Dlouhotrvající, disociovatelné zlepšení pracovní paměti a dlouhodobé paměti u starších dospělých s opakovanou neuromodulací, část 3

Replikace primárních nálezů v nezávislém vzorku.

Provedli jsme další experiment, abychom otestovali, zda se primární pozorování z experimentu 1 replikují v nezávislém vzorku. Experiment 3 sestával z 30 starších účastníků randomizovaných tak, aby během provádění úlohy volného vyvolání obdrželi buď DLPFC gama nebo IPL theta neuromodulaci.

Mezi neuromodulací a pamětí existuje úzký vztah. Neuromodulace zlepšuje paměť podporou spojení a přenosu informací mezi mozkovými buňkami. Paměť je důležitým základním kamenem lidského přežití a rozvoje. Prostřednictvím nervové regulace nám může pomoci lépe ovládat a aplikovat znalosti.

Neuromodulace může ovlivnit mnoho aspektů paměti. Za prvé, neuromodulace může ovlivnit aktivitu v mozkové kůře, a tím modulovat vnímání, pozornost a kognitivní schopnosti. Ty jsou základem pro tvorbu paměti a díky neuromodulaci nám mohou pomoci lépe porozumět, zapamatovat si a aplikovat informace.

Za druhé, neuromodulace může také modulovat spojení a signalizaci mezi neurony. Počet a struktura spojení mezi neurony může přímo ovlivnit paměťovou schopnost. Spojení a signalizace mezi neurony lze zlepšit neuromodulací, čímž se zlepší paměťová schopnost.

Kromě toho může neuromodulace ovlivnit hippocampus a další neuronální populace v mozku, aby podpořila dlouhodobé uchování a přezkoumání paměti. Prostřednictvím neuromodulace můžeme lépe regulovat spojení mezi populacemi neuronů a zlepšit kódování a ukládání vzpomínek.

Závěrem lze říci, že vztah mezi neuromodulací a pamětí je velmi úzký. Posílením neuromodulace můžeme zlepšit naši paměť a lépe uchopit a aplikovat znalosti. To má pozitivní dopad na naše studium, práci a život, takže bychom měli věnovat pozornost vlivu neuromodulace na paměť a podporovat rozvoj neuromodulace a paměti fyzickým cvičením, regulací stravy atd. Je vidět, že potřeba 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 mletého masa vychází z různých účinných látek, které obsahuje, včetně kyselin, polysacharidů, flavonoidů atd. Tyto složky mohou různými způsoby podporovat zdraví mozku.

Klikněte na vědět doplňky pro zlepšení paměti

Sledovaný neuromodulační protokol byl do značné míry podobný experimentu 1, kromě toho, že neuromodulace byla prováděna spíše tři než čtyři po sobě jdoucí dny a nezahrnovala dlouhodobé sledování.

Výkon paměti byl zkoumán na začátku a během každého neuromodulačního sezení. Smíšená ANOVA se dnem (výchozí stav, den 1, den 2 a den 3) a sériovou pozicí (primát, střední 1, střední 2, střední 3 a aktuálnost) jako faktory v rámci subjektu a skupinu (DLPFCgamma a IPL theta) jako mezi- faktor subjektů odhalil významné rozdíly ve výkonu paměti (den × sériová pozice × skupina: F7,9 220.8=6,315, P<0.001, ηp 2=0.184; Fig. 6a), and this effect remained significant even after accounting for covariates (F7.7,176.1=5.887, P<0.001, ηp 2=0.204). 

Následné ANOVA odhalily významnou interakci mezi sériovou polohou a skupinou ve dnech 2 a 3 neuromodulace a významnou interakci mezi dnem a skupinou pro shluky prvenství a aktuálnosti (doplňková tabulka 4). Dvoustranné nezávislé t-testy vzorků ukázaly, že výkonnost paměti v primárním clusteru byla významně zlepšena ve skupině DLPFC gama ve srovnání se skupinou IPL theta v den 2 a den 3 neuromodulace (obr. 6a, nahoře).

Výkon v klastru nedávnosti byl signifikantně vyšší ve skupině IPL theta ve srovnání se skupinou DLPFC gama v den 3 intervence (obr. 6a, dole). Tyto výsledky vycházejí z paralelních pozorování z Experimentu 1 (obr. 2a, vlevo). Základní výkon se mezi těmito dvěma skupinami nelišil (doplňková tabulka 4), čímž byly vyloučeny nespecifické rozdíly mezi skupinami.

