Změny konektivity mozku během spánku pomocí uzavřené smyčky transkraniální neurostimulace Předpovězte citlivost metapaměti, část 1

ABSTRAKTNÍ

Metapaměť zahrnuje schopnost správně posoudit přesnost našich vzpomínek. Získávání vzpomínek lze zlepšit pomocí transkraniální elektrické stimulace (tES) během spánku, ale důkazy o zlepšení citlivosti metapaměti jsou omezené.

Získávání paměti se týká procesu získávání informací uložených v mozku různými prostředky, když dojde k zapomenutí paměti. V našem každodenním studijním životě je získávání paměti velmi důležitým článkem. Může nám pomoci nejen upevnit znalosti, které jsme se naučili, ale také zlepšit naši paměť.

Paměť je schopnost člověka uchovávat a vybavovat si informace a je neoddělitelná od učení. Pouze se silnou pamětí můžeme zvládnout více znalostí a dovedností a hrát větší roli v našem každodenním životě.

Vybavování paměti a paměť spolu úzce souvisí. Vyvolání paměti je, když potřebujeme použít určité znalosti, budeme je hledat a vyvolávat, a tento proces hledání a vyvolávání je získáváním paměti. Pokud naše paměť není dostatečně silná, budeme mít potíže s načtením paměti a můžeme zapomenout, což ovlivní náš efekt učení a výkon.

Zlepšení paměti proto není jednoduchá záležitost, ale můžeme použít některé vědecké metody a techniky, které nám pomohou zlepšit paměť. Můžeme si například upevnit paměť opakovaným učením, využít asociační schopnosti k dalšímu prohloubení paměti nebo různými způsoby aktivovat svůj mozek, abychom paměť dále zlepšovali.

Zkrátka načítání paměti a paměť spolu úzce souvisí. Pouze když máme silnou paměť, můžeme provádět vyhledávání paměti lépe a dosahovat lepších výsledků učení. Mějme odvahu postavit se proti sobě, zlepšit svou paměť neustálým učením a cvičením a položit pevný základ pro naši budoucnost. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche deserticola může výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche deserticola je tradiční čínský léčivý materiál, který má mnoho jedinečných účinků, jedním z nich je zlepšení paměti. Účinnost Cistanche deserticola pochází z mnoha aktivních složek, které obsahuje, včetně kyseliny tříslové, polysacharidů, flavonoidních glykosidů atd. Tyto složky mohou podporovat zdraví mozku různými cestami.

Klikněte na 10 způsobů, jak zlepšit paměť

Aplikace tES může zlepšit konsolidaci paměti závislou na spánku, která spolu s metapamětí vyžaduje koordinaci aktivity napříč distribuovanými nervovými systémy, což naznačuje, že pro pochopení těchto procesů je důležité zkoumání funkční konektivity.

Nicméně littleresearch zkoumal, jak se modulace funkční konektivity vztahují k nočním změnám v citlivosti metapaměti. Zde jsme vyvinuli metodu tES s krátkou dobou trvání s uzavřenou smyčkou, časově uzamčenou na up-stavy probíhajících pomalých oscilací, abychom vyvolali specifické přehrávání paměti u lidí. Měřili jsme změny elektroencefalografické (EEG) koherence po stimulačních pulzech a charakterizovali změny sítě pomocí grafo-teoretických metrik.

Pomocí technik strojového učení jsme ukázali, že pulzní tES vyvolalo změny sítě ve vícefrekvenčních pásmech, včetně zvýšené konektivity v pásmu theta a zvýšené účinnosti v pásmu vřetena. Navíc stimulací vyvolané změny v délce dráhy beta-pásma byly prediktivní pro noční změny v citlivosti metapaměti.

Tato zjištění přidávají nové poznatky k rostoucí literatuře zkoumající zvýšení výkonnosti paměti prostřednictvím mozkové stimulace během spánku a zdůrazňují důležitost zkoumání funkční konektivity pro vysvětlení jejích účinků.

