Spremembe možganske povezljivosti med spanjem s transkranialno nevrostimulacijo z zaprto zanko napovedujejo občutljivost metaspomina 1. del

POVZETEK

Metamemorija vključuje sposobnost pravilnega presojanja točnosti naših spominov. Priklic spominov je mogoče izboljšati s transkranialno električno stimulacijo (tES) med spanjem, vendar je dokazov o izboljšavah občutljivosti metaspomina malo.

Priklic spomina se nanaša na postopek pridobivanja informacij, shranjenih v možganih, na različne načine, ko pride do pozabljanja spomina. V našem vsakodnevnem študijskem življenju je obujanje spomina zelo pomemben člen. Ne le da nam lahko pomaga utrditi naučeno znanje, ampak tudi izboljša naš spomin.

Spomin je človekova sposobnost ohranjanja in priklica informacij in je neločljivo povezana z učenjem. Samo z močnim spominom lahko osvojimo več znanja in veščin ter igramo večjo vlogo v vsakdanjem življenju.

Priklic spomina in spomin sta tesno povezana. Priklic spomina je, ko moramo uporabiti določeno znanje, ga bomo iskali in priklicali, ta proces iskanja in priklica pa je priklic spomina. Če naš spomin ni dovolj močan, bomo imeli težave pri pridobivanju spomina in lahko pozabimo, kar bo vplivalo na naš učni učinek in uspešnost.

Izboljšanje spomina torej ni enostavna zadeva, lahko pa si z nekaterimi znanstvenimi metodami in tehnikami pomagamo izboljšati spomin. Spomin lahko na primer utrdimo s ponavljajočim se učenjem, uporabimo asociacijske veščine za nadaljnje poglabljanje spomina ali aktiviramo naše možgane na različne načine za nadaljnje izboljšanje spomina.

Skratka, priklic spomina in spomin sta tesno povezana. Le če imamo močan spomin, lahko bolje izvajamo priklic spomina in dosegamo boljše učne rezultate. Imejmo pogum, da si postavimo izzive, izboljšamo svoj spomin z nenehnim učenjem in prakso ter postavimo trdne temelje za svojo prihodnost. Vidimo, da moramo izboljšati spomin, in Cistanche deserticola lahko bistveno izboljša spomin, saj je Cistanche deserticola tradicionalno kitajsko zdravilno sredstvo, ki ima številne edinstvene učinke, eden od njih je izboljšanje spomina. Učinkovitost Cistanche deserticola izhaja iz številnih aktivnih sestavin, ki jih vsebuje, vključno s taninsko kislino, polisaharidi, flavonoidnimi glikozidi itd. Te sestavine lahko spodbujajo zdravje možganov na različne načine.

Kliknite spoznajte 10 načinov za izboljšanje spomina

Uporaba tES lahko izboljša konsolidacijo spomina, odvisno od spanja, ki skupaj z metaspominom zahteva koordinacijo dejavnosti v porazdeljenih nevronskih sistemih, kar kaže, da je preučevanje funkcionalne povezljivosti pomembno za razumevanje teh procesov.

Kljub temu je le malo raziskav preučilo, kako se modulacije funkcionalne povezljivosti nanašajo na nočne spremembe v občutljivosti metapomnilnika. Tu smo razvili kratkotrajno metodo tES z zaprto zanko, časovno zaklenjeno na up-stanja tekočih počasnih valov, da bi pri ljudeh sprožili specifično ponavljanje spomina. Izmerili smo elektroencefalografske (EEG) koherenčne spremembe po stimulacijskih impulzih in opisali mrežne spremembe z metriko teorije grafov.

S tehnikami strojnega učenja pokažemo, da je impulzni tES izzval spremembe omrežja v večfrekvenčnih pasovih, vključno s povečano povezljivostjo v pasu theta in povečano učinkovitostjo v pasu vretena. Poleg tega so bile s stimulacijo povzročene spremembe v dolžini poti beta pasu napovedovale nočne spremembe v občutljivosti metaspomina.

Te ugotovitve dodajajo nove vpoglede v rastočo literaturo, ki raziskuje povečanje zmogljivosti spomina s stimulacijo možganov med spanjem, in poudarjajo pomen preučevanja funkcionalne povezljivosti za razlago njenih učinkov.