Při zkoumání vztahu mezi základními kognitivními funkcemi a výkonností paměti jsme zjistili, že jedinci s nižším skóre MoCA ve skupině DLPFCgamma vykazovali lepší paměťový výkon v den 3 pouze v primárním shluku (r13=−0.672, P=0.006; obr. 6b,c), zatímco ti s nižším skóre MoCA ve skupině IPL theta vykazovali lepší paměťový výkon v den 3 pouze v clusteru aktuálnosti (r13= −0,618,P=0,014; obr. 6d,e), podobně jako zjištění v experimentu 1 (obr. 5).

Společně tato pozorování v nezávislém vzorku účastníků replikují primární zjištění experimentu 1, což dále posiluje důvěru v závěry z nich odvozené.

Diskuse

Předkládáme důkazy pro selektivní zlepšení u starších dospělých WM a LTM prostřednictvím disociovatelného prostorového strhávání mozkových rytmů a zlepšení přetrvává alespoň 1 měsíc po intervenci. Experiment 1 ukázal, že selektivní změny funkce WM a LTM jsou možné prostřednictvím strhávání arytmů v IPL a gama rytmů v DLPFC, v daném pořadí.

Experiment 2 ukázal, že přepínání modulačních frekvencí mezi dvěma oblastmi nepřineslo žádné výhody. V důsledku toho je to kombinace anatomického umístění a rytmické frekvence, která určuje vhodný substrát pro zlepšení paměti.

Kromě toho potvrdil, že zlepšení pozorovaná během experimentu 1 byla způsobena strháváním funkčně specifických mozkových okruhů a ne kvůli nespecifickým účinkům, jako je transretinální nebo transkutánní stimulace 33.

Kromě toho jsme pozorovali větší zlepšení u jedinců s horšími kognitivními funkcemi. Tato zjištění byla dále replikována v nezávislém vzorku v Experimentu 3.

Dále jsme zjistili, že rychlost, s jakou se zlepšuje paměťová funkce během intervence, předpovídá sílu paměti 1 měsíc po intervenci, což poskytuje důležitou metriku pro měření odezvy na léčbu v budoucích studiích.

Tato zjištění společně naznačují, že funkce paměti může být selektivně a udržitelně zlepšena u starších dospělých prostřednictvím modulace funkčně specifických mozkových rytmů.

Specifičnost, s jakou odlišné rytmické neuromodulační protokoly ovlivňovaly různé paměťové funkce, se může zdát překvapivá vzhledem k literatuře dokumentující obecné zapojení frontálních i parietálních oblastí a theta i gama rytmů do funkce WM a LTM36,37.

Je tomu tak zejména proto, že neuromodulace byla prováděna jak během kódování, tak při vyvolání všech slov prezentovaných během seznamu. Naše zjištění silně naznačují, že naše intervence manipulovaly se dvěma odlišnými kognitivními operacemi. Podle rámce dual-store předpokládáme, že modulace IPLtheta zlepšila operace WM.

Na rozdíl od předchozích neuromodulačních studií s visuoprostorovými memorandy18 si však nemyslíme, že IPL theta modulace zlepšila kapacitu WM. Pokud by tomu tak bylo, bylo by zlepšení výkonu paměti pozorováno také u některých clusterů středních pozic kromě clusteru aktuálnosti.

Také neočekáváme zvýšení obecné funkce pozornosti s IPL theta modulací. Ačkoli se předpokládá, že parietální theta rytmy usnadňují odběr vzorků38, existuje jen málo důkazů, které by naznačovaly změny pozornosti při parietálním strhávání theta39.

Místo toho navrhujeme, že IPL theta modulace mohla usnadnit dočasnou segregaci mezi po sobě jdoucími paměťovými reprezentacemi, čímž se minimalizuje interference mezi nimi15.

Kromě toho je také známo, že theta rytmy usnadňují dočasné kontextově zprostředkované vybavování40, což potenciálně odráží společný neurofyziologický mechanismus, který je základem konzervovaného udržování a vyhledávání WM reprezentací na základě kontextu. Vnitřní omezení kapacity WM, která nejsou ovlivněna neuromodulací, mohou omezit tato vylepšení pouze na pozdější slova v seznamu, čímž se pouze zlepší shluk aktuálnosti.

Pokud ano, pak tato zjištění mohou odrážet další přístup k neinvazivnímu zlepšování funkce WM v rámci vlivné teorie křížové frekvenční vazby theta-gama15, kromě změny kapacity paměti18.

Možnost, že ačkoli IPL thetamodulace mohla usnadnit údržbu a vyvolání položek laterlistu, nemusela zlepšit přenos dříve prezentovaných informací do LTM, mohla dále přispět k selektivitě účinků. To by mohlo být způsobeno přítomností odlišných kódovacích mechanismů pro dvě paměťová úložiště, což je možnost podpořená nedávnou studií transkraniální magnetické stimulace (TMS)14.

