Forståelse af rollerne for central og autonom aktivitet under søvn i forbedringen af ​​arbejdshukommelsen og episodisk hukommelse Del 1

Det sidste årti har set betydelige fremskridt med at identificere søvnmekanismer, der understøtter kognition. De fleste af disse undersøgelser fokuserer på sammenhængen mellem elektrofysiologiske hændelser i centralnervesystemet under søvn og forbedringer i forskellige kognitive domæner, mens de dynamiske skift i det autonome nervesystem på tværs af søvnen stort set er blevet overset.

Søvn og hukommelse er tæt forbundet. Mens vi sover, behandler og konsoliderer vores hjerner den information, vi har lært i løbet af dagen, og hjælper os med at huske og lære. Derfor er en god søvnmekanisme meget vigtig for at forbedre vores hukommelse.

Der er to hovedstadier af søvn: hurtige øjenbevægelser (REM) og ikke-hurtige øjenbevægelser (NREM). Disse to stadier af søvn spiller forskellige roller i forskellige typer af minder. Under NREM-søvnstadiet vil hjernen styrke behandlingen af ​​minder og injicere vigtig information i langtidshukommelsen for bedre at bevare dem. I REM-søvnstadiet vil hjernen forbedre vores kreativitet og fantasi ved at genkalde og omorganisere information, og der kan også forekomme en vis hukommelsesfading.

For at sikre en god søvnkvalitet bør vi være opmærksomme på at udvikle gode søvnvaner. Dette inkluderer regelmæssige søvntider, undgåelse af overdreven brug af elektroniske enheder før sengetid og opretholdelse af et behageligt sovemiljø. Derudover er opretholdelse af fysisk sundhed gennem træning og kostkontrol også nøglen til søvnkvalitet.

Kort sagt er søvnmekanisme og hukommelse tæt forbundet. Ved at opretholde gode søvnvaner og livsstil, kan vi forbedre kvaliteten af ​​vores søvn, og derved hjælpe os med bedre at vedligeholde vores hukommelse og indlæringsevner. Det kan ses, at vi skal forbedre vores hukommelse. Cistanche deserticola kan forbedre hukommelsen markant, fordi Cistanche deserticola også kan regulere balancen af ​​neurotransmittere, såsom at øge niveauet af acetylcholin og vækstfaktorer. Disse stoffer er meget vigtige for hukommelse og indlæring. Derudover kan kød også forbedre blodgennemstrømningen og fremme ilttilførsel, hvilket kan sikre, at hjernen får tilstrækkelige næringsstoffer og energi, og dermed forbedre hjernens vitalitet og udholdenhed.

Klik på kend kosttilskud for at øge hukommelsen

Nylige undersøgelser har imidlertid identificeret betydelige bidrag fra autonome input under søvn til kognition. Alligevel er der stadig betydelige huller i forståelsen af, hvordan centrale og autonome systemer arbejder sammen under søvn for at lette kognitiv forbedring. I denne artikel undersøger vi beviserne for de uafhængige og interaktive roller af centrale og autonome aktiviteter under søvn og vågen i kognitiv behandling. Vi fokuserer specifikt på de præfrontale-subkortikale strukturer, der understøtter arbejdshukommelse og mekanismer, der ligger til grund for dannelsen af ​​hippocampus-afhængig episodisk hukommelse.

Vores Slow Oscillation Switch Model identificerer separate og konkurrerende underliggende mekanismer, der understøtter de to hukommelsesdomæner på synaptisk, system- og adfærdsniveau. Vi foreslår, at søvn er en konkurrencedygtig arena, hvor begge hukommelsesdomæner kappes om begrænsede ressourcer, eksperimentelt demonstreret, når boostning af et system fører til en funktionel afvejning i elektrofysiologiske og adfærdsmæssige resultater.

Da disse resultater uundgåeligt fører til yderligere spørgsmål, foreslår vi områder af fremtidig forskning for bedre at forstå, hvordan hjernen og kroppen interagerer for at understøtte en bred vifte af kognitive domæner under en enkelt søvnepisode.

