 1995), specifikt den imaginære del af sammenhæng (Nolte et al., 2004) og udtog træk ved forbindelse fra kohærensdataene med grafteoretiske analyser (Bullmore & Sporns) , 2009; Sporns, 2003).

Denne tilgang modellerer hjernens funktionelle forbindelse som en sammenkoblet graf og giver mulighed for at udforske forholdet mellem netværksstruktur og funktion.

Mens vi var interesserede i forbindelsesændringer i spindelbåndet, udvidede vi analysen til at omfatte flere andre frekvensbånd, da aktivitet i mange spektralbånd har været relateret til hukommelsesprocesser (Hanslmayr & Staudigl, 2014; Hanslmayr et al., 2012; Lisman & Jensen, 2013). Vi brugte derefter maskinlæringsbaserede teknikker til at bestemme de vigtige grafteoretiske funktioner til at skelne mellem Active og Sham-stimuleringsbetingelser samt forudsige ændringer i den episodiske hukommelsesadfærd natten over.

På denne måde giver vi ny indsigt i moduleringer i funktionel forbindelse efter pulserede tES, der er relateret til ændringer i metamemorysensitivitet for specifikke episodiske hukommelser.

MATERIALER OG METODER

Deltagerne rapporteret i dette papir er den samme gruppe af deltagere fra Pilly et al.(2020). De modtog unikke korte spatiotemporale mønstre af tES (nemlig STAMPs) under kodning af episodisk information, hvoraf halvdelen blev genanvendt under up-states of slow-waveoscillations (SWOs) i løbet af efterfølgende nætter for at signalere reaktivering af de specifikke tilknyttede minder (aktiv tilstand).

På et andet tidspunkt udførte de samme personer også hukommelsesopgaven uden hjernestimulering (Sham-tilstand).

Derfor var vi ikke kun interesserede i ændringerne i funktionel forbindelse, der adskilte sig mellem Active og Sham-stimuleringsbetingelserne, men også i forbindelsesændringerne efter STAMPs, der var relateret til ændringer i tilbagekaldelsen af ​​specifikke episodiske minder fra før til efter søvn.

Deltagere

I alt 30 raske deltagere gennemførte eksperimentet, som blev rekrutteret ved hjælp af flyers placeret rundt omkring på campus ved University of New Mexico og det omkringliggende samfund og modtog økonomisk kompensation efter afslutningen af ​​undersøgelsen.

Af disse blev seks deltagere udelukket fra analyserne på grund af enten udstyrssvigt med at stimulere under en aktiv nat eller manglende overholdelse af følgende opgaveinstruktioner.

Søvn-EEG-dataene fra yderligere seks deltagere kunne ikke bruges til at beregne funktionelle forbindelsesmål på grund af overdrevne artefakter, hvilket førte til inklusion af N=18 deltagere i den endelige analyse og rapportering. Alle deltagere gav underskrevet informeret samtykke til at deltage i undersøgelsen, som blev godkendt af Chesapeake Institutional Review Board.

Alle deltagere var engelsktalende som modersmål, havde normal eller korrigeret til normal hørelse og syn og havde ingen historie med neurologisk eller psykiatrisk lidelse eller stofmisbrug.

Adfærdsparadigme og -procedure
En oversigt over den eksperimentelle procedure er præsenteret i figur 1. Eksperimentet bestod af en akklimatiseringsperiode for at træne deltagerne og lade dem sove i laboratoriet, efterfulgt af to eksperimentelle nætter, der involverede læring og test.

Tilvænningsnatten var kun for at give deltagerne mulighed for at vænne sig til at sove i laboratoriet, og EEG-data blev ikke registreret eller analyseret fra denne periode. Deltagerne kodede information på den første eksperimentelle aften. Temaopgaven bestod i at se virtual reality-episoder administreret med et HTC Vive VRheadset, efterfulgt af adskillige hukommelsesgenkaldelsestests på detaljer fra episoderne.

