Jak chování utváří mozek a mozek utváří chování: postřehy z rozvoje paměti

Pro více informací:ali.ma@wecistanche.com

Zdrojová paměťse v dětství výrazně zlepšuje. Předpokládá se, že toto zlepšení úzce souvisí s hipokampálním zráním. Jak předchozí studie používaly hlavně průřezové návrhy k posouzení vztahů mezizdrojová paměťa hipokampální funkce, zůstává neznámé, zda změny v mozku předcházejí zlepšeníPaměťnebo naopak. K vyřešení této mezery použila současná studie zrychlený longitudinální design (n=200, 100 mužů) ke sledování 4- a 6-letých lidských dětí po dobu 3 let. Sledovali jsme vývojové změny vzdrojová paměťa vnitřní funkční konektivitu hipokampu a posuzoval rozdíly mezi 4- a 6-letou kohortou v prediktivních vztazích mezizdrojová paměťzměny a vnitřní hipokampální funkční konektivita při absenci náročného úkolu. V souladu s předchozími studiemi došlo k nárůstu v závislosti na věkuzdrojová paměťa vnitřní funkční konektivita mezi hipokampem a kortikálními oblastmi, o kterých je známo, že se účastní kódování paměti. Nové poznatky ukázaly, že změny ve schopnosti paměti v raném věku předpovídaly pozdější propojení mezi hipokampem a kortikálními oblastmi a že vnitřní funkční konektivita hipokampu předpovídala pozdější změny ve zdrojové paměti. Tato zjištění naznačují, že behaviorální zkušenost a vývoj mozku jsou interaktivní, obousměrné procesy, takže zkušenost formuje budoucí změny v mozku a mozek formuje budoucí změny v chování. Výsledky také naznačují, že na načasování a umístění záleží, protože pozorované účinky závisely jak na věku dětí, tak na specifických ROI mozku. Tato zjištění společně přidávají kritický pohled na interaktivní vztahy mezi kognitivními procesy a jejich základními neurologickými základy během vývoje.

Klíčová slova: akcelerovaný podélný design; vývoj mozku;epizodická paměť; funkční konektivita hipokampu;rozvoj paměti;zdrojová paměť

1Department of Curriculum and Learning Sciences, Zhejiang University, Zijingang Campus, Hangzhou, 310058, 2Department of Psychology,

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

Výzkumné centrum pro zdraví dětí, Hangzhou, 310052

Prohlášení o významu

Průřezové studie ukázaly, že schopnost zapamatovat si kontextové detaily předchozích zkušeností (tj. zdrojová paměť) souvisí s vývojem hipokampu v dětství. Není známo, zda funkční změny hipokampu předcházejí zlepšení paměti nebo naopak. Pomocí zrychleného longitudinálního návrhu jsme zjistili, že časné změny zdrojové paměti předpovídaly pozdější vnitřní funkční konektivitu hipokampu a že tato konektivita předpovídala pozdější změny zdrojové paměti. Tato zjištění naznačují, že behaviorální zkušenost a vývoj mozku jsou interaktivní, obousměrné procesy, takže zkušenost formuje budoucí změny v mozku a mozek formuje budoucí změny chování. Kromě toho se tyto interakce lišily v závislosti na věku dětí a oblasti mozku, což zdůrazňovalo důležitost vývojové perspektivy při zkoumání interakcí mezi mozkem a chováním.