AVTORSKI POVZETEK

Številne študije so pokazale jasno povezavo med spanjem in spominom – spomini se namreč med spanjem utrjujejo, kar vodi do stabilnejših in dolgotrajnejših predstav.

Prej smo pokazali, da lahko označevanje epizod s posebnimi vzorci možganske stimulacije med kodiranjem in ponovno predvajanje teh vzorcev med spanjem izboljša ta proces konsolidacije za izboljšanje zaupanja in odločanja o spominih (metaspomin).

Tukaj razširjamo to delo, da preučimo možganske spremembe na omrežni ravni, ki se pojavijo po stimulaciji med spanjem, ki napoveduje izboljšave metaspomina. Z uporabo teoretičnih metod grafov in metod strojnega učenja smo ugotovili, da spremembe dolžine poti beta-pasu, ki jih povzroči stimulacija, napovedujejo izboljšave metaspomina čez noč.

Ta nova ugotovitev meče novo luč na nevronske mehanizme konsolidacije spomina in predlaga možne aplikacije za izboljšanje metaspomina.

UVOD

Možgani imajo izjemno sposobnost, da kratka srečanja in epizode, celo "enkratna" srečanja, spremenijo v dolgotrajne spomine. To se zgodi s procesom, znanim kot konsolidacija spomina, pri katerem se spomini v labilnem stanju med spanjem ponovno predvajajo in pretvorijo v bolj stabilne predstavitve. Vendar uspešno priklic spominov vključuje nadzorne procese in odločanje, in celo spomine, ki se utrdijo med spanjem, je lahko težko priklicati ali priklicati z malo zaupanja v njihovo resničnost (Koriat & Goldsmith, 1996).

Metamemorijska občutljivost ali sposobnost posameznika, da z zaupanjem oceni točnost svojih spominov, igra ključno vlogo pri uporabi naših spominov. Na primer, očividec zločina je morda uspešno kodiral kritične podrobnosti epizode, vendar morda ni prepričan v svoj spomin, kar vodi do napačnih odločitev (Luus & Wells, 1994; Memonet sod., 2003; Sporer in sod., 1995). .

Tako je ključnega pomena izboljšanje ne le pridobivanja spomina, ampak tudi občutljivosti metapomnilnika. Tukaj smo raziskovali izboljšanje občutljivosti z intervencijo, medtem ko so posamezniki spali. Med spanjem se nevronski sklopi, ki predstavljajo predhodno kodirane spomine, ponovno aktivirajo v hipokampusu in neokortikalnih območjih (Euston et al., 2007; Ji & Wilson, 2007; Nádasdyet al., 1999; Sirota et al., 2003; Wilson & McNaughton, 1994).

Ponovitve spomina so večinoma opažene med počasnim spanjem, zlasti med pozitivnimi fazami ali stanjem dviga tekočega nihanja 0.5–1,2 Hz (Lee & Wilson, 2002; Mölle & Born, 2011). Ponovno aktiviranje za kodiranje specifičnih nevronskih vzorcev spremlja 12–15 Hz talamokortikalna oscilatorna aktivnost, znana kot vretena, kot tudi kratkotrajni visokofrekvenčni izbruhi v hipokampusu, imenovani valovanje (De Gennaro & Ferrara, 2003; Mölleet al., 2006).

Zapletena koordinacija ponovitev, vreten in valov je bistvena za olajšanje konsolidacije spominov v dolgoročno shranjevanje ali za prenos spominov iz hipokampusa v neokorteks (McClelland et al., 1995; McGaugh, 2000; Rasch & Born, 2013; Staresina et al., 2015).

Konsolidacija spominov lahko ne le olajša njihovo kasnejšo vrnitev, ampak je lahko povezana tudi s posameznikovim prihodnjim zaupanjem vanje; utrjevanje lahko namreč okrepi spomine in izboljša učenje (Walker & Stickgold, 2004), zaupanje v spomine pa je povezano z zvestobo spomina (Dallenbach, 1913).

Tako bi ciljanje na proces konsolidacije z intervencijo lahko koristilo ne le uspehu pri iskanju, ampak tudi občutljivosti metaspomina. V zadnjem desetletju so raziskovalci vedno bolj raziskovali načine za pospeševanje procesov konsolidacije spomina z zunanjimi manipulacijami. Te intervencijske študije so pokazale, da je mogoče konsolidacijo spomina, odvisno od spanja, izboljšati na dva načina.