Det autonome nervesystem (ANS) er opdelt i to grene, hvor den sympatiske gren er forbundet med energimobilisering under såkaldte fight–flight–freeze responser (1, 2) og den parasympatiske gren forbundet med vegetative og genoprettende funktioner under såkaldte fight–flight–freeze responses (1, 2) og den parasympatiske gren der er forbundet med vegetative og genoprettende funktioner. hvile-fordøje-reaktioner (3). Disse grene "arbejder antagonistisk, synergistisk og uafhængigt for at indsamle information fra sanseorganer og koordinere reaktioner på interne og eksterne krav" (4).

Både det sympatiske og det parasympatiske nervesystem kommunikerer med centralnervesystemet (CNS), og danner et system kaldet det centrale autonome netværk. Det centrale autonome netværk er et sæt af CNS-strukturer, herunder locus coeruleus (LC), hypothalamus, amygdala, ventromediale præfrontale cortex, hippocampus og thalamus, der direkte eller indirekte modtager input fra og modulerer output til ANS.

Vagusnerven (den 10. kranienerve) består af ~80 % afferente forbindelser (5), der kommunikerer parasympatisk/vagal information fra periferien til kernen af ​​den solitære trakt i hjernestammen og højere-ordens områder i det centrale autonome netværk ( 6, 7). Derudover tillader nedadgående projektioner fra det centrale autonome netværk tovejskommunikation mellem hjernen og de perifere regioner (8, 9).

Hos mennesker er en ikke-invasiv metode til at påvise ANS-aktivitet hjertefrekvensvariabilitet (HRV), som undersøger variabiliteten mellem individuelle hjerteslag (R-R-intervaller, som afspejler ventrikulær depolarisering) i QRS-komplekset af elektrokardiogram (EKG) (10-12).

HRV kan beregnes i tidsdomænet og frekvensdomænet. Tidsdomænemål for HRV inkluderer 1) SD for alle R-R intervaller (SDNN), et generelt mål for variabilitet i hjertefrekvens og 2) rodmiddelværdien af ​​successive forskelle (RMSSD), et mål for hjertefrekvensudsving medieret primært af vagusnerven.

Frekvensdomænemål for HRV omfatter 1) styrken af ​​højfrekvent HRV (HF-HRV: 0.15 til 0.40 Hz), en indikator for respiratorisk sinusarytmi og parasympatisk vagal aktivitet, og 2) styrken af ​​lavfrekvent HRV (LF-HRV: 0.04 til 0.15 Hz), et blandet signal fra både sympatiske og parasympatiske kilder. I betragtning af usikkerheden i bidraget af signaler, der omfatter LF-HRV, i forhold til de kendte vagale oprindelser af HF-HRV-signalet, har forskning i autonom aktivitet en tendens til at fokusere på HF-HRV.

For en nylig gennemgang af hjerneområderne og neuromodulatoriske systemer, der omfatter de parasympatiske og sympatiske grene, såvel som deres input til hjerneområder, der er dedikeret til kognitiv behandling, se Whitehurst et al. (4).

Vores gennemgang fokuserer specifikt på beviserne, der understøtter ANS'ens rolle i kognitive processer på tværs af vågen og søvn. Vi rapporterer om et robust sæt fund, der forbinder parasympatisk/vagal aktivitet under vågen og søvn med det præfrontale-subkortikale netværk, der regulerer kognitiv kontrol, eksekutiv funktion og arbejdshukommelse (WM). Vi identificerer også en betydelig mangel på beviser for autonom aktivitet, der letter søvnafhængig hukommelseskonsolidering, et bemærkelsesværdigt hul i betragtning af den store mængde forskning, der forbinder søvn med dannelsen af ​​langtidsminder. Dernæst opsummerer vi den nuværende viden om mekanismer, der understøtter dannelsen af ​​langtidsminder under søvn.

