Izguba spanja moti nevronski podpis uspešnega učenja, 3. del

Analize podatkov

Vedenje

Podatki o vedenju so bili analizirani s programom R Studio (v.1.4.1717, R Studio Team 2021). Konsolidacija spomina je bila indeksirana s spremembo natančnosti vizualno-prostorskega spomina med takojšnjim in odloženim testom.

Odloženo testiranje je testna metoda, ki se pogosto uporablja za testiranje spomina in učnih učinkov. Njegovo osnovno načelo je, da se po opravljeni določeni učni in spominski nalogi test za nekaj časa odloži, da se opazuje dolgoročni spomin ljudi in obvladovanje naučenega znanja.

Raziskave kažejo, da nam odloženo testiranje lahko pomaga pri utrjevanju spominov in izboljšanju učenja. Običajno se učimo in si zapomnimo vedno znova, ko se učimo novega znanja, vendar nam odloženo testiranje lahko pomaga pri pomnjenju in priklicu bolj učinkovito, kar pomaga poglobiti naše razumevanje in spomin na znanje, ki smo se ga naučili. Ta globoki spomin nam bo bolj verjetno pomagal hitro obnoviti in priklicati informacije, ki jih potrebujemo v prihodnosti.

Z odloženim testiranjem lahko odkrijemo slepe pege v našem učenju, poiščemo vsebino, ki si jo najtežje zapomnimo, ter jo ciljno preučimo in ponovno osvojimo za celovitejše osvajanje zahtevanega znanja.

Vendar moramo opozoriti, da testiranje z zamudo ni povsem učinkovito. Uporablja se predvsem za utrjevanje znanja, ki smo ga že osvojili, in nam ne bo pomagal pri učenju konceptov ali točk znanja. Zato si moramo pri učenju novega znanja tudi več delati zapiskov in naučeno znanje uporabiti v resničnem življenju, da poglobimo svoje razumevanje in spomin znanja.

Skratka, odloženo testiranje je v veliko pomoč našemu učenju in spominu. Omogoča nam, da bolje utrjujemo spomin znanja ter se učinkoviteje učimo in osvajamo zahtevano znanje. Aktivno uporabljajmo odloženo testiranje za izboljšanje učnih rezultatov in boljše obvladovanje zahtevanih znanj in veščin med učnim procesom. 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 mletega mesa izhaja iz različnih učinkovin, ki jih vsebuje, vključno s kislino, polisaharidi, flavonoidi itd. Te sestavine lahko spodbujajo zdravje možganov na različne načine.

Kliknite poznajte dodatke za izboljšanje spomina

Za vsakega udeleženca in test smo izračunali rezultat napake za vsako sliko z izračunom razdalje (cm) med priklicano lokacijo (središče slike) in lokacijo, kjer se je slika pojavila pri pasivnem gledanju. Indeks zadrževanja (RI) smo izpeljali tako, da smo za vsako sliko odšteli oceno napake pri odloženem testu od ocene napake pri takojšnjem testu in nato izračunali povprečje po slikah.

Nadaljnji RI je bil izračunan med takojšnjim in naknadnim testom z uporabo iste metode. Za lažje razumevanje (npr. višji RI=boljše zadrževanje) smo vrstni red odštevanja RI zamenjali s tistim, ki je bil predhodno registriran.

This change yields statistically identical results aside from the sign change. As preregistered, 1 participant was removed from analyses that included RISleepBenefit scores (see below) because their RI at the delayed test in the sleep deprivation condition was >3 SD od povprečja.

Učenje naslednji dan je bilo ocenjeno z indeksom učenja (LI), ki je bil enak odstotku pravilno prepoznanih slik na testu parnih sodelavcev. Razlike med pogoji v RI in LI so bile analizirane z uporabo t-testov parnih vzorcev s pragom pomembnosti P < 0.05. Poročamo o "klasičnem" Cohenovem d kot naši oceni učinka, ker nanj ne vpliva eksperimentalna zasnova in tako olajša primerjave med različnimi študijami (funkcija R: cohen, paket R: LSR, Navarro2015).

Eden od naših glavnih ciljev je bil raziskati povezavo med konsolidacijo, povezano s spanjem, in učenjem naslednji dan ter kako SWA prispeva k temu odnosu. Da bi to naredili, smo najprej kvantificirali korist spanja (v primerjavi s pomanjkanjem spanja) na RI in LI. Odšteli smo (za vsakega udeleženca) RI v stanju pomanjkanja spanja od RI v stanju spanja, da bi izpeljali RISleepBenefit.

Podobno smo (za vsakega udeleženca) odšteli LI v stanju pomanjkanja spanja od LI v stanju spanja, da smo dobili LISleepBenefit. Pozitivni rezultati na RISleepBenefit in LISleepBenefit torej kažejo na izboljšanje učinkovitosti, povezano s spanjem. RISleepBenefit in SWA (glej spodaj) sta bila vnesena kot napovedovalca LISleepBenefit v multipli regresijski analizi s prisilnim vnosom.

Bayesova večkratna regresijska analiza (paket R: BayesFactor, Morey in Rouder 2018) je bila uporabljena za testiranje dokazov o ničelnosti (tj. brez povezave med konsolidacijo, povezano s spanjem [RISleepBenefit], SWA in učenjem naslednjega dne [LISleepBenefit]). Raziskovalne korelacije so bile izračunane z uporabo Pearsonovega R.