SHRNUTÍ AUTORA

Četné studie prokázaly jasnou souvislost mezi spánkem a pamětí – jmenovitě se během spánku upevňují vzpomínky, což vede ke stabilnějším a dlouhotrvajícím reprezentacím.

Již dříve jsme ukázali, že označování epizod pomocí specifických vzorců mozkové stimulace během kódování a přehrávání těchto vzorců během spánku může zlepšit tento konsolidační proces, aby se zlepšila důvěra a rozhodování o vzpomínkách (metapaměť).

Zde rozšiřujeme tuto práci o zkoumání změn mozku na úrovni sítě, ke kterým dochází po stimulaci během spánku, která předpovídá zlepšení paměti. Pomocí teorie grafů a metod strojového učení jsme zjistili, že změny délky dráhy beta-pásma vyvolané stimulací předpovídají zlepšení metapaměti přes noc.

Tento nový objev vrhá nové světlo na nervové mechanismy konsolidace paměti a navrhuje potenciální aplikace pro zlepšení metapaměti.

ÚVOD

Mozek má pozoruhodnou schopnost proměnit krátká setkání a epizody, dokonce i „jednorázová“ setkání, v dlouhotrvající vzpomínky. K tomu dochází prostřednictvím procesu známého jako konsolidace paměti, při kterém se vzpomínky v labilním stavu přehrávají během spánku a převádějí se na stabilnější reprezentace. Úspěšné získávání vzpomínek však zahrnuje kontrolní procesy a rozhodování, a dokonce i vzpomínky, které jsou konsolidovány během spánku, mohou být obtížné vyvolat nebo získat s malou důvěrou v jejich pravdivost (Koriat & Goldsmith, 1996).

Citlivost metapaměti neboli schopnost jednotlivce s jistotou posoudit přesnost svých vzpomínek hraje zásadní roli při používání našich vzpomínek. Například očitý svědek zločinu mohl úspěšně zakódovat kritické detaily epizody, ale nemusí si být jistý svou pamětí, což vede k nesprávným rozhodnutím (Luus & Wells, 1994; Memonet al., 2003; Sporer et al., 1995) .

Zlepšení nejen získávání paměti, ale také citlivosti metapaměti je kriticky důležité. Zde jsme zkoumali zlepšení citlivosti pomocí intervence, když jednotlivci spali. Během spánku jsou neuronální soubory představující dříve zakódované vzpomínky reaktivovány jak v hippocampu, tak v neokortikálních oblastech (Euston et al., 2007; Ji & Wilson, 2007; Nádasdyet al., 1999; Sirota a kol., 2003;

Přehrávání paměti je pozorováno převážně během pomalého spánku, zejména během pozitivních fází nebo vzestupných stavů probíhající oscilace 0.5–1,2 Hz (Lee & Wilson, 2002; Mölle & Born, 2011). Reaktivace neuronových vzorců specifických pro kódování jsou doprovázeny 12–15 Hz thalamokortikální oscilační aktivitou známou jako vřeténka a také krátkodobými vysokofrekvenčními vzplanutími v hippocampu nazývanými vlnky (De Gennaro & Ferrara, 2003; Mölleet al., 2006).

Složitá koordinace přehrávání, vřeten a vlnek je nezbytná pro usnadnění konsolidace vzpomínek do dlouhodobého úložiště nebo pro přenos vzpomínek z hippocampu do neokortexu (McClelland et al., 1995; McGaugh, 2000; Rasch & Born, 2013; Staresinaet al., 2015).

Konsolidace vzpomínek může nejen usnadnit jejich pozdější vyhledávání, ale může také souviset s budoucí důvěrou jedince v ně; konkrétně konsolidace může posílit paměti a zlepšit učení (Walker & Stickgold, 2004) a důvěra ve vzpomínky souvisí s věrností paměti (Dallenbach, 1913).