Deltagerne kodede 14 virtual reality-vignetter, som hver varede omkring et minut, og skildrede en række begivenheder med to eller flere karakterer, der begår en eller anden handling omkring et lejlighedskompleks. En ekstra vignet, der var længere, blev brugt til at træne deltagerne i akklimatiseringsperioden. Deltagerne blev testet på deres hukommelse for vignetter på tværs af fem testsessioner, der blev administreret gennem 48 timer med en ikke-VR-computeriseret opgave bygget i MATLAB.

For hver vignet blev der konstrueret 10 testelementer, der bestod af sande/falske udsagn om specifikke aspekter af vignetten. Hver af de fem testlister indeholdt 28 punkter, 2 for hver vignet. Deltagerne rapporterede, om testudsagnene var Sande/Falske, samt tilliden til deres genkaldelse på en skala fra 1-10. Deltagerne sov i laboratoriet i hver af de tre nætter.

Proceduren bestod af fire eksperimentelle sessioner og en akklimatiseringssession. I akklimatiseringssessionen så deltagerne en lang øvelsesvignet besvarede øvelsestestspørgsmål og sov bagefter i laboratoriet. I den følgende første eksperimentelle session (session 1) kodede deltagerne de eksperimentelle stimuli.

Halvdelen af ​​deltagerne modtog unikke tES med unikke STAMPS under visning af vignetter (Aktiv tilstand), hvorimod den anden halvdel ikke modtog nogen stimulation (Sham-tilstand). Deltagerne modtog den modsatte stimuleringstilstand over yderligere to eksperimentelle nætter adskilt af ca. 1 uge. Efter at have gennemført vignetvisningsproceduren fik deltagerne deres første hukommelsesgenkaldelsestest og sov derefter natten over i laboratoriet. Denne nat, og ikke tilvænningsnatten, blev betragtet som "Nat 1."

Deltagerne i den aktive tilstand modtog halvdelen af ​​STAMP'erne i løbet af natten for at signalere konsolidering af specifikke minder i løbet af natten. I modsætning hertil modtog deltagere i Sham-tilstanden ikke stimulation i løbet af natten. Bemærk, at dette undersøgelsesdesign gjorde det muligt for os at sammenligne hukommelsesydelse for episoder, der modtog STAMP-stimulering under kodning og søvn (Tag & Cue) med episoder, der kun modtog stimulering ved indkodning (Tag & No Cue). Til forbindelsesanalyserne fokuserede vi på Tag & Cue og Sham (ingen kodning eller søvnstimulering) betingelser.

Efter at deltagerne var vågnede, fik de en anden hukommelsestest, og forsøgssessionen afsluttedes. Den anden eksperimentelle session (session 2) fandt sted om aftenen efter den første session. Deltagerne fik en tredje hukommelsestest om aftenen, gik i seng, og modtog endnu en hukommelsestest efter at være vågnet.

Denne anden periode med at sove i laboratoriet blev betragtet som "Nat 2." Aktive gruppedeltagere modtog igen STAMPS i løbet af natten. Den sidste hukommelsestest blev administreret senere på aftenen. For den modsatte stimulationstilstand (session 3 og 4) så deltagerne et nyt sæt på 14 vignetter og blev administreret tilsvarende hukommelses-genkaldelsestest over 2 dage. På denne måde var eksperimentet en manipulation inden for forsøgspersoner, hvor Active og Sham-betingelserne forekom med ca. 1 uges mellemrum.

Tildelingen af ​​stimuleringstilstandsrækkefølgen (Aktiv først vs. Sham først), såvel som tildelingen af ​​vignetter, blev opvejet på tværs af deltagerne. Analyserne rapporteret i dette papir fokuserer på Night 2, hvor de største adfærdsmæssige effekter af STAMP-stimulering blev fundet (se Pilly et al., 2020, for yderligere detaljer).

For more information:1950477648nn@gmail.com