EEG (spanje)

Predobdelava

Podatki EEG med spanjem so bili razdeljeni na 30 obdobja in ocenjeni v RemLogic 3.4 v skladu s standardiziranimi merili (Iber 2007). Epohe, ocenjene kot stopnja spanja N2 ali SWS, so bile izvožene v MATLAB 2019a z uporabo FieldTriptoolbox (Oostenveld et al. 2011, v.10/04/18) za nadaljnjo analizo. Artefakti so bili identificirani in odstranjeni z uporabo FieldTripovega podatkovnega brskalnika (povprečje ± SD zavrnjeni artefakti, 3,5 ± 2,85), hrupni kanali so bili odstranjeni (4 kanali na 4 udeleženci) in 2 celotna nabora podatkov sta bila izključena zaradi čezmernega šuma. Preostali podatki so bili pasovno filtrirani med 0,3 Hz in 30 Hz z uporabo Butterworthovih nizkopasovnih in visokoprepustnih filtrov.

Spektralna analiza moči

Zaradi znatnega hrupa v okcipitalnih kanalih (kot posledica ločitve elektrod ponoči pri več udeležencih) smo v našo spektralno analizo vključili le frontalne (F3 in F4), centralne (C3 in C4) in parietalne (P3 in P4) kanale. podatkov EEG v spanju. Z uporabo funkcij iz orodjarne FieldTrip so bile epohe N2 in SWS brez artefaktov uporabljene za hitro Fourierjevo transformacijo z 10.24-s Hanningovim oknom in 50-odstotnim prekrivanjem. Moč EEG v SWA (0,5– 4 Hz) in pasove hitrega vretena (12,1–16 Hz) so določili s povprečenjem po ustreznih frekvenčnih posodah in kanalih.

EEG (učenje)

Predobdelava

Vseh 8 EEG kanalov (F3, F4, C3, C4, P3, P4, O1 in O2) je bilo vključenih v našo analizo učenja. Podatki so bili visokopasovno filtrirani (0,5 Hz), zarezno filtrirani (49–51 Hz) in segmentirani v poskuse (–3 s do 4,5 s okoli začetka dražljaja). Preskusi, na katere se udeleženci niso odzvali, so bili odstranjeni iz analiza (povprečje ± SD brez preskušanj, spanje: 0.1 ± 0.45, pomanjkanje spanja: 5,11 ± 7,93, Priestet al. 2001).

Na elektrodah lasišča so bili ugotovljeni mežikanja z očmi in srčne komponente, ki so bile odstranjene z analizo neodvisnih komponent, hrupni kanali pa so bili interpolirani s tehtanim povprečjem njihovih najbližjih sosedov (14 kanalov pri 6 udeležencih in 2 pogojih). Poskusi so bili vizualno pregledani in podatki 2 udeležencev so bili odstranjeni zaradi čezmernega šuma v več kanalih.

Časovno-frekvenčne analize

Časovno-frekvenčne predstavitve (TFR) so bile izračunane ločeno za nižje (4–30 Hz) in višje frekvence (30–60 Hz). Naša predhodno registrirana zgornja meja je bila 120 Hz, a ker je bila naša frekvenca vzorčenja 200 Hz, je bila zgornja meja nad Nyquistovo frekvenco in jo je bilo treba znižati. Za nižje frekvence so bili podatki konvolvirani s 5-5-cikličnim Hanningovim zoženjem v 0.{ {9}}Hz frekvenčni koraki in 5-msčasovni koraki z uporabo prilagodljive dolžine okna (tj. kjer se dolžina okna zmanjšuje z naraščajočo frekvenco, npr. 1,25 s pri 4 Hz in 1 s pri 5 Hz, da se ohrani 5 ciklov).

Pri višjih frekvencah so bili podatki zviti s zoženimi zaporedji Slepians (3 zoženimi), prav tako v korakih po 0.5 Hz in 5 ms s prilagodljivo dolžino okna. Za to zadnjo analizo je bilo glajenje frekvence nastavljeno na 0.4 frekvence, ki nas zanima (npr. glajenje 20 Hz pri 50 Hz). Zavrnitev artefaktov je bila dosežena s pristopom, ki temelji na podatkih in se uporablja ločeno za analize nižjih in višjih frekvenc: vrednosti moči, ki so presegle 85. percentil v vseh časovnih/frekvenčnih točkah in poskusih, so bile odstranjene iz nabora podatkov vsakega udeleženca.
TFR so bili pretvorjeni v odstotno spremembo moči glede na osnovno okno pred dražljajem od −400 ms do −200 ms. To okno je bilo izbrano za ublažitev izhodiščne kontaminacije z aktivnostjo po dražljaju, hkrati pa ohranja bližino nastopa dražljaja (upoštevajte, da se je naše zanimivo časovno okno po dražljaju začelo pri 0,3 s, glejte spodaj).

Poskusi so bili razdeljeni na pozneje zapomnjene in pozabljene pare pridevnik-podoba (na podlagi testne faze 48 ur kasneje). Ker se je naš zarezni filter 49–51 Hz prekrival z našim frekvenčnim območjem gama, smo analizo višjih frekvenc (30–60 Hz) izvedli brez zareznega filtra in rezultati v frekvenčnem območju gama (40–60 Hz) so ostali nespremenjeni.

Statistika

Analize TFR so bile izvedene kot analize odvisnih vzorcev in so bile popravljene za večkratne primerjave z uporabo FieldTripove neparametrične permutacijske metode na osnovi gruče (1,000 randomizacije). Grozdi so bili definirani s časom kanala * ob povprečenju po zanimivih frekvenčnih pasovih (theta [4–8 Hz], alfa [8–12 Hz], beta [12–20 Hz] in gama [40–60 Hz], prag skupine P <0,05).