Alternativně může přenos reprezentací mezi dvěma paměťovými systémy zahrnovat samostatné výkonné řídicí procesy41, které nejsou ovlivněny současným návrhem neuromodulace. V důsledku toho modulace IPL theta nemusí mít vliv na paměťové reprezentace v primárním clusteru. Místo toho se zlepšení v primárním efektu objevilo selektivně s DLPFC gama modulací.

Tento protokol mohl selektivně zlepšit schopnost získat reprezentace odděleně zakódované nebo přenesené do LTM tím, že potenciálně ovlivnil hipokampus a další struktury temporálního laloku42, které také současně vykazují gama aktivitu během zpožděného vyvolání36. Předchozí studie neuromodulace, i když zkoumala paměťovou funkci u mladých dospělých s konvenčním tACS v jednom sezení, je v souladu s tímto návrhem22.

Ačkoli je tedy známo, že jak theta, tak gama rytmy a jak oblasti DLPFC, tak IPL, obecně přispívají k výkonu WM a LTM, mohou indexovat odlišné kognitivní procesy, které selektivně stojí za disociovatelnými zlepšeními pozorovanými v současné studii.

Závěry této studie rovněž přispívají k diskuzi obklopující teoretické modely volného stažení. Segregované neurální báze efektů prvenství a aktuálnosti jsou v neuropsychologii žhavě diskutovaným tématem s protichůdnými důkazy14,43. Selektivní modulace efektů prvenství a aktuálnosti pozorované v této studii podporuje odlišné základní mechanismy, v souladu s modely s dvěma obchody11 a neuropsychologickými pozorováními12,13.

Naše zjištění však v současnosti nejsou neslučitelná s alternativními modely bezplatného stažení. Jedna z teorií například přisuzuje přednostní účinky „dlouhodobé pracovní paměti“, v níž operace dlouhodobého ukládání a vyhledávání podporují funkci WM závislou na strukturách vyhledávání závislých na odbornosti44,45. Tento názor není v rozporu s výše uvedenou hypotézou, že gama neuromodulace DLPFC mohla ovlivnit získávání z LTM, i když v tomto pohledu ve službě WM.

Způsobem, jak oddělit tyto dvě perspektivy, je použít metodu personalizace k modulaci odbornosti45, v takovém případě by tato teorie předpovídala silnější účinek gama neuromodulace DLPFC v přítomnosti silnějších struktur vyhledávání závislých na odbornosti. Deficity primárních efektů u starších dospělých nebyly navrženy tak, aby vysvětlovaly primární efekty, byly připisovány procesům pozornosti46, které jsou zase spojeny s DLPFC gama aktivitou47. Gama neuromodulace DLPFC mohla dále zvýšit vnitřní gradient v účinnosti kódovacích mechanismů s přínosy pro časné události v sérii46. S tímto účinkem je spojena zejména zvýšená gamaaktivita ve spánkovém laloku17.

Jak bylo diskutováno výše, gama neuromodulace DLPFC mohla vést k následným účinkům na gama aktivitu ve strukturách temporálního laloku42, což zvyšuje primární efekt. Zda gamaneuromodulace DLPFC specificky ovlivňuje procesy vyhledávání LTM nebo mechanismy pozornosti, lze potenciálně řešit pomocí agranulární analýzy výkonnosti paměti v rámci primaciklastru.

Například účet vyhledávání LTM předpovídá aditivní posun k výkonu paměti se zvyšující se sériovou pozicí v primárním clusteru kvůli podobným výhodám jako procesy vyhledávání na všech sériových pozicích, zatímco účet pozornosti předpovídá snížení sklonu výkonu paměti jako funkci sériové pozice. , což odráží stabilizaci trvalé pozornosti46.

Úspěch neuromodulačního protokolu při selektivní manipulaci s primárním efektem bude mocným nástrojem pro testování těchto konkurenčních předpovědí. Budoucí studie, které jsou dostatečně výkonné, aby systematicky testovaly tyto hypotézy, mohou mezi těmito konkurenčními předpověďmi rozdělit a upřesnit a uvést do souladu různé teorie volného stažení.

Tato práce přispívá k rostoucí literatuře, která naznačuje potenciální klinické přínosy pro paměťovou funkci u starších dospělých pomocí neinvazivních technik7. Protokoly použité v této studii ukazují, že funkci paměti lze selektivně zlepšit po dobu alespoň 1 měsíce po 4-denním zásahu. Tyto dlouhodobé účinky mohou vzniknout v důsledku neuroplastických změn48 po fázovém uzamčení vnitřních mozkových rytmů pomocí tACS49.