Klikněte pro cistanche tubulosa prášek a Cistanche pro paměť

Úvod

Zdrojová paměť se v dětství podstatně zlepšuje (např. Riggins, 2014). Konkrétně s přibývajícím věkem se děti zlepšují ve vykazování a uchovávání kontextových detailů životních zkušeností (Bauer, 2007). Tento vývoj úzce souvisí s dozráváním hipokampu, jak dokládají věkové a paměťové rozdíly ve struktuře a funkci hipokampu napříč vývojem (přehled viz Ghetti a Bunge, 2012; Sastre et al., 2016; Tang et al., 2018; Riggins a kol., 2020). Předchozí studie používaly k posouzení vztahů mezi vývojem mozku a paměti hlavně průřezové návrhy, které neumožňují zkoumat skutečné vývojové změny a mohou být ovlivněny matoucími faktory, jako jsou účinky kohorty. Proto zůstává neznámé, zda změny v mozku předcházejí zlepšení paměti nebo naopak. Předchozí studie se navíc zaměřovaly buď na malé děti, nebo na děti školního věku, což ztěžuje srovnání různých vývojových období. K vyřešení těchto mezer použila současná studie zrychlený longitudinální design ke sledování 4- a 6-letých dětí po dobu 3 let. Tento návrh nám umožnil prozkoumat vývojové změny ve vnitřní hipokampální funkční konektivitě (iHFC) a posoudit rozdíly mezi 4- a 6-letými kohortami v prediktivních vztazích mezi zdrojovou pamětí a funkční konektivitou (viz obr. 1).

U dospělých se předpokládá, že vnitřní funkční konektivita odráží funkční architekturu mozku, která se objevuje jako výsledek koaktivace mezi oblastmi mozku vyvolané úkolem (Fox a Raichle, 2007). Vzorce vnitřní funkční konektivity dětí jsou pravděpodobně konstruovány podobným způsobem; hypotéza dlouhodobého formování však navrhla, že tyto vzorce konektivity se formují v průběhu času v důsledku zrání i zkušeností (Gabard-Durnam et al., 2016). Například sledováním 4- až 18-letých dětí v průběhu 2 let prospektivní analýzy ukázaly, že funkční konektivita amygdaly vyvolaná úkolem předpověděla funkční konektivitu v klidovém stavu o 2 roky později, ale ne souběžně (Gabard-Durnam a kol., 2016). Tato zjištění naznačují souvislosti mezi aktivací mozku založenou na úkolu a vnitřní funkční konektivitou u dětí i dospělých; takové asociace se však mohou v rámci vývoje lišit.

Empirická data také podporují obousměrné vlivy mezi mozkem a chováním. Za prvé, předchozí studie podporují názor, že změny chování utvářejí vnitřní funkční konektivitu založenou na úkolech (např. Jolles et al., 2016; Clark et al., 2017; Rosenberg-Lee et al., 2018). Například u 8- až 9-letých dětí posílilo 8 týdnů doučování matematiky iHFC na intraparietální sulcus (Jolles et al., 2016). Za druhé, empirické studie ukázaly, že vnitřní funkční konektivita může předpovídat zisky v kognitivních schopnostech později ve vývoji (např. Hoeft et al., 2011; Supekar et al., 2013; Evans et al., 2015). Například Supekar a kol. (2013) zjistili, že iHFC měřené před doučováním matematiky předpovídalo zlepšení výkonu po doučování během středního dětství.

Na základě těchto studií jsme prozkoumali, zda existují obousměrné vlivy mezi změnami zdrojové paměti a vnitřní funkční konektivitou z hipokampu do oblastí mozku, o kterých se uvádí, že podporují kódování kontextových informací (Geng et al., 2019). Použili jsme zrychlený longitudinální design k posouzení následujících: (a) změn souvisejících s věkem v souběžných vztazích mezi zdrojovou pamětí a iHFC; (b) prediktivní vztahy mezi ranými změnami zdrojové paměti a pozdějšími iHFC; a (c) prediktivní vztahy mezi časnými iHFC a pozdějšími změnami zdrojové paměti (obr. 1)

Předpokládali jsme, že časné zisky zdrojové paměti by předpověděly pozdější iHFC, protože se předpokládá, že dopad zkušenosti se časem nabude (Gabard-Durnam et al., 2016). Očekávalo se, že hromadící se zkušenosti s každodenními paměťovými aktivitami povedou vývojové změny v iHFC během dětství. Navíc, vzhledem k větší plasticitě na počátku vývoje (např. Tottenham a Sheridan, 2010), jsme očekávali, že změny paměti budou robustněji předpovídat pozdější konektivitu u mladší než starší kohorty.

