Učinki obremenitve delovnega pomnilnika in intervalov CS-US na pogojevanje zakasnitve mežikanja

Kondicioniranje mežikanja z očmi se uporablja pri številnih vrstah za preučevanje motoričnega učenja in sklepanje o delovanju malih možganov. Vendar razlike v uspešnosti med ljudmi in drugimi vrstami skupaj z dokazi, da lahko volja in zavedanje modulirata učenje, kažejo, da pogojevanje z mežikanjem ni le pasivna oblika učenja, ki se opira samo na male možgane.

Pogojni refleksi in spomin so tesno povezani. Ko smo izpostavljeni nekaterim spodbudnim stvarem ali situacijam, se naši možgani samodejno odzovejo nanje. To je pogojni refleks. Sčasoma ti odzivi postanejo samodejni in postanejo del našega vsakodnevnega vedenja. Zato začnemo plesati, ko zaslišimo melodijo ali se razveselimo, ko zagledamo kužka.

In spomin je ključna sestavina naših možganov. Odgovoren je za shranjevanje informacij iz teh reakcij, tako da nam lahko koristijo pozneje v življenju. Če ga kombiniramo s pogojnimi refleksi, si lahko bolje zapomnimo informacije in veščine, pomembne za določene situacije, s čimer še izboljšamo svoj spomin.

Na primer, ko se naučimo novega besedišča, lahko te besede vključimo v vsakdanje življenje in jih kombiniramo z določenimi situacijami. Na primer, ko vidite mizo, pomislite na besedo miza. Na ta način si lahko s pogojnimi refleksi te nove besede v mislih hitreje zapomnimo.

Skratka, med pogojnimi refleksi in spominom obstaja neločljiva povezava. Ko lahko v celoti izkoristimo to povezavo, lahko bolje uresničimo potencial svojih možganov in izboljšamo svoje sposobnosti učenja in spomina. Vidi se, da moramo izboljšati spomin. Cistanche deserticola lahko občutno izboljša spomin, saj je Cistanche deserticola tradicionalno kitajsko zdravilno sredstvo s številnimi edinstvenimi učinki, med katerimi je tudi izboljšanje spomina. Učinkovitost mletega mesa izhaja iz različnih učinkovin, ki jih vsebuje, vključno s kislino, polisaharidi, flavonoidi itd. Te sestavine lahko na različne načine spodbujajo zdravje možganov.

Kliknite spoznajte 10 načinov za izboljšanje spomina

Tukaj smo raziskali dva načina za zmanjšanje vpliva volje in zavedanja na pogojevanje mežikanja z očmi: (1) z uporabo kratkega interstimulusnega intervala in (2) udeleženci naj med pogojevanjem izvajajo naloge delovnega spomina.

Naši rezultati kažejo, da so udeleženci, ki so trenirali s kratkimi interstimulusnimi intervali (150 ms in 250 ms), proizvedli zelo malo pogojnih odzivov po 100 poskusih. Udeleženci, ki so trenirali z daljšim interstimulusnim intervalom (500 ms), ki so hkrati izvajali naloge delovnega spomina, so ustvarili manj pogojnih odzivov kot udeleženci, ki so gledali film med treningom. Naši rezultati kažejo, da je izvajanje nalog delovnega spomina med kondicioniranjem mežikanja lahko izvedljiva strategija za preučevanje cerebelarnega učenja, ki je odsotno z vplivi zavesti in volje. To bi lahko povečalo primerljivost rezultatov, pridobljenih v študijah na ljudeh, s tistimi na živalskih modelih.

UVOD

Kondicioniranje mežikanja je široko uporabljena eksperimentalna paradigma za proučevanje asociativnega učenja. Pri kondicioniranju mežikanja se subjekt nauči mežikati kot odgovor na pogojni dražljaj (CS), kot je atone, ki mu večkrat sledi brezpogojni dražljaj, ki izzove mežikanje (US). Pri kondicioniranju mežikanja z zakasnitvijo se začetek UZ začne pred koncem CS, medtem ko pri kondicioniranju mežikanja v sledu obstaja časovna vrzel med koncem CS in začetkom UZ. Čas pogojnega odziva (CR) je tesno povezan z intervalom CS–US, ki se uporablja med vadbo, tako da se veke zaprejo tik pred pričakovanim porodom, kar ščiti oko. Vadba s kratkim intervalom CS–US povzroči naučen odziv mežikanja s kratko zakasnitvijo, medtem ko vzdolž intervala CS–US povzroči CR z daljšo zakasnitvijo1,2.

