Ztráta spánku narušuje nervový podpis úspěšného učení, část 1

Spánek podporuje konsolidaci paměti i učení na další den. Vlivný popis „aktivních systémů“ off-line konsolidace naznačuje, že zpracování paměti spojené se spánkem dláždí cestu novému učení, ale empirických důkazů na podporu této myšlenky je málo.

Pomocí křížového designu v rámci subjektů (n=30) jsme hodnotili behaviorální a elektrofyziologické indexy epizodického kódování po noci spánku nebo úplné spánkové deprivaci u zdravých dospělých (ve věku 18–25 let) a zkoumali jsme, zda lze předpovídat behaviorální výkonnost noční konsolidací epizodických asociací z předchozího dne. Spánek podporuje konsolidaci paměti a učení na další den ve srovnání se spánkovou deprivací.

Velikost tohoto konsolidačního přínosu spojeného se spánkem však významně nepředpovídala schopnost vytvářet nové vzpomínky po spánku. Zajímavé je, že spánková deprivace vyvolala kvalitativní změnu v neurálním podpisu kódování: Zatímco 12–20 Hz beta desynchronizace – zavedená značka úspěšného kódování – byla pozorována po spánku, spánková deprivace narušila beta desynchronizaci během úspěšného učení. Celkově tato zjištění naznačují, že efektivní učení závisí na spánku, ale ne nutně na konsolidaci spojené se spánkem.

klíčová slova:

učení se; Paměť; konsolidace; beta desynchronizace; nedostatek spánku.

Úvod

Jak si pamatujeme události z minulých dnů? Nyní je pevně stanoveno, že spánek usnadňuje konsolidaci paměti; proces, při kterém se slabé a zpočátku labilní paměťové stopy stávají silnými a trvalými reprezentacemi (Gais et al. 2006; Talamini et al. 2008; Payneet al. 2012; Durrant et al. 2016; Cairney, Lindsay a kol. 2018; Gaskell et al. 2018; Ashton a kol. 2020; Ashton a Cairney 2021).

Zatímco se původně myslelo, že spánek poskytuje pouze pasivní ochranu před konsolidací paměti (tj. stíněním vzpomínek před rušením způsobeným bdělým zážitkem), nedávné práce naznačují, že nově vytvořené vzpomínky jsou během spánku aktivně posilovány (Rasch a kol. 2007; Schönauer a kol. 2017; Cairney , Guttesen a kol. 2018; Wang a kol. 2019; Schreiner a kol. 2021).

Vlivný popis „aktivních systémů“ konsolidace spojené se spánkem předpokládá, že reaktivace vzpomínek závislých na hippocampu během pomalého spánku (SWS) usnadňuje jejich migraci do neokortexu pro dlouhodobé uložení (Walker 2009; Born a Wilhelm 2012; Rasch a Born 2013; kol. 2019).

Na podporu tohoto názoru ukázaly funkční neurozobrazovací studie, že konsolidace přes noc podporuje posun v síti vyhledávání paměti z toneokortexu hippocampu (Takashima et al. 2009), přičemž čas strávený v SWS předpovídá snížení závislosti vyhledávání v hipokampu (Takashima et al. 2006; Cairney et al. 2015).

Ve stejném duchu další práce ukázaly, že spánek po učení (ve srovnání se spánkovou deprivací) podporuje funkční spojení mezi aktivitou inhipocampu a prefrontální kůry, když je vyhledávání posouzeno o 48 hodin později (Gais et al. 2007).

Celkově vzato tato zjištění naznačují, že přenos informací z hipokampu do neokortikálu se objevuje během prvních nocí po učení, ačkoli dokončení procesu konsolidace pravděpodobně trvá mnoho týdnů nebo dokonce měsíců (Dudai2004; Dudai et al. 2015).

Zatímco výhody spánku pro konsolidaci paměti jsou dobře známy, nedávná práce ukázala, že spánek také podporuje učení se vzpomínek závislých na hipokampu příští den.

Když noc spánkové deprivace předchází nové příležitosti k učení, deklarativní paměťová paměť je vážně narušena, a to i po zotavovacím spánku (Alberca-Reina et al. 2014; Kaida et al. 2015; Tempesta et al. 2016; Cousins ​​et al. 2018). což naznačuje, že absence spánku narušuje paměť kódující inhipocampus. Ve skutečnosti, ve srovnání s normálním nočním spánkem, spánková deprivace oslabuje reakce hipokampu během úspěšného učení (tj. u vzpomínek, které se správně vybaví v pozdějším testu vyvolání po zotavovacím spánku), což vede k celkovému poklesu schopnosti zapamatování (Yoo et al. 2007).

V souladu s tím denní spánek nejen usnadňuje učení (Mander et al. 2011), ale také obnovuje schopnosti kódování hippocampu ve srovnání s ekvivalentním obdobím bdělosti (Ong et al. 2020).