Vzhledem k tomu, že konektivita mozku byla navržena pro utváření pozdějšího chování (např. Evans et al., 2015), předpokládali jsme, že iHFC by předpovídalo zisky ve schopnostech zdrojové paměti. Kromě toho, protože hipokampální funkce je zralejší během středního oproti ranému dětství (Geng et al., 2019), předpokládali jsme, že konektivita v 6 letech by spolehlivěji předpovídala budoucí paměť než konektivita ve 4 letech.

Materiály a metody

Účastníci Děti byly účastníky velké studie zkoumající vývoj paměti a mozku v raném dětství, která používala zrychlený longitudinální design (N=200, 100 mužů) (Riggins et al., 2018; Geng et al., 2019). První vlna (W1) studie zahrnovala 4- až 8-leté děti. 4- a 6-leté děti byly pozvány zpět na dvě následné vlny testování (W2 a W3; obr. 2). Celkem šlo o tři vlny a každá vlna zahrnovala mladé a staré kohorty (mladá kohorta: W1=4 let, W2=5 let, W3=6 let; stará kohorta: W{{ 17}} let, W2=7 let, W3=8 let). Tabulka 1 ukazuje počet dětí, které poskytly 3, 2 nebo 1 vlnu dat pro závěrečné analýzy v každé kohortě. Hlavními důvody ztráty neurozobrazovacích dat bylo, že se děti příliš hýbaly, během skenování usnuly, odmítaly vstoupit do skeneru nebo rodiny nesledovaly.

IQ dětí ve W1 jsme měřili pomocí subtestů slovní zásoby a blokového designu buď z Wechslerovy škály inteligence pro děti (Ed 4) (Wechsler, 2003) nebo Wechslerovy škály pro předškolní a primární inteligence (Wechsler, 2012 ). Všechny děti zahrnuté do analýz měly průměrné až nadprůměrné odhadované IQ. Nebyl nalezen žádný rozdíl mezi mladými a starými kohortami ve škálovaných skóre ve slovní zásobě (mladý: průměr=11,07, SD=2,96; starý: průměr=11,66, SD { {11}}.55; p=0.33) nebo dílčí testy blokového designu (mladé: střední=12.96, SD=2.73; staré: střední=13. 03, SD=3.00; p=0.92). Rodiče uvedli, že všichni účastníci jsou zdraví bez jakýchkoli neurologických vývojových poruch, neurologických stavů nebo psychiatrických stavů. Kromě toho rodiče uvedli, že 88,5 procenta dětí je praváků, 6,8 procenta levorukých, 3,7 procenta oboustranných a 1 procento jako neurčitelné.

Experimentální design Kódování. Během první návštěvy se děti dozvěděly nová fakta (např. „Skupina nosorožců se nazývá havárie“) z jednoho ze dvou různých zdrojů, dospělé ženy („Abby“) a loutky s mužským hlasem („Henry“) prostřednictvím digitální videa (Drummey a Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Každý zdroj uvedl 6 faktů pro celkem 12 faktů. Prezentace faktů byla blokována podle zdroje, kdy se děti nejprve dozvěděly 6 faktů z jednoho zdroje a následně 6 faktů z druhého zdroje, a pořadí bloků bylo náhodně rozděleno mezi účastníky. Byly tam tři seznamy faktů; každý seznam se skládal z jedinečných faktů, které byly na seznamech podobné (např. „Skupina klokanů se nazývá dav“ nebo „Skupina koz se nazývá kmen“). Tyto seznamy byly náhodně rozděleny mezi účastníky. Děti byly požádány, aby věnovaly pozornost faktům, protože je budou testovat následující týden, ale nebylo jim řečeno, že budou testovány na zdroji faktů. Děti byly dotázány, zda před experimentem znaly fakta. Známá fakta byla vyloučena a nahrazena dalšími novými fakty ze seznamu stejného zdroje (k tomu však došlo jen zřídka). Každý zdroj měl 8 možných faktů, které zohledňovaly možnost, že děti budou znát 1 nebo 2 z faktů. Pokud dítě znalo 3 nebo více faktů z jednoho zdroje, celkový počet faktů, na kterých bylo dítě testováno, se snížil (ale to bylo vzácné, n=4).