På denne baggrund udvikler vi hypotesen om, at hjernenetværk og neuromodulatoriske systemer under søvn, der understøtter øget effektivitet i WM og konsolidering af hippocampale, episodiske minder er separate og konkurrerende mekanismer. Vi introducerer Slow Oscillation Switch Model, som giver en oversigt over, hvordan disse mekanismer interagerer under søvn, sammen med nye testbare hypoteser og nye undersøgelseslinjer for yderligere forskning på dette område.

Autonome indgange modulerer kognition

Kognitive processer, der er afhængige af top-down hæmmende kontrol i præfrontale-subkortikale netværk, såsom følelsesmæssig regulering, kognitiv kontrol eller eksekutiv funktion, er blevet forbundet med parasympatisk/vagal aktivitet. Kognitiv kontrol eller eksekutiv funktion, koordineringen af ​​mentale processer og handlinger ved nuværende mål og planer er en primær funktion af den præfrontale cortex.

Koordineringen af ​​kognitiv kontrol implementeres af flere funktionelle kredsløb forankret i den præfrontale cortex, herunder den ventromediale præfrontale cortex, den anteriore cingulate cortex og en bred vifte af subkortikale regioner (13). WM er et aspekt af eksekutiv funktion, der understøtter vedligeholdelse og manipulation af en lille mængde information, varer normalt fra sekunder til minutter (14), og deler lignende neurale mekanismer med kognitiv kontrol (15). Omfanget af dette papir vil fokusere på et aspekt af eksekutiv funktion, nemlig WM (for mere information om følelsesmæssig regulering, se ref. 16-19).

WM indebærer, i modsætning til langtidshukommelse (LTM), transformation af hukommelsesrepræsentationer eller spor og er en informationsgenerel, online kognitiv proces, som traditionelt er blevet betragtet som et uændret træk. Alligevel har WM-træningsundersøgelser vist, at eksekutiv funktion generelt og WM specifikt kan forbedres (20), og at disse forbedringer understøttes af øget præfrontal effektivitet og automatik af præfrontale-subkortikale netværk (21, 22).

Forskning i ANS'ens rolle i kognition har vist, at parasympatisk/vagal aktivitet kan være en indikator for, i hvilken grad det præfrontale-subkortikale kredsløb regulerer dets komponentsystemer som svar på interne og eksterne krav. Specifikt er aktivitet i disse hæmmende kredsløb blevet positivt forbundet med hvilende HF-HRV (9, 23), og optimal funktion af disse kredsløb antages at forudsige fleksible og adaptive reaktioner på miljøændringer (24). En fremtrædende model, der har til formål at forklare, hvordan den tovejskommunikation mellem CNS og ANS er en kritisk forudsigelse for adaptiv kognitiv succes, er den neuroviscerale integrationsmodel, udviklet af Thayer og kolleger (9, 23) (SI Appendiks, Fig. S1).

Denne model foreslår, at HRV er et indeks for præfrontal-subkortikal hæmmende indflydelse over en bred vifte af hjerneområder, der understøtter kognition, følelser og fysiologisk reaktivitet, herunder eksekutiv funktion, WM, forventning om fremtidige resultater, følelsesmæssig regulering, følelsesmæssig reaktion på stress og perifer funktion (24).

Den neuroviscerale integrationsmodel fik empirisk støtte fra undersøgelser, der viser sammenhængen mellem HRV under vågenhed og eksekutiv funktion. Sammenlignet med personer med lavt hvilende HF-HRV (afspejler dårlig parasympatisk vagal tonus under vågen hvile), viser høj-HF-HRV-individer bedre WM-ydeevne [nback-opgave (25); operation-span opgave (26)] og hæmmende kontrol [dvs. Stroop opgave (27)].

Derudover er træningsinducerede ændringer i kognitiv kontrol forbundet med forbedringer i parasympatisk aktivitet, og vendingen er også sand, at træningsinducerede stigninger i parasympatisk aktivitet også fremmer kognitiv forbedring. For eksempel har kognitiv træning (visionsbaseret behandlingshastighed) vist sig at øge HF-HRV og øge aktiveringen i det præfrontale-subkortikale netværk (22). I denne undersøgelse gennemgik ældre voksne med amnestisk mild kognitiv svækkelse 6 ugers kognitiv træning.