Zacílení procesu konsolidace intervencí by tedy mohlo být přínosem nejen pro úspěch vyhledávání, ale také pro citlivost metapaměti. V posledním desetiletí výzkumníci stále více zkoumali způsoby, jak posílit procesy konsolidace paměti pomocí externích manipulací. Tyto intervenční studie ukázaly, že konsolidaci paměti závislou na spánku lze zlepšit dvěma způsoby.

Za prvé, reaktivace paměti mohou být spuštěny během spánku opětovným vystavením jedinců vnějším senzorickým podnětům, jako jsou pachy nebo zvuky, které byly přítomny během kódování (Antony a kol., 2012; Oudiette & Paller, 2013; Schreiner & Rasch, 2014; Rasch a kol. Rudoy a kol., 2009). Tato reaktivace narážky může vést k výhodám při stažení konkrétních položek dříve spojených s narážkami.

Za druhé, četné studie ukázaly, že aplikace transkraniální elektrické stimulace (tES) na určitých frekvencích do mozku během spánku může potencovat endogenní elektrofyziologické procesy, což vede k usnadnění konsolidace paměti a následnému rozpoznání nebo vyvolání (Ketz et al., 2018; Ladenbauer et al. 2016, 2017; Marshall a kol., 2006;

Tyto studie prokázaly obecné zvýšení výkonnosti při získávání paměti po tES během spánku. Důležité je, že tento přínos pro paměť související se stimulací by mohl být potenciálně způsoben frekvenčně specifickými změnami ve funkční konektivitě mezi oblastmi mozku (Krause et al., 2017).

Abychom to shrnuli, předchozí výzkumy ukazují, že vyhledávání vzpomínek lze posílit neurostimulací během spánku, a potenciálně by naznačovaly, že jednotlivci by také měli větší citlivost na metapaměť nebo větší korelaci v přesnosti a důvěře při rozhodování o paměti pro tyto epizody.

Některé výzkumy skutečně prokázaly vztah mezi zdravým nepřerušovaným spánkem a nedotčenými metapaměťovými úsudky (Dauratet al., 2010). Nemusí tomu tak být, protože jiné výzkumy prokázaly disociace mezi rozhodnutími prvního řádu (rozsudky o uznání) a rozhodnutími druhého řádu (rozsudky o důvěře; Del Cul et al., 2009; Hebart et al., 2016; Rounis et al. al., 2010).

To je důležité, protože spolehlivost paměti se může časem snižovat (Shapira & Pansky, 2019), což vede k chybám v hlášení paměti a horšímu rozhodování.

Bylo prokázáno, že neurální stimulace prefrontálního kortexu zlepšuje monitorování paměti pro otázky obecných znalostí (Chua & Ahmed, 2016; Chua et al., 2017) a stimulace theta-burst k potlačení aktivity frontopolárního kortexu ovlivnila metakognitivní úsudky (Ryals et al. , 2016), což naznačuje, že techniky tES by mohly být účinné pro zlepšení a udržení citlivosti paměti pro nově zakódované epizody.

Nedávná práce v naší laboratoři skutečně ukázala, že jedinečné časoprostorové amplitudově modulované vzory (STAMP) tES lze použít k posílení konsolidace spánku a citlivosti úsudků specifických epizodických vzpomínek získaných v imerzivní virtuální realitě (Pilly et al., 2020).

V tomto článku rozšiřujeme předchozí práci na reaktivaci paměti pomocí podnětu zkoumáním změn ve funkční konektivitě po krátkodobých vzorcích tES (jmenovitě STAMP) během spánku.

Již dříve se ukázalo, že funkční konektivita je ovlivněna tES během bdění (Polanía et al., 2011, 2012) a také konsolidací paměti během spánku (Mölleet al., 2004). Navíc je konsolidace vzpomínek v mozku považována za proces na systémové úrovni, protože je podporována kombinací komunikace na krátkou a dlouhou vzdálenost napříč mozkovými strukturami (Staresina et al., 2015).