Získávání. Během druhé návštěvy byly děti testovány na paměť faktů a zdrojů z první návštěvy. Děti byly požádány, aby odpověděly na 22 triviálních otázek a sdělily experimentátorovi, kde se odpovědi na tyto triviální otázky dozvěděly. Bylo jim řečeno, že se některé z otázek naučili týden předtím buď od „Abby“ nebo „Henryho“, některé se možná naučili mimo laboratoř (např. od učitele nebo rodičů) a některé možná neznají. Děti se dozvěděly 6 z 22 prezentovaných faktů od „Abby“, 6 od „Henryho“, 5 byla fakta, která děti běžně znají (např. „Jakou barvu má nebe?“) a 5 byla fakta, která děti obvykle nevěděly. (např. „Jak se nazývá barevná část vašeho oka?“). Každý seznam 22 faktů měl dvě náhodné pořadí prezentace a tyto pořadí byly mezi účastníky vyvážené. Pokud si děti nebyly schopny vybavit zdroj konkrétní otázky, bylo nabídnuto pět možností s více možnostmi: rodiče, učitel, dívka ve videu, loutka ve videu nebo jen věděli/uhodli

Zdrojová paměť byla vypočítána jako podíl otázek, u kterých si děti přesně vybavily nebo rozpoznaly fakt i zdroj, z celkového počtu naučených faktů (viz vzorec níže). Předpokládá se, že tato míra zdrojové paměti odráží vazbu faktů a zdrojů, což je důležitý aspekt epizodické paměti (Miller et al., 2013; Cooper a Ritchey, 2020).

Během bezúlohového skenování byl v reálném čase monitorován pohyb hlavy účastníka. Pokud účastník vykazoval nadměrný pohyb hlavy (0,2 mm v libovolném směru) během první poloviny libovolného běhu, skenování bylo restartováno a účastníkovi bylo připomenuto, aby zůstal co nejklidněji.

Předzpracování obrazových dat Do analýz bylo zahrnuto všech 210 shromážděných snímků fMRI v klidovém stavu, protože první čtyři svazky byly před sběrem dat vyřazeny z důvodu nestability počátečního signálu MR a adaptace účastníka. Předzpracování zahrnovalo následující kroky. Nejprve byla provedena korekce času řezu, korekce pohybu hlavy a vyhlazování pomocí DPABI 1.3 (Yan et al., 2016). Poté byla provedena nezávislá analýza komponent na vyhlazených datech pomocí MELODIC, sady nástrojů FSL, k odstranění komponent souvisejících s artefakty (Geng et al., 2019). Po odstranění všech komponent souvisejících s artefakty byla provedena extrakce mozku, normalizace a filtrování. Podle postupu navrženého Tillmanem et al. (2018) byla extrakce mozku na T1-váženém snímku provedena samostatně v šesti sadách nástrojů: Advanced Normalization Tools, AFNI, FSL, BSE, ROBEX a SPM8, aby byla zajištěna vysoká kvalita dat. Voxely extrahované alespoň čtyřmi sadami nástrojů byly zahrnuty do mozkové masky. K provádění koregistrace a normalizace byly použity pokročilé normalizační nástroje. Statistické analýzy byly provedeny v AFNI (Cox, 1996). Časová pásmová filtrace (0.{14}},1 Hz) a prostorové vyhlazování pomocí 5mm FWHM Gaussova jádra byly provedeny v AFNI na normalizovaných datech.

Jednotlivé semenné oblasti (bilaterální