Vnaprej registrirane analize v pasovih teta in gama so bile {{0}}zaključene, medtem ko so bile raziskovalne analize 2-zaključene. Da bi zmanjšali motnje zaradi zgodnjih vizualno izzvanih odzivov, je bilo zanimivo časovno okno nastavljeno od 0,3 s do 2 s (Friedman in Johnson 2000; Osipova et al. 2006). Za oceno vplivov pomanjkanja spanja (v primerjavi s spanjem) na nevronske korelate kodiranja smo uporabili faktorski pristop: izračunali smo veliko povprečno razliko TFR za pozneje zapomnili > pozabljene pare pridevnik-podoba znotraj vsakega stanja (spanje in pomanjkanje spanja) in nato vnesli ti kontrasti v analizo permutacije na osnovi grozdov (Sleeppremembered > forgotten > SleepDeprivationremembered > forgotten).

Da bi odražali utemeljitev permutacijskega testa, ki temelji na grozdu, poročamo o velikostih učinkov kot Cohenovem dz na podlagi povprečja največjega grozda (tj. povprečja po vseh kanalih in časovnih točkah, ki so na kateri koli točki prispevale k največjemu grozdu, Meyeret sod. 2021).

Rezultati

Spanje koristi utrjevanju spomina

Za oceno konsolidacije čez noč smo izračunali RI iz testov takojšnjega in zapoznelega vidno-prostorskega spomina (višji RI {{0}} boljše zadrževanje čez noč, glejte Materiali in metode). Kot je bilo pričakovano, je bil RI bistveno višji po spanju kot pri pomanjkanju spanja (t(28)=3.78, P <0,001, d=0.71, glej sliko 2a). Da bi zagotovili, da naše ugotovitve niso bile posledica utrujenosti med različnim stanjem pri odloženem testu, smo ocenili tudi ohranjanje spomina med takojšnjim in nadaljnjim testom (ki je potekal 48 ur po odloženem testu, s čimer smo omogočili obnovitveni spanec).

Kot je bilo pričakovano, je bil RI še vedno znatno višji v stanju spanja (v primerjavi s pomanjkanjem spanja) (t(28)=2.18, P=0.038, d {{5} }.44, glej sliko 2b), kar nakazuje, da je spanje olajšalo konsolidacijo čez noč. Pri takojšnjem testu ni bilo pomembne razlike med pogoji v vizualno-prostorski natančnosti (povprečje ± standardna napaka povprečja (SEM), spanje: 2,44 ± 0.10, pomanjkanje spanja: 2,57 ± 0,10, t (28)=−0,98, P=0.337, d=0.19, BF01=3.28) in ni bilo nobene razlike v koristih zadrževanja spanja ( RISleepBenefit [iesleep condition RI − stanje spanja RI], glej spodaj) med udeleženci, ki so končali stanje spanja pred ali po stanju spanja (t(27)=0.22, P=0.828, d=0.08, BF01=2.81).

Čeprav so bili odzivni časi na PVT počasnejši zjutraj po pomanjkanju spanja (povprečje ± SEM, 399.00 ms ± 17,63) kot spanje (289,15 ± 4,34, P < 0.0{ {19}}1), ni bilo pomembne povezave med RISleepBenefit in PVTSleepBenefit (tj. povprečna RT po spanju − povprečna RT po pomanjkanju spanja, R{{10}} −0).15, P {{ 13}}.440, BF01=1.92). Podobno, kot navaja SSS, so se udeleženci počutili manj budne po pomanjkanju spanja (povprečje ± SEM, 5,37 ± 0,15) kot po spanju (2,27 ± 0,16). Vendar ni bilo pomembne korelacije med RISleepBenefit in SSSSleepBenefit (tj. povprečna ocena po spanju − povprečna ocena po pomanjkanju spanja, R2 < −0,01, P=0.991, BF01=2.46). Razširjena analiza podatkov PVT in SSS je na voljo v dodatnem gradivu.
Spanje izboljša učenje naslednji dan

Za oceno učinkovitosti kodiranja po spanju ali pomanjkanju spanja smo izračunali LI, ki je bil enak odstotku pravilno prepoznanih slik na testu seznanjenih sodelavcev (to se je zgodilo 48 ur po kodiranju, po obnovitvenem spanju). Kot je bilo pričakovano, je bila uspešnost kodiranja bistveno višja po spanju kot pri pomanjkanju spanja (t(29)=12.19, P < 0.001, d=2.17, glej sliko 2c), kar nakazuje, da je spanje koristilo učenju naslednji dan. Med udeleženci, ki so opravili pogoj spanja pred stanjem pomanjkanja spanja ali po njem, ni bilo pomembne razlike v koristih spanja pri novem učenju (LISleepBenefit; tj. stanje spanjaLI − stanje pomanjkanja spanja LI, glejte spodaj) ( t(28)=0.37,P=0.712, d=0.14, BF01=2.75).

Med LISleepBenefit in PVTSleepBenefit (R{{0}} −0.30, P=0.113) ni bilo pomembnega razmerja, čeprav dokazi za nič niso prepričljivi (BF{{ 5}}.86). Podobno ni bilo pomembne korelacije med LISleepBenefit in SSSSleepBenefit(R2=−0,35, P=0.056) z nedokončnimi dokazi za thenull (BF01=0.53).

Ni povezave med konsolidacijo, povezano s spanjem, aktivnostjo počasnih valov in učenjem naslednji dan