Poškodbe in nevrofiziološki poskusi kažejo, da se pri vrstah sesalcev, kot so zajci, mačke, beli dihurji, podgane in miši, asociativna spominska sled, ki nastane med zakasnjenim mežikanjem, nahaja v malih možganih3–9. Študije na bolnikih z malimi možgani 10, 11 in poskusi slikanja nevronov 12 potrjujejo, da imajo mali možgani ključno vlogo pri kondicioniranju mežikanja tudi pri ljudeh. Vendar to ne pomeni, da drugi deli možganov niso vključeni v učenje ali ga modulirajo. V prejšnji študiji smo pokazali, da lahko udeleženci, če so pozvani, prostovoljno ustvarijo nekaj, kar je videti kot pogojni odziv mežikanja, tudi če ni US13. Toda v kolikšni meri se to zgodi, ko udeleženci ne dobijo nobenih navodil? Zdi se, da je kondicioniranje sledi odvisno od malih možganov, pa tudi od hipokampusa in velikih možganov14,15. To lahko pojasni, zakaj imajo bolniki z amnezijo primanjkljaje pri sledenju, vendar ne zakasnitve kondicioniranja16,17. Vendar pa je druga študija pokazala, da zavedanje nepredvidljivih dražljajev ni vplivalo na stopnjo učenja pri zakasnitvi ali pogojevanju sledenja18. Poleg tega nevroslikarski podatki kažejo, da so ekstracerebelarne možganske regije aktivne med odloženim mežikanjem19.

Necerebelarna vpletenost pri ljudeh bi lahko pojasnila neskladje med krivuljami učenja pri živalih in ljudeh. Pri ljudeh se CR pogosto pojavijo v prvih desetih poskusih, čemur sledi le zmerno povečanje odziva 20–22. Nasprotno pa krivulje učenja pri živalih kažejo bolj postopno povečanje verjetnosti CR in redko je opaziti pomembno učenje v prvih nekaj blokih 5,23,24. Če povzamemo, še vedno obstaja več neodgovorjenih vprašanj o nevronskih vezjih ), ki je odgovoren za kondicioniranje mežikanja in vlogo zavedanja, ki ostaja moteča spremenljivka. Da bi povezali cerebelarne nevrofiziološke mehanizme s kondicioniranjem mežikanja pri živalih in ljudeh udeležencev, je zaželeno čim bolj zmanjšati vpliv zavesti in volje.

Tu smo preizkusili dve strategiji za zmanjšanje vpliva zavesti in volje na pogojevanje pri človeških udeležencih. Prva strategija je bila uporaba kratkega intervala CS–US, da bi zmanjšali čas, v katerem se udeleženci prostovoljno odzovejo. Druga strategija je bila zmanjšati kortikalne prispevke k učenju s predstavitvijo sočasnih nalog delovnega spomina med kondicioniranjem. Izbrali smo naloge delovnega spomina, za katere prejšnje raziskave kažejo, da zasedajo korteks, ne pa malih možganov.

REZULTATI

Linearni model mešanih učinkov

Za testiranje učinkov treninga, interstimulusnega intervala (ISI) in nalog delovnega spomina na odstotek pogojnih odzivov smo modelirali odstotek CR z linearnim modelom mešanih učinkov. Namesto analize variance s ponavljajočimi se meritvami je bil uporabljen linearni model mešanih učinkov, ker je statistično robustnejši, upošteva individualne razlike in se spopada z manjkajočimi podatkovnimi točkami25,26. Kot fiksne učinke smo uporabili vadbeni blok (1–10), ISI (150, 250 ali 500 ms), spol (moški ali ženski) in ne glede na to, ali je subjekt opravil naloge delovnega spomina (da ali ne).