Souhra různých mozkových rytmů byla identifikována jako klíčový mechanismus, který reguluje komunikaci mezi hipokampem a neokortexem během zpracování paměti spojené se spánkem.

Pomalé oscilace (<1 Hz electroencephalography [EEG] activity) have been causally linked to overnight memory retention (Marshall et al. 2006; Ngo et al. 2013; Ong et al. 2016; Perl et al. 2016; Leminen et al. 2017; Papalambros et al. 2017) and are thought to play a central role in the reactivation and reorganization of hippocampus-dependent memories (Walker 2009; Born and Wilhelm 2012; Rasch and Born 2013; Klinzing et al. 2019). 

Delta vlny (1–4 Hz), kontrastem, se podílejí na zapomínání prostřednictvím procesů synaptické renormalizace (Genzel et al. 2014) a předpokládá se, že interagují s pomalými oscilacemi, aby regulovaly rovnováhu mezi konsolidací paměti a oslabením (Kim et al. 2019).

Je zajímavé, že neurální oscilace zapojené do zpracování noční paměti byly také spojeny s novým učením v hippocampu, což naznačuje, že tyto procesy se spoléhají na překrývající se mechanismy.

Například selektivní potlačení aktivity pomalých vln (SWA;0.5–4 Hz) prostřednictvím přístupu akustické poruchy zhoršuje kódování deklarativní paměti a snižuje aktivitu související s kódováním v hipokampu (Van Der Werf et al.2009). Recipročně, posílení SWA prostřednictvím elektrické stimulace zlepšuje kódování vzpomínek závislých na hipokampu, ale ne nehipokampální procedurální dovednosti (Antonenko et al. 2013).

Rozšíření pomalých oscilací prostřednictvím sluchové stimulace vede k podobným účinkům, přičemž velikost pomalého zesílení oscilace předpovídá aktivaci hipokampu i behaviorální výkon při kódování (Ong et al. 2018). Do jaké míry paměťové procesy zprostředkované spánkovými mozkovými rytmy přispívají ke schopnostem učení příštího dne, musí být přímo prozkoumáno v empirickém výzkumu.

V této předem registrované studii (osf.io/78dja) jsme testovali hypotézu, že rozsah, v jakém si jednotlivci upevňují nové vzpomínky během spánku, předpovídá jejich schopnost kódovat nové informace následující den a že SWA (0.5–4 Hz) přispívá k tento vztah.

Ve zkříženém designu v rámci jednotlivých subjektů byli zdraví mladí dospělí trénováni na úkol s vizuoprostorovou pamětí před nocí buď ve spánku monitorovaném EEG nebo v úplné deprivaci spánku a byli testováni následující ráno.

Poté byli účastníci trénováni na nový úkol s párovými asociacemi, ale nebyli testováni dříve než o 48 hodin později (což umožnilo zotavení spánku v podmínkách nedostatku spánku). Výkon vyhledávání na visuoprostorové paměti a testech párových asociací tak poskytl nezávislé metriky konsolidace přes noc a učení následujícího dne.

Vybrali jsme tyto konkrétní paměťové úlohy, protože oba jsou závislé na hipokampu (Eichenbaum2004; Konkel a Cohen 2009) a aktivní systémový rámec se primárně zabývá noční konsolidací vzpomínek závislých na hippocampu (Walker 2009; Born a Wilhelm 2012; Rasch et13; Born20 kol. 2019).

Předchozí práce navíc konzistentně prokázaly, že konsolidaci vizuoprostorových i párově přidružených vzpomínek podporuje noční spánek (Cairney, Lindsay, et al. 2018; Ashtonet al. 2020; Ashton a Cairney 2021).

Usoudili jsme, že použití 2 koncepčně odlišných úkolů je optimální, protože by to zajistilo, že jakýkoli potenciální vztah mezi konsolidací přes noc a učením příštího dne nebude ovlivněn zpětným nebo proaktivním zasahováním.

By comparing overnight sleep and sleep deprivation, we could also investigate how protracted wakefulness affects the neural correlates of learning. Specifically, EEG recordings were acquired during paired-associates learning to test the hypothesis that sleep deprivation disrupts theta (4–8 Hz) and gamma (>40 Hz) synchronizace, které podporují vazbu položek v epizodické paměti (Summerfield a Mangels 2005; Osipova et al. 2006; Köster et al. 2018; Henin et al. 2019).

Dále jsme v průzkumné analýze zkoumali vliv spánkové deprivace na 12–20 Hz beta desynchronizaci, zavedený marker úspěšného učení (Hanslmayret al. 2009, 2011, 2012, 2014; Griffiths et al. 2016).

Pochopení toho, jak poruchy spánku narušují učení a paměť, je stále důležitější v moderní společnosti, kde se mnoha lidem nedaří pravidelně spát dostatečné množství (Bonnet a Arand 1995; Stranges et al. 2012; Becker et al. 2018).

For more information:1950477648nn@gmail.com