Nato smo preizkusili hipotezo, da konsolidacija čez noč napoveduje učenje naslednji dan in da SWA prispeva k temu razmerju. Ker smo želeli ciljati na razmerje med obdelavo spomina, povezanim s spanjem, in učenjem naslednjega dne, je bilo treba najprej kvantificirati pozitiven vpliv spanja (v primerjavi s pomanjkanjem spanja) na RI in LI. Zato smo odšteli RI in LI med stanjem spanja in pomanjkanjem spanja (od udeleženca do udeleženca), tako da so pozitivni rezultati na posledični meritvi RISleepBenefit in LISleepBenefit kazali na izboljšanje učinkovitosti, povezano s spanjem. SWA je bila opredeljena kot moč EEG v frekvenčnem pasu 0.5–4 Hz med stopnjama spanja N2 in SWS (zgoščeno v vseh kanalih EEG). V modelu multiple regresije smo vnesli RISleepBenefit in SWA kot napovedovalca ter LISleepBenefit kot spremenljivko izida. V nasprotju s pričakovanji s spanjem povezana konsolidacija (RISleepBenefit) in SWA nista pomembno vplivala na učenje naslednji dan (LISleepBenefit,F(2, 24)=1.51, R2=0.11, P {{ 18}}.242, glej sliko 3). Med RISleepBenefit in LISleepBenefit neodvisno od SWA niso opazili pomembne povezave (B=3.30, t(24)=0.86,P=0.399) ali med SWA in LISleepBenefit neodvisno od RISleepBenefit (B=−0,51, t(24)=−1,65, P=0.111). RISleepBenefit ni pomembno koreliral s SWA (R{ {37}}.21, P=0.298). Nadaljnja Bayesova analiza je razkrila anekdotične dokaze v podporo ničelnosti (tj. da konsolidacija, povezana s spanjem, in SWA nista upoštevala učenja naslednjega dne, BF01=2.04).

V pomožni analizi smo ponovili to večkratno regresijo, vendar smo v naš model vnesli le podatke iz stanja spanja (tj. RISleepBenefit in LISleepBenefit sta bili nadomeščeni z RI in LI samo iz stanja spanja). Naše ugotovitve so odražale tiste iz prejšnje analize: s spanjem povezana konsolidacija (RI) in SWA nista bistveno upoštevala učenja naslednji dan (LI, F(2, 25)=1.83, P=0).181 , R2=0.13, BF{{10}}.68). Prav tako ni bilo pomembne povezave med RI in LI neodvisno od SWA (B=4.46, t(25 )=1.67,P=0.107) ali med SWA in LI neodvisno od RI(B=−0,25, t(25)=−1,16, P { {26}}.256), med RI in SWA (R2=0.28, P=0.143) pa niso opazili pomembne korelacije.

Raziskali smo tudi, ali je RI v stanju spanja povezan z drugimi parametri spanja, ki so bili prej vpleteni v deklarativno konsolidacijo spomina: čas (min) v SWS (Backhaus et al. 2006; Scullin 2013) in moč hitrega vretena (12,1–16 Hz). , Cox in drugi 2012; Tamminen in drugi 2010). Vendar se ni pojavilo nobeno pomembno razmerje (vsi P > 0,368). Podatki o spanju so na voljo v tabeli 1.

Pomanjkanje spanja moti betadesinhronizacijo med uspešnim učenjem

Na koncu smo preizkusili hipotezo, da pomanjkanje spanja moti theta in gama sinhronizacijo pri učenju. Vendar pa niso opazili nobenih pomembnih razlik v pasovih theta (4–8 Hz) ali gama (40–60 Hz), ko so primerjali TFR med pozneje zapomnili in pozabljenimi pari pridevnik-podoba ali med stanjem spanja in pomanjkanja spanja. ni pomembne interakcije med temi kontrasti (vsi P > 0,05).

V raziskovalni analizi smo raziskali učinek pomanjkanja spanja na beta desinhronizacijo, ki je uveljavljen označevalec uspešnega učenja (Hanslmayret sod. 2009, 2011, 2012, 2014; Griffiths et al. 2016). V skladu s temi prejšnjimi ugotovitvami je bilo med kodiranjem naknadno zapomnjenih (v primerjavi s pozabljenimi) parov pridevnik-podoba opaženo splošno zmanjšanje moči beta pri kombinaciji stanja spanja in pomanjkanja spanja (kar ustreza 2 grozdoma na levi hemisferi, ki se začneta pri ~1,5–1,7 s (P=0.044,d=−0,66) in pri ~1,75–1,9 s (P=0.038, d=−0,49) po začetku dražljaja (glej sliko 4a ).

Zanimivo je, da so se spremembe moči beta, ki spremljajo uspešno učenje, znatno razlikovale v pogojih spanja in pomanjkanja spanja (interakcija, ki ustreza grozdu v levi hemisferi pri ~{{0}},5–0,7 s, P=0.014, d=−0.33, glej sliki 4b in d). Medtem ko je bilo kodiranje naknadno zapomnjenih (v primerjavi s pozabljenimi) parov pridevnik-podoba povezano z znižanjem moči beta po spanju ( P=0.005), očitna regulacija moči beta je nastala iz istega kontrasta po pomanjkanju spanja (P=0.019, glej sliko 4c, čeprav ta zadnji post hoc test ni preživel Bonferronijevega popravka, alfa { {16}}.0125). Poleg tega je bila moč beta znatno zmanjšana med kodiranjem pozneje pozabljenih parov v stanju spanja (v primerjavi s pomanjkanjem spanja) (P=0.001), vendar med kodiranjem pozneje pozabljenih parov (P=0) ni bilo opaziti takšne razlike. .928).

To explore whether this significant interaction was driven by increased fatigue in the sleep deprivation (vs. sleep) condition, we correlated (for each participant) average beta power for the contrast Sleepremembered > forgotten >Pomanjkanje spanja zapomni > pozabljeno (znotraj pomembne skupine na ravni skupine) s SSSSleepBenefit in PVTSleepBenefit. Opazili niso nobenih pomembnih razmerij (SSS: R2=−0.20, P=0.311, BF01=1.58, PVT: R2=0. 18,P=0.371, BF01=1.73), kar nakazuje, da zgornje ugotovitve niso nastale zaradi utrujenosti med razlikami v stanju.