Sammenlignet med kontroller viste ældre voksne i den aktive træningsgruppe øget HF-HRV og nedsat præfrontal-striatal forbindelse under opgaven, hvilket tyder på en effektiv præfrontal-subkortikal autonom regulering. Lignende resultater blev rapporteret hos raske deltagere (28). Ydermere er øget hvilende HF-HRV via aerob træning blevet rapporteret til parallelle forbedringer i WM ydeevne (27).

I denne undersøgelse blev deltagerne tilfældigt tildelt en aerob træningsgruppe og en aftræningsgruppe (reduceret træningstilstand), med hvilende HF-HRV og WM målt før og efter træningsinterventionen. Efter intervention viste den aerobe træningsgruppe større HF-HRV- og WM-ydeevne sammenlignet med den detraining-kontrolgruppe, hvilket tyder på en sammenhæng mellem styrkelsen af ​​parasympatisk/vagal funktion og WM-netværk via hjertetræning.

En potentiel mekanisme for, hvordan vagal/parasympatisk aktivitet kan gavne præfrontal funktion og WM, er via moduleringen af ​​noradrenalin (NE). De sidste 20 års forskning har vist, at sammen med den traditionelle historie om, at den primære neuromodulator af vagal aktivitet er acetylcholin (ACh), modulerer vagale afferenter også NE-niveauer i hjernen. Vagusnerven repræsenterer hovedkomponenten i det parasympatiske nervesystem, og aktiverende opadstigende fibre i vagusnerven medierer NE's handlinger på hjernen (29, 30).

Terminalerne af de afferente vagale transmissioner er direkte inden for kernen af ​​den solitære traktat, som overfører information til strukturer, der regulerer højere-ordens kognition såsom amygdala, hippocampus og frontal cortex via en polysynaptisk vej fra LC. Selvom ACh er den primære neurotransmitter i de perifere synapser af vagusnerven, bliver NE, når først informationen forplanter sig til LC, den primære neuromodulator, der medierer synaptisk kommunikation i CNS.

LC har to affyringstilstande, phasic og tonic, som påvirker præfrontal funktion. Tonisk affyring er blevet forbundet med stress eller ophidselse, hvorimod fasisk affyring er blevet forbundet med reaktioner på nyhed og kognition af højere orden (31). Fasiske og toniske aktiveringer er uafhængige, med fasisk aktivitet optimeret ved moderat niveau af tonisk aktivitet (32), mens forhøjet tonisk udledning kan forringe fasisk udledning (33). Hos primater kunne fasisk aktivering af NE-neuroner i LC i tide med kognitive skift fremkalde eller lette dynamisk omorganisering af målneurale netværk, hvilket muliggør hurtig adfærdsmæssig tilpasning til skiftende miljømæssige krav (34).

Desuden er det for nylig blevet vist, at fasisk optogenetisk aktivering af LC beskytter mod skadelige human rektangel tau-effekter og kognitiv tilbagegang, mens stress-inducerende tonic-LC-aktivering forværrer dens virkninger (35, 36). Specifikt i undersøgelsen udført af Omoluabi et al. (36) blev mus injiceret med sammenfiltret tau, og deres LC-neuroner blev aktiveret i enten fasiske eller toniske mønstre. De fandt ud af, at fasisk stimulering reddede mus fra adfærds- og LC-underskud, mens tonic-stimulering førte til forværrede symptomer.

Desuden har undersøgelser af gnavere og aber vist, at optimal excitatorisk-hæmmende balance af præfrontal NE, vedligeholdt af forskellige adrenerge receptorer, (f.eks. 1 og præ- og postsynaptisk 2), har en vigtig gavnlig indflydelse på WM ydeevne (37, 38) . Eksperimentelt stigende NE-koncentrationer i den præfrontale cortex forbedrer responshæmningsydelsen hos gnavere og mennesker (39, 40).