Prvič, ponovna aktivacija spomina se lahko sproži med spanjem s ponovno izpostavitvijo posameznikov zunanjim senzoričnim znakom, kot so vonjave ali zvoki, ki so bili prisotni med kodiranjem (Antony et al., 2012; Oudiette & Paller, 2013; Schreiner & Rasch, 2014; Rasch et al. , 2007; Rudoy et al., 2009). Ta ponovna aktivacija namigov lahko privede do koristi pri priklicu specifičnih predmetov, ki so bili prej povezani z namigi.

Drugič, številne študije so pokazale, da lahko uporaba transkranialne električne stimulacije (tES) na določenih frekvencah v možganih med spanjem potencira endogene elektrofiziološke procese, kar vodi do olajšanja konsolidacije spomina in kasnejšega prepoznavanja ali priklica (Ketz et al., 2018; Ladenbauer et al. , 2016, 2017; Lustenbergeret et al., 2006, 2004;

Te študije so pokazale splošno povečanje zmogljivosti obnavljanja spomina po tES med spanjem. Pomembno je, da je ta s stimulacijo povezana korist za spomin potencialno lahko posledica frekvencno specifičnih sprememb v funkcionalni povezanosti med možganskimi regijami (Krause et al., 2017).

Če povzamemo, prejšnje raziskave kažejo, da je priklic spominov mogoče okrepiti z nevrostimulacijo med spanjem, in bi potencialno nakazovale, da bi imeli posamezniki tudi večjo občutljivost metaspomina ali večjo korelacijo v natančnosti in zaupanju svojih odločitev glede spomina za te epizode.

Nekatere raziskave so dejansko pokazale povezavo med zdravim neprekinjenim spanjem in nedotaknjenimi presojami metaspomina (Dauratet sod., 2010). Vendar to morda ne drži, saj so druge raziskave pokazale disociacije med odločitvami prvega reda (sodbe o priznanju) in odločitvami drugega reda (sodbe o zaupanju; Del Cul et al., 2009; Hebart et al., 2016; Rounis et al. al., 2010).

To je pomembno, saj se lahko zaupanje v spomin sčasoma zmanjša (Shapira & Pansky, 2019), kar vodi do napak pri poročanju o spominu in slabšem odločanju.

Pokazalo se je, da nevronska stimulacija prefrontalnega korteksa izboljša spremljanje spomina za vprašanja splošnega znanja (Chua & Ahmed, 2016; Chua et al., 2017), stimulacija theta-burst za zmanjšanje aktivnosti frontopolarnega korteksa pa je vplivala na metakognitivne presoje (Ryals et al. , 2016), kar kaže, da bi lahko bile tEStechniques učinkovite za izboljšanje in vzdrževanje občutljivosti spomina za na novo kodirane epizode.

Nedavno delo v našem laboratoriju je dejansko pokazalo, da se edinstveni prostorsko-časovni amplitudno modulirani vzorci (STAMP) tES lahko uporabljajo za povečanje konsolidacije spanja in občutljivosti presojanja specifičnih epizodnih spominov, pridobljenih v poglobljeni navidezni resničnosti (Pilly et al., 2020).

V tem prispevku razširjamo prejšnje delo na spodbujanju ponovne aktivacije spomina z raziskovanjem sprememb v funkcionalni povezljivosti po kratkotrajnih vzorcih tES (in sicer STAMP) med spanjem.

Prej je bilo dokazano, da na funkcionalno povezljivost vpliva tES med budnostjo (Polanía et al., 2011, 2012), pa tudi konsolidacija spomina med spanjem (Mölleet sod., 2004). Poleg tega velja, da je konsolidacija spominov v možganih proces na sistemski ravni, saj je podprta s kombinacijo komunikacije kratkega in dolgega dosega med možganskimi strukturami (Staresina et al., 2015).

To je verjetno podobno metaspominu, saj so raziskave pokazale, da povezljivost med porazdeljeno mrežo možganskih področij, vključno s čelno skorjo, prekuneusom in hipokampusom, podpira spomin in metakognitivne presoje (Baird et al., 2013; Molenberghs et al., 2016; Morales). et al., 2018; Ren et al., 2018; Ye et al., 2019).