Splošno zmanjšanje moči beta je bilo opaženo tudi pri stanju spanja (v primerjavi s pomanjkanjem spanja) pri kombiniranju naknadno zapomnjenih in pozabljenih parov pridevnika-podobe, ki ustrezajo 2 grozdoma na levi (~1–1,5 s, P=0.{{8} }14, d=−0.63) in desna polobla (~1,3–1,7 s, P=0.038, d=−0,47) .Glede na predhodno poročane povezave med desinhronizacijo alfa (8–12 Hz) in uspešnim učenjem (Griffiths et al. 2016; Weisz et al. 2020) smo raziskali tudi aktivnost v tem frekvenčnem pasu (enaki kontrasti kot zgoraj), vendar brez pomembnih učinkov (vsi P > 0,05).

Aktigrafija

Ure spanja v intervalu {{0}}h med odloženimi in nadaljnjimi testi (ocenjeno z aktigrafijo zapestne ure) so bile uporabljene za 2 (pogoj: spanje/pomanjkanje spanja) * 2 (noč: 1/2 ) ANOVA s ponavljajočimi se meritvami (Rfunkcija: anova_test, paket R: rstatix). Upoštevajte, da 2 udeleženca nista bila vključena v to analizo zaradi tehničnih težav z napravo za aktigrafijo. Prisoten je bil glavni učinek Noči (F(1, 27)=62.47, P < 0.001, ηp2=0.7{ {42}}), kar kaže, da so vsi udeleženci spali dlje na noč 1 kot na noč 2. Pomemben pogoj ∗ Nočna interakcija (F(1, 27)=14.21, P < 0.{ {45}}1, ηp2=0.35), so se pojavili tudi post hoc testi, popravljeni z Bonferronijem, ki kažejo, da je bilo trajanje spanja daljše v stanju pomanjkanja spanja (v primerjavi s spanjem) na noč 1 (povprečje ± SEM ur spanja, pomanjkanje spanja: 9,03 ± 0,45, spanje: 7,52 ± 0,24, P=0.006), vendar krajše na noč 2 (pomanjkanje spanja: 5,33 ± 0,23, spanje: 6,00 ± 0,25, P=0.036) . Ni bilo glavnega učinka Pogoja (F(1, 27)=3.07, P=0.091, ηp2=0.10).

Možno je, da je daljše trajanje spanja prvo noč po učenju v stanju pomanjkanja spanja (v primerjavi s spanjem) povečalo utrjevanje na novo naučenih parov pridevnik-podoba, kar bi lahko ublažilo začetni vpliv izgube spanja na kodiranje. Da bi preizkusili to možnost, smo povezali razliko med pogoji v trajanju spanja prvo noč po učenju (stanje pomanjkanja spanja − stanje spanja) z LISleepBenefit. Vendar se ni pojavilo nobeno pomembno razmerje (R2=−0.06, P=0.756, BF01=2.33).

Diskusija

Spanje nudi prednost pred budnostjo za ohranjanje spominov in tudi za učenje novih (Gais et al. 2006; Yoo et al. 2007; Talamini et al. 2008; Payne et al. 2012; Alberca-Reina et al. 2014; Kaida et al. drugi 2015; Durrant in drugi 2016; Tempesta in drugi 2016; Cairney, Lindsay in drugi 2018; Cousins ​​in drugi 2018; Gaskell in drugi 2018; Ashton in drugi 2020; Ashton in Cairney 2021). Nekateri menijo, da je te koristi mogoče razložiti z aktivno vlogo SWS in z njim povezanih nevronskih oscilacij pri preusmerjanju mreže za pridobivanje spomina iz hipokampusa v neokorteks in s tem obnavljanju sposobnosti hipokampusa za novo učenje (Walker 2009; Born in Wilhelm 2012; Rasch in Born 2013; Klinzing et. drugi 2019). V trenutni študiji smo preizkusili hipotezo, da obseg, v katerem posamezniki utrjujejo nove spomine med spanjem, napoveduje njihovo sposobnost kodiranja novih informacij naslednji dan in da SWA prispeva k temu odnosu. Čeprav smo opazili korist spanja (v primerjavi s pomanjkanjem spanja) pri naših merilih utrjevanja čez noč in učenja naslednjega dne, nismo našli nobenih dokazov o povezavi med obema meriloma ali s SWA.

Glede na pomen spanja za novo učenje smo nadalje poskušali razumeti, kako pomanjkanje spanja vpliva na nevronske korelate uspešnega kodiranja. Zanimivo je, da je bilo učenje pozneje zapomnjenih (v primerjavi s pozabljenimi) asociacijami povezano z znižanjem moči beta 12–20 Hz po spanju (kot so poročali v prejšnjem delu, Hanslmayr et al. 2009, 2011, 2012, 2014; Griffiths et al. 2019 ), po pomanjkanju spanja ni prišlo do pomembne razlike v moči beta. Te ugotovitve kažejo, da odsotnost spanja moti nevronske operacije, ki podpirajo kodiranje spomina, kar vodi v neoptimalno delovanje.

Spanje koristi utrjevanju čez noč in učenju naslednji dan

Prejšnja dela so pokazala, da spanje podpira utrjevanje spomina (Gais in sod. 2006; Talamini in sod. 2008; Payneet in sod. 2012; Durrant in sod. 2016; Cairney, Lindsay in sod. 2018; Gaskell in sod. 2018; Ashton in sod. 2020; Ashtonand Cairney 2021) in kasnejše učenje (McDermottet sod. 2003; Yoo in sod. 2007; Kaida in sod. 2015; Tempestaet in sod. 2016; Cousins ​​in sod. 2018). V skladu s temi študijami smo ugotovili, da sta ohranjanje spomina in učenje naslednji dan koristila spanju čez noč v primerjavi s pomanjkanjem spanja.