Tato zjištění navíc naznačují, že funkční diferenciace, která se stárnutím obvykle snižuje50, může být podporována funkčně specifickou neuromodulací. Zjištění z této studie mohou motivovat několik linií zkoumání k dalšímu zkoumání jejich klinického potenciálu. Budoucí studie by například měly prozkoumat zobecnitelnost těchto zjištění na různá kognitivní paradigmata zahrnující paměťové funkce napříč různými senzorickými doménami a replikovat je ve větších studijních vzorcích.

Kromě toho je třeba určit, jak podporovat udržitelné účinky, které přesahují 1-měsíční trvání pozorované v aktuální studii. Personalizace neuromodulačního protokolu podle individuálních anatomických a funkčních charakteristik je jedním z možných přístupů6.

Kromě toho lze specifickou frekvenci v rozsahu theta a gama, počet a trvání modulačních relací, optimální mezeru mezi po sobě jdoucími sezeními a interakci základní kognitivní a nervové funkce s těmito metrikami systematicky měnit, aby bylo možné určit nejoptimálnější návrhy modulace.

Kromě MoCA by budoucí studie měly používat komplexnější neuropsychologická hodnocení ke kvantifikaci základní kognitivní funkce a její souvislosti se zlepšeními vyvolanými tACS.

Konečně, kromě potenciálních přínosů pro zdravé starší dospělé, by měly být prozkoumány translační důsledky pro lidi s neuropsychiatrickými a neurodegenerativními poruchami, zejména pro ty, kteří mají selektivní deficit paměti10 a jsou ohroženi demencí5. Zjištění z této studie slouží jako odrazový můstek ke zkoumání těchto otázek klinického zájmu.

Online obsah

Jakékoli metody, další odkazy, souhrny zpráv z výzkumu přírody, zdrojová data, rozšířená data, doplňkové informace, poděkování, informace o vzájemném hodnocení; podrobnosti o autorských příspěvcích a konkurenčních zájmech; a prohlášení o dostupnosti dat a kódu jsou k dispozici na adresehttps://doi.org/10.1038/s41593-022-01132-3.

Reference

1. Centra pro kontrolu a prevenci nemocí. Trendy ve stárnutí - Spojené státy a celosvětově. MMWR Morb. Smrtelný. Wkly. Rep. 52, 101–104 (2003). 106.

2. Samanez-Larkin, GR & Knutson, B. Rozhodování ve stárnoucím mozku: změny v afektivních a motivačních okruzích. Nat. Neurosci. 16 278–289 (2015).

3. Søraas, A. a kol. Samostatně hlášené problémy s pamětí 8 měsíců po COVID-19infekci. JAMA Netw. Otevřeno 4, e2118717 (2021).

4. Rapp, PR & Amaral, DG Individuální rozdíly v kognitivních a neurobiologických důsledcích normálního stárnutí. Trendy Neurosci. 15,340-345 (1992).

5. Gauthier, S. a kol. Mírná kognitivní porucha. Lancet 367, 1262–1270 (2006).

6. Grover, S., Nguyen, JA & Reinhart, RMG Synchronizace mozkových rytmů ke zlepšení kognice. Annu. Med. 72, 29–43 (2021).

7. Reinhart, RMG & Nguyen, JA Pracovní paměť oživila starší dospělé pomocí synchronizace rytmických mozkových okruhů. Nat. Neurosci. 22 820–827 (2019).

8. Cowan, N. Jaké jsou rozdíly mezi dlouhodobou, krátkodobou a pracovní pamětí? Prog. Brain Res. 169, 323-338 (2008).

9. Parkinson, SR, Lindholm, JM & Inman, VW Analýza věkových rozdílů při okamžitém odvolání. J. Gerontol. 37, 425-431 (1982).

10. Sullivan, EV & Sagar, HJ Dvojitá disociace krátkodobé a dlouhodobé paměti pro neverbální materiál u Parkinsonovy choroby a globální amnézie. Další analýza. Brain 114, 893-906 (1991).

11. Atkinson, RC & Shifrin, RM Lidská paměť: navrhovaný systém a jeho řídicí procesy. in Te Psychology of Learning and Motivation: Advances in Research and Teory Volume 2 (ed. Spence, KW) 89–195 (Academic Press, 1968).

12. Baddeley, AD & Warrington, EK Kódování paměti a amnézie. Neuropsychologia 11, 159–165 (1973).

13. Shallice, T. & Warrington, EK Nezávislé fungování verbálních paměťových zásobníků: neuropsychologická studie. QJ Exp. Psychol. 22, 261-273 (1970).

14. Innocenti, I. a kol. Interference TMS s mechanismy prvenství a aktuálnosti odhaluje bimodální epizodické kódování v lidském mozku. J. Cogn. Neurosci. 25 109–116 (2013).

15. Lisman, JE & Jensen, O. Te theta–gama nervový kód. Neuron 77,1002–1016 (2013).

For more information:1950477648nn@gmail.com