Zato je ključnega pomena razumevanje, kako so spremembe v funkcionalni povezljivosti povezane s tem procesom; kolikor nam je znano, nobena dosedanja študija ni preučila, kako bi lahko spremembe v funkcionalni povezljivosti zaradi stimulacije med spanjem vplivale ali bile povezane s konsolidacijo spomina in procesi odločanja.

Da bi preučili spremembe v funkcionalni povezljivosti, smo uporabili meritve koherence EEG (Nunez, 1995), posebej imaginarni del koherence (Nolte et al., 2004), in ekstrahirali značilnosti povezljivosti iz podatkov o koherenci s teoretičnimi analizami grafov (Bullmore & Sporns). , 2009; Sporns, 2003).

Ta pristop modelira funkcionalno povezljivost možganov kot medsebojno povezan graf in omogoča raziskovanje razmerja med mrežno strukturo in funkcijo.

Čeprav so nas zanimale spremembe povezljivosti v pasu Spindle, smo analizo razširili na več drugih frekvenčnih pasov, saj je bila aktivnost v številnih spektralnih pasovih povezana s spominskimi procesi (Hanslmayr & Staudigl, 2014; Hanslmayr et al., 2012; Lisman & Jensen, 2013). Nato smo uporabili tehnike, ki temeljijo na strojnem učenju, da bi določili pomembne teoretične značilnosti grafov za razlikovanje med aktivnimi in navideznimi pogoji stimulacije, kot tudi za napovedovanje nočnih sprememb v epizodnem vedenju spomina.

Na ta način nudimo nov vpogled v modulacije v funkcionalni povezljivosti po pulzirajočih tES, ki so povezane s spremembami v metamemorijski občutljivosti za specifične epizodne spomine.

MATERIALI IN METODE

Udeleženci, o katerih poroča ta dokument, so ista skupina udeležencev iz Pilly et al. (2020). Prejeli so edinstvene kratke prostorsko-časovne vzorce tES (in sicer STAMP) med kodiranjem epizodnih informacij, od katerih je bila polovica ponovno uporabljena med stanjem počasnih valov (SWO) v naslednjih nočeh, da bi opozorili na ponovno aktivacijo specifičnih povezanih spominov (aktivno stanje).

Na neki drugi točki v času so isti posamezniki prav tako opravili spominsko nalogo brez možganske stimulacije (navidezno stanje).

Zato nas niso zanimale le spremembe v funkcionalni povezljivosti, ki so se razlikovale med pogoji stimulacije Active in Sham, ampak tudi spremembe povezljivosti po STAMP-ih, ki so bile povezane s spremembami v priklicu specifičnih epizodnih spominov od pred spanjem do stanja po njem.

Udeleženci

Eksperiment je zaključilo skupno 30 zdravih udeležencev, ki so bili izbrani z uporabo letakov, nameščenih po kampusu Univerze v Novi Mehiki in okoliški skupnosti, po zaključku študije pa so prejeli denarno nadomestilo.

Od teh je bilo šest udeležencev izključenih iz analiz bodisi zaradi okvare opreme za stimulacijo med aktivno nočjo bodisi zaradi neupoštevanja navodil za nalogo.

Podatkov EEG v spanju dodatnih šestih udeležencev ni bilo mogoče uporabiti za izračun funkcionalnih ukrepov povezljivosti zaradi čezmernih artefaktov, kar je privedlo do vključitve N=18 udeležencev v končno analizo in poročanje. Vsi udeleženci so podali podpisano informirano soglasje za sodelovanje v študiji, ki jo je odobril Chesapeake Institutional Review Board.

Vsi udeleženci so bili materni govorci angleščine, imeli so normalen ali popravljen na normalen sluh in vid ter niso imeli zgodovine nevroloških ali psihiatričnih motenj ali zlorabe drog.

Vedenjska paradigma in postopek
Oris eksperimentalnega postopka je predstavljen na sliki 1. Eksperiment je bil sestavljen iz obdobja privajanja, da so se udeleženci usposobili in pustili spati v laboratoriju, čemur sta sledili dve eksperimentalni noči, ki sta vključevali učenje in testiranje.