V model smo vključili tudi ID subjekta kot naključen učinek. Model je bil izdelan v MATLAB (Mathworks Inc.) z uporabo funkcije fitlme s formulo: CRs ~1 + Block + Sex + WM + ISI + (1 |Subject).

Model kaže, da imajo naloge blokov, ISI in WM pomemben učinek na odstotek pogojenih odgovorov. Za vsak blok poskusov 10 se odstotek CR v povprečju poveča za 2,15 %. V desetih blokih to pomeni 2,15*10=21,5%. Ta sprememba je statistično pomembna (t=8.4339, P=4.4686e–16***, CI=1.65–2,65 %). Naš model je tudi pokazal, da interstimulusni interval vpliva na odstotek CR (slika 1a). Povečanje ISI za 1 ms povzroči 0,17-odstotno povečanje odstotka CR. Prehod s 150 ms ISI na 500 ms ISI pomeni 0,17*350=59,5-odstotno povečanje odstotka CR. Tudi ta učinek je pomemben (t=10.30, P=1.74e–22***, CI=0.13–0,20 %). Vendar v nasprotju z našimi prejšnjimi ugotovitvami20 spol ni vplival na CR (t=1.621, P=0.11, IZ=−1,67 do 17,4 %).

Zavedanje in delovni spomin

Po treningu so bili udeleženci v skupini za delovni spomin vprašani: "Ali ste opazili kakršno koli povezavo med pihanjem zraka in tonom?" Od 11 preiskovancev v tej skupini so 3 rekli, da so opazili, da so dražljaji včasih prišli skupaj in včasih sami, vendar nič več. Šest od 11 udeležencev je menilo, da so bili dražljaji nadležni in moteči. Nobeden od 11 udeležencev ni poročal o časovnem odnosu med dražljaji. Kljub temu so bili pogojni odzivi uspešno pridobljeni. Eksplicitno zavedanje torej ni bilo potrebno za uspešno kondicioniranje. Ne glede na to, ali so udeleženci med kondicioniranjem rešili naloge delovnega spomina, je vplivalo na odstotek CR (prikazano na sliki 1b). Tisti, ki so opravljali naloge delovnega spomina, so ustvarili 13,68 % manj CR kot tisti, ki so gledali film. Ta razlika je bila statistično pomembna (t=2.77, P=0.{{20}}057 **, CI=3.99–23.4%). V ločenem modelu, ki je vključeval samo udeležence, ki so opravljali naloge delovnega spomina, smo testirali, ali subjektova relativna uvrstitev glede zmogljivosti delovnega spomina napoveduje odstotek CR. Rezultati so pokazali, da temu ni tako (t=1.3189, P=0.18, CI=−0,9 do 5,0 %).

Povzetek

Če povzamemo, rezultati kažejo, da: (1) trening povzroči več CR; (2) daljši interval CS–US povzroči več CR; (3) spol ne vpliva na odstotek CR; (4) izvajanje naloge delovnega spomina zmanjša odstotek CR; in (5) uspešnost udeležencev pri nalogah delovnega spomina ne vpliva na odstotek CR.

DISKUSIJA

Dve glavni ugotovitvi te študije sta, da (1) interstimulusni interval<250 ms produces very few conditioned responses, and (2) having participants do working memory tasks reduces the learning rate. The lack of learning with a short CS–US interval goes against results in animal models where CS–US intervals between 150 ms and 500 ms typically produce high rates (80–100%) of conditioned responses23,24,27–29. However, it is largely consistent with previous research on humans where interstimulus intervals of <250 ms are associated with poor learning1,21, although in one study, 200 ms did produce some learning30. Given that we only tested four participants with a 150 ms ISI, we are not able to rule out that learning can occur with such a short ISI. However, the lack of learning to both 150 ms and 250 ms ISIs, combined with results from previous studies, indicate that using short CS–US intervals does not support eyeblink conditioning in humans. Furthermore, this also means that using short ISIs is not a viable strategy to reduce active influences on eyeblink conditioning because no conditioning occurs, at least not when the training consists of ~100 trials.