To je pravděpodobně podobné metapaměti, protože výzkum ukázal, že propojení mezi distribuovanou sítí mozkových oblastí, včetně frontálního kortexu, precuneus a hippocampu, podporuje paměť a metakognitivní úsudky (Baird et al., 2013; Molenberghs et al., 2016; Morales a kol., 2018; Ren a kol., 2018;

Pochopení toho, jak se změny ve funkční konektivitě vztahují k tomuto procesu, je tedy zásadní; pokud je nám však známo, žádná studie dosud nezkoumala, jak by změny funkční konektivity způsobené stimulací během spánku mohly ovlivnit nebo souviset s konsolidací paměti a rozhodovacími procesy.

Ke zkoumání změn funkční konektivity jsme použili měření EEG koherence (Nunez, 1995), konkrétně imaginární část koherence (Nolte et al., 2004), a extrahovali rysy konektivity z koherenčních dat pomocí grafových teoretických analýz (Bullmore & Sporns , 2009; Sporns, 2003).

Tento přístup modeluje funkční konektivitu mozku jako propojený graf a umožňuje prozkoumat vztah mezi strukturou sítě a funkcí.

Zatímco jsme se zajímali o změny konektivity v pásmu Spindle, rozšířili jsme analýzu na několik dalších frekvenčních pásem, protože aktivita v mnoha spektrálních pásmech souvisí s paměťovými procesy (Hanslmayr & Staudigl, 2014; Hanslmayr et al., 2012; Lisman & Jensen, 2013). Poté jsme použili techniky založené na strojovém učení, abychom určili důležité teoretické vlastnosti grafů pro rozlišení mezi aktivními a simulovanými stimulačními podmínkami a také pro předpovídání změn v chování epizodické paměti přes noc.

Tímto způsobem poskytujeme nový pohled na modulace ve funkční konektivitě po pulzním tES, které souvisí se změnami v metapamětové citlivosti pro specifické epizodické paměti.

MATERIÁLY A METODY

Účastníci uvedení v tomto článku jsou stejnou skupinou účastníků z Pilly et al. (2020). Dostali jedinečné krátké časoprostorové vzory tES (jmenovitě STAMP) během kódování epizodických informací, z nichž polovina byla znovu aplikována během vzestupných stavů pomalých vlnových oscilací (SWO) během následujících nocí, aby vyvolala reaktivaci specifických přidružených pamětí (aktivní stav).

V jiném okamžiku stejní jedinci také prováděli paměťový úkol bez mozkové stimulace (Sham stav).

Proto jsme se zajímali nejen o změny ve funkční konektivitě, které se lišily mezi aktivními a simulovanými stimulačními podmínkami, ale také o změny konektivity po STAMP, které souvisely se změnami ve vybavování specifických epizodických vzpomínek z doby před spaním do spánku.

Účastníci

Experiment dokončilo celkem 30 zdravých účastníků, kteří byli rekrutováni pomocí letáků rozmístěných po kampusu Univerzity Nového Mexika a okolní komunity a po dokončení studie obdrželi finanční kompenzaci.

Z nich bylo šest účastníků vyloučeno z analýz buď kvůli selhání zařízení při stimulaci během aktivní noci, nebo kvůli nedodržení následujících pokynů k úkolu.

Data EEG spánku od dalších šesti účastníků nebylo možné použít k výpočtu funkčních měřítek konektivity kvůli nadměrným artefaktům, což vedlo k zahrnutí N=18 účastníků do konečné analýzy a hlášení. Všichni účastníci poskytli podepsaný informovaný souhlas s účastí ve studii, který schválila Chesapeake Institutional Review Board.

Všichni účastníci byli rodilými mluvčími angličtiny, měli normální nebo upravený na normální sluch a zrak a neměli v anamnéze neurologickou nebo psychiatrickou poruchu nebo zneužívání drog.

Behaviorální paradigma a procedura
Nástin experimentálního postupu je uveden na obrázku 1. Experiment se skládal z aklimatizačního období, kdy účastníci vycvičili a nechali je spát v laboratoři, po nichž následovaly dvě experimentální noci zahrnující učení a testování.