Noč za prilagajanje je bila namenjena samo temu, da so se udeleženci navadili na spanje v laboratoriju, podatki EEG pa niso bili zabeleženi ali analizirani od tega obdobja. Udeleženci so kodirali informacije prvo poskusno noč. Spominska naloga je obsegala ogledovanje epizod navidezne resničnosti, upravljanih s HTC Vive VRheadsetom, čemur je sledilo več preizkusov priklica spomina na podrobnosti iz epizod.

Udeleženci so zakodirali 14 vinjet navidezne resničnosti, od katerih je vsaka trajala približno minuto, ki prikazujejo niz dogodkov z dvema ali več liki, ki izvajajo dejanja okoli stanovanjskega naselja. Dodatna vinjeta, ki je bila daljša, je bila uporabljena za usposabljanje udeležencev v času prilagajanja. Udeležencem je bil preizkušen njihov spomin za vinjete v petih testnih sejah, ki so bile izvedene v 48 urah z računalniško nalogo, ki ni VR, vgrajena v MATLAB.

Za vsako vinjeto je bilo sestavljenih 10 testnih postavk, ki so bile sestavljene iz trditev True/False o določenih vidikih vinjete. Vsak od petih testnih seznamov je vseboval 28 elementov, 2 za vsako vinjeto. Udeleženci so poročali o tem, ali so testne izjave resnične/neresnične, ter o zanesljivosti njihovega priklica na lestvici od 1 do 10. Udeleženci so vsako od treh noči spali v laboratoriju.

Postopek je bil sestavljen iz štirih eksperimentalnih sej in ene aklimatizacije. Na seji aklimatizacije so si udeleženci ogledali dolgo vadbeno vinjeto, odgovarjali na praktična testna vprašanja in nato spali v laboratoriju. V naslednji prvi eksperimentalni seji (1. seja) so udeleženci kodirali eksperimentalne dražljaje.

Polovica sodelujočih je med gledanjem vinjet prejela unikatne tES z unikatnimi ŽIGI (aktivno stanje), medtem ko druga polovica ni prejela nobene stimulacije (navidezno stanje). Udeleženci so bili deležni nasprotnega stimulacijskega pogoja v dveh dodatnih poskusnih nočeh, ločenih s približno 1 tednom. Po zaključku postopka ogleda vinjete so udeleženci opravili svoj prvi test priklica spomina, nato pa so čez noč prespali v laboratoriju. Ta noč, in ne noč privajanja, je veljala za "1. noč."

Udeleženci v aktivnem stanju so ponoči prejeli polovico žigov STAMP, da bi ponoči utrdili določene spomine. Nasprotno pa udeleženci v stanju Sham niso prejeli stimulacije ponoči. Upoštevajte, da nam je ta zasnova študije omogočila primerjavo zmogljivosti spomina za epizode, ki so prejele stimulacijo STAMP med kodiranjem in spanjem (Tag & Cue), z epizodami, ki so prejele stimulacijo le pri kodiranju (Tag & No Cue). Za analize povezljivosti smo se osredotočili na pogoje Tag & Cue in Sham (brez kodiranja ali stimulacije spanja).

Ko so se udeleženci zbudili, jim je bil opravljen drugi preizkus spomina in eksperimentalna seja se je zaključila. Druga eksperimentalna seja (2. seja) je potekala zvečer po prvi seji. Udeleženci so zvečer dobili tretji preizkus spomina, šli so spat, in po prebujanju prejel še en preizkus spomina.

To drugo obdobje spanja v laboratoriju je veljalo za "noč 2". Udeleženci aktivnih skupin so ponoči ponovno prejeli ŽIGE. Končni preizkus spomina je bil opravljen pozneje zvečer. Za nasprotni pogoj stimulacije (3. in 4. seji) so si udeleženci ogledali nov niz 14 vinjet in jim v 2 dneh opravili ustrezne teste priklica spomina. Na ta način je bil poskus manipulacija znotraj subjekta, pri čemer sta se aktivna in lažna stanja pojavila v razmiku približno 1 tedna.

Dodelitev vrstnega reda pogojev stimulacije (najprej aktivno v primerjavi s prvim navideznim) kot tudi dodeljevanje vinjet sta bili med udeleženci uravnoteženi. Analize, opisane v tem dokumentu, se osredotočajo na noč 2, kjer so bili ugotovljeni največji vedenjski učinki stimulacije STAMP (za več podrobnosti glejte Pilly et al., 2020).

For more information:1950477648nn@gmail.com