Training with a 500 ms ISI did induce learning. In the control group (without the working memory distraction), there was a rapid increase in rates of responding. Within the first three blocks, the response rate reached an average of >80 %, kar se pri preostalih sedmih blokih ni veliko spremenilo. To je v skladu z drugimi opažanji pri kondicioniranju mežikanja z človeškimi udeleženci 11,19,20,22,30–32. Vendar se razlikuje od vzorcev kondicioniranja pri drugih sesalcih. Pri nedotaknjenih kuncih, podganah in miših so kondicionirani odzivi včasih vidni šele po več dneh treninga5,24,27,28,33. Najvišje stopnje odzivanja in uravnavanje povprečne učne krivulje običajno zahtevajo dodatne dni usposabljanja. Predstavljivo je, da lahko dolgotrajno ali večkratno usposabljanje ljudi - kot se tradicionalno izvaja pri živalih - povzroči višje stopnje pogojnih odzivov.

Opravljanje nalog delovnega spomina med treningom z intervalom 500 msCS–US je povzročilo, da se udeleženci niso zavedali nepredvidenih dražljajev, vendar niso preprečili učenja. Ker udeležencev, ki niso opravili nalog delovnega spomina, nismo vprašali o njihovem zavedanju, ne moremo reči, ali so se zavedali nepredvidenih dražljajev. Vendar pa naše izkušnje kažejo, da udeleženci hitro ugotovijo, da zračni obpih pride po zvoku, kar je tudi skladno z opažanji v ref. 18. Krivulja učenja udeležencev v skupini z delovnim spominom je dosegla plato kasneje kot v kontrolni skupini. Postopno povečanje pogojenih odzivov se je razširilo na devet od desetih blokov usposabljanja. Tudi, čeprav je bilo učenje bolj postopno in so bile stopnje odzivanja nižje od prvega bloka, je stopnja odziva sčasoma dosegla enako raven (> 80 %) kot kontrolna skupina do konca desetih blokov usposabljanja. Naši rezultati so v nasprotju s prejšnjimi poskusi, kjer naloga maskiranja ni vplivala na stopnjo učenja18. Vendar so bili v prejšnji študiji udeleženci pozvani, naj ponavljajo besede. Naloge našega delovnega spomina so bile verjetno precej težje.

Če povzamemo, prejšnji poskusi kažejo, da sta lahko zavedanje pogojev dražljaja in prostovoljno mežikanje vir pospešenega učenja med pogojevanjem zakasnjenega mežikanja. Ta študija kaže, da lahko sočasno izvajanje spominskih nalog udeležencev med kondicioniranjem zmanjša aktivne vplive na učenje, kar lahko privede do učnega procesa, ki je bolj odvisen od malih možganov in zato bolj primerljiv s pogojnimi odzivi mežikanja, o katerih poroča literatura o živalih.

METODE

Udeleženci

Udeležencev je bilo 42 študentov (ženske=22; moški=20) na Univerzi v Lundu. Starostni razpon je bil 24,6 ± 5,38 let (povprečje ± SD). Udeleženci so bili razdeljeni v štiri različne skupine (glej tabelo 1). Tri skupine so bile usposobljene s tremi različnimi intervali CS–US: 150, 250 in 500 ms. Četrta skupina je bila trenirana z intervalom 500 ms, vendar je bilo poleg kondicioniranja udeležencem naročeno, da med treningom izvajajo naloge delovnega spomina (WM). Preiskovanci so pred poskusom podpisali pisno soglasje, v katerem so izjavili, da so bili splošno obveščeni o postopku, tj. da se bodo njihovi odzivi na mežikanje posneli in da bodo prikazani s toni in zračnimi vpihi, usmerjenimi v oko. Obrazec za soglasje je tudi potrdil, da so subjekti vedeli, da lahko kadar koli prekličejo sodelovanje. V znak hvaležnosti je subjekt ob koncu poskusa (ne glede na to, ali je opravil celoten protokol) prejel kino vstopnico. Lokalni etični odbor (Regional etikprövningsnämnden Lund) je odobril študijo (DNR 2017–785).