Čeprav je bila to vnaprej registrirana raziskava o vlogi spanja pri učenju in spominu in je bila motivirana s predhodnim delom na isto temo (Gais et al. 2006; Yoo et al. 2007), je pomembno razmisliti, v kolikšni meri lahko naše ugotovitve ločijo učinke spomina. spanja zaradi motečih vplivov pomanjkanja spanja. Podaljšana obdobja budnosti povzročajo različne kognitivne okvare (Krause et al. 2017), kar pomeni, da bi lahko slabše delovanje v stanju pomanjkanja spanja (v primerjavi s spanjem) odražalo posredne posledice izgube spanja in ne neposredne odsotnost spanja (dejansko so se udeleženci v trenutni študiji počasneje odzvali na PVT in poročali, da so manj pozorni na SSS po pomanjkanju spanja kot po spanju). Če se najprej osredotočimo na našo oceno konsolidacije čez noč, lahko generalizirane kognitivne okvare, ki izhajajo iz pomanjkanja spanja, poslabšajo zmogljivost vračanja, kar ustvarja vtis izboljšanja zadrževanja, povezanega s spanjem.

Čeprav je to razumna skrb glede na učinke spanja in spomina, opažene pri našem odloženem testu (ki je sledil takoj po nočnem intervalu), ne pojasni, zakaj je bila prednost zadrževanja v stanju spanja še vedno prisotna 48 kasneje (nekoč so imeli posamezniki s pomanjkanjem spanja dovolj priložnosti za okrevanje spanja). Poleg tega smo opazili nepomembno razmerje med koristmi spanja (v primerjavi s pomanjkanjem spanja) na ohranjanje spomina in med razlikami v pogojih v rezultatih SSS ali odzivnih časih PVT, kar kaže, da naše ugotovitve niso temeljile na splošnih kognitivnih okvarah, ki spremljajo pomanjkanje spanja. Zato je razumno sklepati, da naši podatki odražajo pozitiven vpliv spanja na utrjevanje spomina. Iz naših podatkov pa ni mogoče sklepati, v kolikšni meri je to spominsko korist spanja mogoče razložiti z odsotnostjo motenj budnosti (kot na primer v stanju pomanjkanja spanja) ali aktivnim mehanizmom konsolidacije, ki je odvisen od spanja.

Če se obrnemo na našo analizo učenja naslednji dan, čeprav je faza ocenjevanja potekala tudi 48 ur po kodiranju, se je začetna faza učenja pojavila takoj po spanju ali pomanjkanju spanja. Zato ne moremo izključiti možnosti, da so na očitno izboljšanje uspešnosti kodiranja po spanju vplivale splošne kognitivne okvare po pomanjkanju spanja. Pomembno pa je, da menimo, da naši podatki EEG zagotavljajo razumne dokaze, da odsotnost spanja sama po sebi moti novo učenje. Natančneje, če bi naše učinke poganjali nespecifični kognitivni primanjkljaji po pomanjkanju spanja, bi pričakovali, da bomo opazili le generalizirane razlike v aktivnosti EEG med stanji spanja in pomanjkanja spanja (tj. samo glavni učinek stanja v vseh preskušanjih kodiranja). Nasprotno pa je pomembna interakcija pokazala, da je bila beta desinhronizacija okrepljena v stanju spanja (v primerjavi s pomanjkanjem spanja), zlasti na poskusih, pri katerih so se pari pridevnikov in slik pozneje spomnili. Ta vpliv spanja na desinhronizacijo beta med uspešnim učenjem ni bil predviden z razlikami med pogoji v rezultatih SSS ali odzivnih časih PVT, in ni se pojavila razlika med pogoji v moči beta za pare, ki so bili pozneje pozabljeni (glejte sliki 4b in c). Ker beta desinhronizacija je uveljavljen nevronski označevalec semantične obdelave med uspešnim učenjem (Hanslmayr et al. 2011, 2014; Griffiths et al. 2016), te ugotovitve lahko nakazujejo, da so nevronski mehanizmi kodiranja res moteni zaradi odsotnosti spanja. Nadaljnja podpora temu mnenju je na voljo spodaj, kjer opisujemo, kako se lahko možgani vključijo v strategije kompenzacijskega učenja, ko so poti semantične obdelave ogrožene zaradi pomanjkanja spanja (glejte "Izguba spanja moti učinkovito učenje").

Ker je naš RI temeljil na testih za iste elemente na takojšnjih, odloženih in nadaljnjih sejah, je možno, da so na naše podatke vplivali učinki prakse priklica (tj. spomini, ki so podvrženi praksi priklica, so običajno bolje zapomnjeni kot tisti, ki se ne, Roediger in Karpicke 2006; Carpenter et al. 2008). To pomeni, da se je prednost zadrževanja, opažena po spanju (v primerjavi s pomanjkanjem spanja) pri zakasnjenem testu, morda obdržala pri nadaljnjem testu kot rezultat prakse priklica. Glede na to, da spomini, okrepljeni s priklicem, pridobijo le malo koristi od konsolidacije, povezane s spanjem (Bäuml et al. 2014; Antony et al. 2017; Antony in Paller 2018), bi moral takojšnji test po hipotezi prakse priklica izničiti kakršen koli poznejši vpliv spanja na zadrževanje. Čeprav se še vedno lahko trdi, da je bila razlika med stanjem v zadrževanju pri odloženem testu posledica nespecifičnih okvar po pomanjkanju spanja, to ne bi pojasnilo, zakaj je bila spominska prednost v stanju spanja še vedno prisotna 48 ur kasneje (ko je prišlo do okrevanja spanca). Zato menimo, da učinki prakse iskanja ne morejo zagotoviti razumne razlage naših ugotovitev.