Aklimatizační noc měla umožnit účastníkům, aby si zvykli na spánek v laboratoři, a EEG data nebyla z tohoto období zaznamenávána ani analyzována. Účastníci zakódovali informace první experimentální noci. Úkol paměti sestával ze sledování epizod virtuální reality spravovaných pomocí VR headsetu HTC Vive, po kterém následovalo několik testů vyvolání paměti podrobností z epizod.

Účastníci zakódovali 14 vinět virtuální reality, z nichž každá trvala asi minutu a znázorňovala sérii událostí se dvěma nebo více postavami provádějícími nějakou akci kolem bytového komplexu. Další viněta, která byla delší, byla použita k výcviku účastníků během aklimatizačního období. Účastníci byli testováni na své paměti na viněty v pěti testovacích relacích, které probíhaly po dobu 48 hodin s počítačovou úlohou bez VR zabudovanou v MATLABu.

Pro každou vinětu bylo vytvořeno 10 testovacích položek, které se skládaly z pravdivých/nepravdivých výroků o konkrétních aspektech viněty. Každý z pěti seznamů testů obsahoval 28 položek, 2 pro každou vinětu. Účastníci uvedli, zda jsou výroky testu pravdivé/nepravdivé, a také spolehlivost jejich vybavování na stupnici 1–10. Účastníci spali v laboratoři každou ze tří nocí.

Procedura se skládala ze čtyř experimentálních sezení a jednoho aklimatizačního sezení. V aklimatizačním sezení si účastníci prohlédli dlouhou cvičnou vinětu, odpověděli na cvičné testovací otázky a poté spali v laboratoři. V následujícím prvním experimentálním sezení (relace 1) účastníci zakódovali experimentální podněty.

Polovina účastníků obdržela unikátní tES s unikátními STAMPy během prohlížení vinět (Aktivní stav), zatímco druhá polovina nedostala žádnou stimulaci (Sham stav). Účastníci dostali opačnou stimulační podmínku během dvou dalších experimentálních nocí oddělených asi 1 týdnem. Po dokončení postupu prohlížení viněty dostali účastníci svůj první test vyvolání paměti a pak spali přes noc v laboratoři. Tato noc, a ne aklimatizační noc, byla považována za „Noc 1“.

Účastníci ve stavu Aktivní obdrželi polovinu STAMPů během noci, aby vyvolali konsolidaci konkrétních vzpomínek během noci. Naproti tomu účastníci ve stavu Sham nedostali stimulaci během noci. Všimněte si, že tento návrh studie nám umožnil porovnat výkon paměti pro epizody, které dostaly stimulaci STAMP během kódování a spánku (Tag & Cue), s epizodami, které dostaly stimulaci pouze při kódování (Tag & No Cue). Pro analýzy konektivity jsme se zaměřili na podmínky Tag & Cue a Sham (žádné kódování nebo stimulace spánku).

Poté, co se účastníci probudili, absolvovali druhý test paměti a experimentální sezení skončilo. Druhé experimentální sezení (2. sezení) proběhlo večer po prvním sezení. Účastníci dostali večer třetí test paměti, šli spát, a po probuzení dostal další test paměti.

Toto druhé období spánku v laboratoři bylo považováno za „Noc 2“. Účastníci aktivní skupiny opět v noci obdrželi RAZÍTKA. Závěrečný test paměti byl proveden později večer. Pro opačnou stimulační podmínku (relace 3 a 4) si účastníci prohlédli novou sadu 14 vinět a po dobu 2 dnů jim byly poskytnuty odpovídající testy vyvolání paměti. Tímto způsobem byl experiment manipulací mezi subjekty, přičemž podmínky Active a Sham nastávaly přibližně 1 týden od sebe.

Přiřazení pořadí stimulačních podmínek (nejprve aktivní vs. předstírané) a také přiřazení vinět byly mezi účastníky vyvážené. Analýzy uvedené v tomto článku se zaměřují na noc 2, kde byly zjištěny největší behaviorální účinky stimulace STAMP (další podrobnosti viz Pilly et al., 2020).

For more information:1950477648nn@gmail.com