Materiali

Eksperimentalna postavitev je prikazana na sliki 2. Za zaznavanje gibanja veke je bil majhen okrogel neodimski magnet (premer: 3 mm; debelina: 1 mm) pritrjen na subjektovo levo veko z uporabo dvojnega lepilnega traku. Nastale spremembe v magnetnem polju so bile zabeležene s čipom GMR (AAH002-02E, NVE Corporation). Čip GMR in šoba, ki dovaja zračni vpih, sta bila pritrjena na desno stran očal, ki jih je subjekt nosil med preskusom . Podatki senzorja GMR so bili vzorčeni pri 1000 Hz in preneseni v računalnik prek pretvornika Micro 1401 AD (Cambridge Electronic Design). Micro 1401 je bil uporabljen tudi za sprožitev zvočnikov, ki predvajajo ton - 1000 Hz ton, ki je trajal 1 s - in odpiranje elektromagnetnega ventila D132202 (Aircom), s čimer se sprosti zračnik.

Kondicioniranje mežikanja

Poskusi so bili izvedeni v mirni sobi v kampusu. Za vsakega subjekta smo prilagodili intenzivnost vdihavanja zraka, tako da je zanesljivo izzval refleksno mežikanje brez draženja očesa. Nastali tlak je bil v razponu od 0,5 do 1 bara. Podobno je bila glasnost tona nastavljena tako, da je bila slišna, vendar ne neprijetna. Vsak posameznik je prejel skupno število 100 poskusov (10 blokov po 10 poskusov). Od teh 100 preskušanj je bilo 25 % poskusnih, kar pomeni, da je bil CS predstavljen samo. Medposkusni interval je bil 10 ± 2 s.

V skupinah, ki niso izvajale nalog delovnega spomina, so bili udeleženci naprošeni, da izberejo najljubšo televizijsko oddajo, ki jo bodo gledali na prenosnem računalniku med sejo kondicioniranja. Osebo so prosili, naj se osredotoči na program in poskuša ne nadzorovati gibanja vek. V skupini, ki je med kondicioniranjem prejela naloge delovnega spomina, je bilo udeležencem rečeno, naj se osredotočijo in kar se da dobro opravljajo naloge delovnega spomina. Povedali so jim, da je bil namen eksperimenta videti učinke motečih dražljajev v obliki tonov in zračnih obpihov na delovanje delovnega spomina. Cilj je bil, da subjekt dojema eksperiment kot test delovnega spomina in da se ne zaveda, da gre v resnici za poskus kondicioniranja mežikanja. Po usposabljanju so udeležence v skupini za delovni spomin vprašali, ali so opazili kakšen vzorec v predstavitev dražljajev.

Naloge delovnega spomina

Udeleženci v skupini za delovni spomin so med kondicioniranjem mežikanja dobili zahtevne naloge za delovni spomin. Izbrali smo nekaj najpogostejših testov delovnega spomina, ki jih je bilo mogoče kombinirati s protokolom za kondicioniranje in ki niso neposredno zahtevali časovnih in motoričnih sposobnosti. Kljub temu obstajajo dokazi, ki kažejo, da več teh nalog delovnega spomina vključuje male možgane34,35. Natančneje, udeleženci so opravili naslednjih osem testov v naslednjem vrstnem redu: (1) Corsi, (2) mentalna rotacija, (3) večopravilnost, (4) n-back (3-back), (5) Navon, (6 )Stroop, (7) vizualno iskanje in (8) naloga razvrščanja kartic v Wisconsinu. Preizkusi delovnega spomina so bili izvedeni v spletni programski opremi PsyToolkit (PsyToolkit je razvil profesor GijsbertStoet in pripada njemu ter je na voljo na www.psytoolkit.org). Vsako opravilo delovnega pomnilnika se začne z navodili na zaslonu, ki jih zagotovi PsyToolkit. Na zahtevo udeležencev so bile ustno predstavljene dodatne informacije. Vsak test se je začel z nekaj primeri usposabljanja (ki jih ponuja programska oprema), nato pa se je začelo testiranje. Odgovori so bili narejeni z računalniško tipkovnico in miško. Ko je udeleženec opravil vseh 8 testov, so mu naročili, naj začne znova s ​​prvim testom. Udeleženci so običajno opravili 1,5 kroga testov. Rezultati iz drugega kroga niso bili dodatno analizirani.