Glede na to, da je za obnovitveni spanec po pomanjkanju spanja značilno homeostatsko povečanje SWS (Borbély 1982; Borbély et al. 2016), bi lahko pričakovali, da se bo pri pomanjkanju spanja (v primerjavi s spanjem) čez noč okrepila konsolidacija na novo naučenih parov pridevnik-podoba. stanju, kar lahko ublaži začetni vpliv izgube spanja na kodiranje. Čeprav nismo zabeležili EEG v spanju v času, ko udeleženci niso bili v laboratoriju (in tako nimajo vpogleda v homeostatsko povečanje SWS po pomanjkanju spanja), smo spremljali vedenje med spanjem z aktigrafijo zapestne ure. Udeleženci so prvo noč po učenju spali dlje v stanju pomanjkanja spanja (v primerjavi s spanjem), vendar ta razlika med pogoji v trajanju spanja ni bila bistveno povezana z obsegom koristi spanja za učenje. To nakazuje, da daljše okrevanje spanja v stanju pomanjkanja spanja ni bistveno vplivalo na vpliv izgube spanja na novo učenje.

Vendar je vredno omeniti, da bi izboljšana konsolidacija na novo naučenih parov pridevnik-podoba v stanju pomanjkanja spanja (v primerjavi s spanjem) (zaradi daljšega ali globljega spanca za okrevanje) lahko zakrila razmerje med ohranjanjem spomina, povezanim s spanjem, in učenjem za naslednji dan v naši multipli regresijski analizi. Vendar so bili opaženi enaki ničelni učinki, ko je bila naša analiza omejena samo na podatke iz pogojev spanja in ne na odštevanja med pogoji spanja in pomanjkanja spanja (kot je bilo storjeno v naši primarni analizi). Zato ni bilo opaziti nobene povezave med konsolidacijo čez noč in učenjem naslednji dan, ko smo iz naših podatkov odstranili vpliv pomanjkanja spanja (in domnevno izboljšanje konsolidacije, povezane s spanjem med spanjem za okrevanje).

Ni povezave med utrjevanjem, povezanim s spanjem, in učenjem naslednji dan

Če konsolidacija spomina med SWS podpira premik v omrežju za pridobivanje spomina od hipokampusa do neokorteksa, potem bi morala s spanjem povezana konsolidacija spominov, odvisnih od hipokampusa, predvideti učenje novih asociacij, posredovanih s hipokampusom, naslednji dan, SWA pa bi morala olajšati to razmerje. v naših podatkih nismo opazili takšnih učinkov, kar kaže na to, da novo učenje v hipokampusu morda ni odvisno od obdelave spomina v hipokampusu med prejšnjo nočjo spanja.

Druga razlaga teh ničelnih učinkov je, da naša eksperimentalna paradigma ni mogla zagotoviti ustreznega preizkusa naše hipoteze. Čeprav smo sklepali, da bi uporaba 2 konceptualno različnih nalog, odvisnih od hipokampusa, preprečila, da bi na naše ugotovitve vplivala retroaktivna ali proaktivna interferenca, so kvalitativne razlike med tema nalogama morda izničile našo sposobnost zaznavanja razmerja med konsolidacijo spomina, povezano s spanjem, in učenjem naslednjega dne. Kljub temu je to špekulativni predlog, ki ga je mogoče obravnavati v prihodnjih raziskavah (npr. z uporabo naloge apaired-associates za oceno zadrževanja pomnilnika čez noč in poznejšega kodiranja).
Čeprav je bila naša študija motivirana s predpostavkami ogrodja aktivnih sistemov (Walker 2009; Born in Wilhelm 2012; Rasch in Born 2013; Klinzinget sod. 2019), je pomembno, da naše ugotovitve upoštevamo tudi v kontekstu homeostatskega sinaptičnega zmanjševanja velikosti, ki velja za še en temeljni mehanizem, prek katerega spanje podpira učenje in spomin (Tononi in Cirelli 2014, 2016). S tega vidika je spanje cena, ki jo možgani plačajo za budno plastičnost, da se izognejo kopičenju sinaptičnega povečanja. Ker naj bi se sinaptična renormalizacija zgodila predvsem med spanjem (ko so lahko nevronska vezja podvržena širokemu in sistematičnemu sinaptičnemu zmanjšanju), bi noč pomanjkanja spanja preprečila obnovo celične homeostaze in poslabšajo učenje naslednji dan. Več teoretičnih mnenj o procesiranju spomina, povezanem s spanjem, je napredovalo pri usklajevanju ključnih načel ogrodij aktivnih sistemov in sinaptične homeostaze, kar nakazuje, da ti procesi delujejo usklajeno, da podpirajo globalno plastičnost oziroma lokalno zmanjševanje velikosti in s tem pripravljajo hipokampus za prihodnost kodiranje (Lewis in Durrant 2011; Genzel et al. 2014; Klinzing et al. 2019). Zanimivo je, da sta globalno predvajanje in konsolidacija spomina povezana s počasnim (<1 Hz) oscillations, downscaling and forgetting are associated with delta waves (1–4 Hz) in local networks (Genzel et al. 2014; Kim et al. 2019). How interactions between global slow oscillations and local delta waves regulate overnight memory processing is therefore pertinent to further understanding the relationship between sleep-associated consolidation and next-day learning.