Denne forskningsmasse understreger rollen af ​​øget hæmmende funktion under distraherende tilstande, der tjener til at gavne WM specifikt (41), mens de ikke har nogen fordel for hippocampus hukommelse (42). Interessant nok øger 2 adrenerge receptorer fortrinsvis præfrontal NE og opretholder sin optimale excitatoriske-hæmmende balance, hvilket igen forbedrer præfrontal funktion (43-45), mens 1-receptorer tilsidesætter 2-receptoraktivitet og forringer WM-funktionen (38).

Det nye billede er, at forskellige typer adrenerge receptorer kan spille en rolle i optimering af den overordnede excitatoriske-hæmmende balance i den præfrontale cortex. Specifikt orkestrerer NE fysiologiske funktioner, der skifter hjernen og kroppen fra en ikke-stresset tilstand, hvor fasisk LC-aktivitet engagerer 2 receptorer og øger den præfrontale WM-funktion, til en stresset tilstand, der stimulerer tonisk affyring og 1-receptoraktivitet, hvilket svækker WM, mens andre funktioner opretholdes. , såsom årvågenhed og opmærksomhed (46).

Hos mennesker er en årsagssammenhæng mellem vagale input, der modulerer LC-NE-aktivitet og kognitive domæner understøttet af den præfrontale cortex, blevet etableret ved undersøgelser, der aktivt manipulerer vagus tonus ved hjælp af vagusnervestimulering (VNS) eller ikke-invasiv transkutan vagusnervestimulering (tVNS). VNS aktiverer fasiske neuronfyringer i LC og øger NE-niveauer i de præfrontale-subkortikale netværk, herunder neocortex, hippocampus, amygdala og andre dele af hjernen med afferente projektioner fra LC (33, 47-49).

I en undersøgelse udførte patienter behandlet med invasiv VNS kognitive opgaver med stimulering til eller fra. Patienterne udviste forbedret WM-ydeevne under stimulation-on-perioderne sammenlignet med stimulation-off-perioderne (50). For nylig har tVNS vist lignende effekter som kognitiv kontrol (51). I denne undersøgelse udførte raske deltagere en hæmmende kontrol (Go/NoGo) opgave med aktiv tVNS eller sham stimulation.

I NoGo-tilstanden, som krævede kognitiv hæmning, resulterede tVNS i signifikant reduceret amplitude af frontale N2-hændelsesrelaterede potentialer, en biomarkør for krævende kognitiv kontrol, hvilket tyder på, at tVNS kan føre til mere effektiv neural behandling med færre ressourcer nødvendige med succesfuld frontal hæmmende kontrol. Lignende virkninger af tVNS er blevet påvist i en anden undersøgelse (52), hvor tVNS øgede frontal midline theta-aktivitet, menes at afspejle forbigående aktivering af den præfrontale cortex i situationer, der kræver øget eksekutiv kontrol af handlinger.

I betragtning af at vagal stimulation øger den fasiske LC-NE, og at den parasympatiske aktivitet naturligt øges under ikke-hurtige øjenbevægelser (NREM) søvn, er det fristende at antage, at stigninger i fasisk LC-NE aktivitet med det naturlige boost i vagal parasympatisk aktivitet under søvn kan være en mekanisme, hvorved præfrontal funktion reguleres og WM-kapacitet forbedres.

Sammenlagt kan fasisk LC-NE under søvn bidrage til øget WM-kapacitet gennem flere mulige mekanismer, herunder reorganisering af neurale repræsentationer, eliminering af tau og/eller øget fasisk aktivitet af LC-NE2-receptorer sammen med præfrontal funktion. Samtidig er stress-induceret tonic LC-NE forstyrrende for både søvn og præfrontal funktion. Det næste afsnit vil gennemgå resultaterne af forholdet mellem søvn og ANS-aktivitet.

For more information:1950477648nn@gmail.com