Analiza podatkov

Podatki o mežikanju so bili zbrani s programsko opremo Spike2 v9.10 (CED). Podatki iz nalog delovnega pomnilnika so bili shranjeni v MicrosoftExcel. Vsi podatki so bili nato izvoženi in analizirani v Matlab R2022a (Mathworks). Z uporabo skriptov Matlab po meri smo vsak poskus kategorizirali kot (1) CR, (2) brez CR ali (3) neveljaven preskus. Če je bil CR prisoten, je scenarij ocenil začetek in vrh odziva. Vsi pregledi so bili preverjeni ročno, da bi zagotovili, da je skript opravil pravilne kategorizacije. Napake so bile popravljene ročno. Za analizo uspešnosti testa delovnega spomina smo izbrali dve spremenljivki: reakcijski čas (RT) in uspešnost pri testu (pravilni odgovori v %). Uvrstitev je bila izračunana z uporabo funkcije uvrščanja iz programske opreme Microsoft Excel, povprečna uvrstitev pa je predstavljala eno vrednost za vsako spremenljivko RT in uspeh pri preizkušeni osebi.

Povzetek poročanja

Dodatne informacije o načrtovanju raziskav so na voljo v povzetku poročanja NaturePortfolio, ki je povezan s tem člankom.

REFERENCE

1. Kimble, GA Kondicioniranje kot funkcija časa med pogojnimi in brezpogojnimi dražljaji. J. Exp. Psychol. 37, 1–15 (1947).

2. Steinmetz, AB et al. Vrednotenje dvosmernega interstimulusnega intervala (ISI) premakne pogojevanje neslušne zakasnitve mežikanja z očmi pri zdravih ljudeh. Naučite se. Obnašaj se. 39,358–370 (2011).

3. McCormick, DA & Thompson, RF Mali možgani: bistvena vpletenost v klasično pogojen odziv vek. Znanost 223, 296–299 (1984).

4. Yeo, CH, Hardiman, MJ & Glickstein, M. Diskretne lezije cerebelarne skorje odpravijo klasično pogojen odziv mikajoče membrane zajca. Brain Res. 13, 261–266 (1984).

5. Ten Brinke, MM et al. Razvijajoči se modeli Pavlovskega kondicioniranja: cerebelarna kortikalna dinamika pri budnih miših. Cell Rep. 13, 1977–1988 (2015).

6. Jirenhed, D.-A. & Hesslow, G. Ali so premori Purkinjejevih celic povzročitelji klasično pogojenih odzivov mežikanja? Cerebellum 15, 526–534 (2016).

7. Zucca, R., Rasmussen, A. & Bengtsson, F. Regulacija plezalnih vlaken spontane Purkinjejeve celične aktivnosti in od malih možganov odvisnih odzivov mežikanja. eNeuro 3, ENEURO.0067-15.2015 (2016).

8. Freeman, JH & Steinmetz, AB Nevronsko vezje in mehanizmi plastičnosti, ki so osnova za zakasnitev mežikanja. Naučite se. mem. 18, 666–677 (2011).

9. Norman, RJ, Villablanca, JR, Brown, KA, Schwafel, JA & Buchwald, JSClasično kondicioniranje mežikanja pri dvostransko hemisferektomirani mački. Exp.Neurol. 44, 363–380 (1974).

10. van Gaalen, J. et al. Nenormalno kondicioniranje mežikanja z očmi je zgodnji marker cerebelarne disfunkcije pri predkliničnih nosilcih mutacije SCA3. Exp. Brain Res. 237,427–433 (2019).

For more information:1950477648nn@gmail.com