Izguba spanja moti učinkovito učenje

Uspešno učenje je povezano z levo lateralizirano beta desinhronizacijo ~0,5–1,5 s po začetku dražljaja (Hanslmayr et al. 2009, 2011, 2012, 2014; Griffithset al. 2016, 2021). V skladu s temi predhodnimi študijami smo opazili zmanjšanje beta moči ~0,3–2 s po nastopu dražljaja med kodiranjem naknadno zapomnjenih (v primerjavi s pozabljenimi) asociacijami, kar je bilo najbolj izrazito na levi hemisferi. Beta desinhronizacija naj bi odražala semantično obdelavo med uspešnim oblikovanjem spomina (Hanslmayr et al. 2011; Fellner et al. 2013); ko se moč beta zmanjša, se globina semantične obdelave poveča (Hanslmayr et al. 2009). Širše so bile neokortikalne alfa/beta oscilacije povezane z obdelavo dohodnih informacij med epizodnim kodiranjem (Griffiths et al. 2021). Za našo učno nalogo so udeleženci dobili navodila, naj oblikujejo živahne slike ali zgodbe, ki povezujejo pridevnik in sliko vsakega para. Opaženo znižanje moči beta med uspešnim učenjem bi tako lahko odražalo vključitev operacij obdelave informacij, ki morda vključujejo semantične predstavitve, kar omogoča, da se te nove asociacije povežejo v 1 skladno epizodo in predajo spominu.
Pomembno pa je, da se je sprememba moči beta, ki je spremljala uspešno učenje, razlikovala glede na to, ali so udeleženci spali ali ostali budni čez nočni interval. Medtem ko je bilo kodiranje naknadno zapomnjenih (v primerjavi s pozabljenimi) pari pridevnikov in slik povezano z desinhronizacijo beta po spanju, ni prišlo do bistvene razlike v moči beta iz istega kontrasta po pomanjkanju spanja. Zato se zdi, da dolgotrajno pomanjkanje spanja moti operacije semantične obdelave, ko so udeleženci uspešno oblikovali novi spomini. Ta razlaga je v skladu s prejšnjimi vedenjskimi ugotovitvami, kjer so imeli posamezniki s pomanjkanjem spanja težave pri kodiranju semantično neskladnih parov dražljajev (Alberca-Reinaet al. 2014). Možgani, ki jim primanjkuje spanja, bi se tako lahko zanašali na alternativne poti obdelave, ko bi nove informacije zapisali v spomin. Predhodne študije so dejansko pokazale, da pomanjkanje spanja vodi do kompenzacijskih nevronskih odzivov med učenjem (Chee in Choo 2004; Drummond et al. 2004) in prepoznavanjem (Sterpenich et al. 2007).

Kakšna bi lahko bila narava te alternativne poti za učenje po pomanjkanju spanja? Zanimivo je omeniti, da smo opazili povečano regulacijo aktivnosti beta med uspešnim (v primerjavi z neuspešnim) učenjem v stanju pomanjkanja spanja (čeprav ta razlika ni preživela Bonferronijevega popravka za več primerjav). Povečanje moči beta je bilo povezano z delovnim spominom in aktivnim vadba (Tallon-Baudry et al. 2001; Hwang et al. 2005; Onton et al. 2005; Deiber et al. 2007), kar nakazuje, da se posamezniki s pomanjkanjem spanca lahko vključijo v bolj površinske strategije vadbe zaradi ogrožanja poti semantične obdelave odsotnost spanja.

Pomembno je omeniti, da so zgornje ugotovitve o desinhronizaciji beta izhajale iz raziskovalne analize, ki ni bila vnaprej registrirana, zato jih je treba obravnavati previdno, dokler se ne ponovijo v potrditvenih raziskavah.

Zaključek

Raziskali smo, ali konsolidacija spomina v spanju napoveduje učenje naslednji dan in ali SWA prispeva k temu odnosu. Poleg tega smo raziskali, kako pomanjkanje spanja vpliva na nevronske korelate uspešnega učenja. Čeprav je spanje izboljšalo ohranjanje spomina in učenje naslednji dan, nismo našli nobenih dokazov o povezavi med temi meritvami ali SWA. Medtem ko je bila beta desinhronizacija - vzpostavljen marker semantične obdelave med uspešnim učenjem - prisotna med kodiranjem pozneje zapomnili (v primerjavi s pozabljenimi) asociacijami po spanju, po pomanjkanju spanja niso opazili takšne razlike v moči beta. Dolgotrajno pomanjkanje spanja bi torej lahko zmotilo našo sposobnost črpanja pomenskega znanja pri kodiranju novih asociacij, zaradi česar je potrebna uporaba bolj površinskih in navsezadnje neoptimalnih poti do učenja.

Zahvala

Hvaležni smo Marcusu O. Harringtonu za pomoč pri zbiranju podatkov in Jennifer E. Ashton za pomoč pri eksperimentalnem materialu. Prav tako se zahvaljujemo članom skupine za spanje, jezik in spomin na Univerzi v Yorku za plodne razprave o podatkih.

Dodatno gradivo

Reference

Alberca-Reina E, Cantero JL, Atienza M. Semantična kongruenca obrne učinke omejitve spanja na asociativno kodiranje. Neurobiol Learn Mem. 2014: 110: 27–34.

Antonenko D, Diekelmann S, Olsen C, Born J, Mölle M. Dremanje za obnovitev učne sposobnosti: izboljšano kodiranje po stimulaciji počasnih nihanj spanja. Eur J Neurosci. 2013:37(7):1142–1151.

Antony JW, Paller KA. Priklic in spanje preprečujeta pozabljanje prostorskih informacij. Naučite se Mem. 2018: 25 (6): 258–263.

Antony JW, Ferreira CS, Norman KA, Wimber M. Priklic kot hitra pot do utrditve spomina. Trendi Cogn Sci. 2017: 21 (8): 573–576.

Ashton JE, Cairney SA. Spomini, pomembni za prihodnost, se med spanjem ne krepijo selektivno. PLoS One. 2021:16(11):e0258110.

Ashton JE, Harrington MO, Guttesen AÁV, Smith AK, Cairney SA.Spanje ohranja fiziološko vzburjenje v čustvenem spominu. SciRep. 2019:9(1):5966.

Ashton JE, Harrington MO, Langthorne D, Ngo H-VV, Cairney SA. Pomanjkanje spanja povzroči fragmentirano izgubo spomina. Naučite se Mem.2020:27(4):130–135.

For more information:1950477648nn@gmail.com