Modificări ale conectivității creierului în timpul somnului prin neurostimulare transcraniană în buclă închisă Prezicerea sensibilității metamemoriei partea 1

ABSTRACT

Metamemoria implică capacitatea de a judeca corect acuratețea amintirilor noastre. Recuperarea amintirilor poate fi îmbunătățită folosind stimularea electrică transcraniană (tES) în timpul somnului, dar dovezile pentru îmbunătățirea sensibilității metamemoriei sunt limitate.

Recuperarea memoriei se referă la procesul de recuperare a informațiilor stocate în creier prin diferite mijloace atunci când are loc uitarea memoriei. În viața noastră zilnică de studiu, recuperarea memoriei este o verigă foarte importantă. Nu numai că ne poate ajuta să consolidăm cunoștințele pe care le-am învățat, ci și să ne îmbunătățim memoria.

Memoria este capacitatea unei persoane de a păstra și reaminti informații și este inseparabilă de învățare. Doar cu o memorie puternică putem stăpâni mai multe cunoștințe și abilități și putem juca un rol mai important în viața noastră de zi cu zi.

Recuperarea memoriei și memoria sunt strâns legate. Recuperarea memoriei este atunci când trebuie să folosim anumite cunoștințe, le vom căuta și reamintim, iar acest proces de căutare și amintire este recuperarea memoriei. Dacă memoria noastră nu este suficient de puternică, vom avea dificultăți în recuperarea memoriei și s-ar putea să uităm, ceea ce ne va afecta efectul de învățare și performanța.

Prin urmare, îmbunătățirea memoriei nu este o chestiune simplă, dar putem folosi unele metode și tehnici științifice pentru a ne ajuta să îmbunătățim memoria. De exemplu, putem consolida memoria prin învățare repetată, putem folosi abilitățile de asociere pentru a adânci și mai mult memoria sau ne putem activa creierul în moduri diferite pentru a îmbunătăți și mai mult memoria.

Pe scurt, recuperarea memoriei și memoria sunt strâns legate. Doar atunci când avem o memorie puternică putem realiza mai bine recuperarea memoriei și obținem rezultate mai bune de învățare. Să avem curajul să ne provocăm pe noi înșine, să ne îmbunătățim memoria prin învățare și practică continuă și să punem o bază solidă pentru viitorul nostru. Se poate observa că trebuie să îmbunătățim memoria, iar Cistanche deserticola poate îmbunătăți semnificativ memoria deoarece Cistanche deserticola este un material medicinal tradițional chinezesc care are multe efecte unice, dintre care unul este îmbunătățirea memoriei. Eficacitatea Cistanche deserticola provine din multiplele ingrediente active pe care le conține, inclusiv acid tanic, polizaharide, glicozide flavonoide etc. Aceste ingrediente pot promova sănătatea creierului printr-o varietate de căi.

Faceți clic pe cunoaște 10 moduri de a îmbunătăți memoria

Aplicarea tES poate îmbunătăți consolidarea memoriei dependentă de somn, care împreună cu metamemoria necesită coordonarea activității între sistemele neuronale distribuite, sugerând că examinarea conectivității funcționale este importantă pentru înțelegerea acestor procese.

Cu toate acestea, puține cercetări au examinat modul în care modulațiile funcționale ale conectivității se raportează la schimbările peste noapte ale sensibilității metamemoriei. Aici, am dezvoltat o metodă tES cu buclă închisă de scurtă durată, blocată în timp la stările ascendente ale oscilațiilor cu undă lentă în curs de desfășurare, pentru a semnala reluări specifice de memorie la oameni. Am măsurat modificările de coerență electroencefalografice (EEG) în urma impulsurilor de stimulare și am caracterizat modificările rețelei cu metrici teoretice grafice.

Folosind tehnici de învățare automată, arătăm că tES pulsat a provocat modificări ale rețelei în benzile de frecvență multiple, inclusiv conectivitate crescută în banda theta și eficiență crescută în banda fusului. În plus, modificările induse de stimulare în lungimea căii benzii beta au fost predictive pentru schimbările peste noapte ale sensibilității metamemoriei.

Aceste descoperiri adaugă noi perspective literaturii în creștere care investighează creșterea performanței memoriei prin stimularea creierului în timpul somnului și evidențiază importanța examinării conectivității funcționale pentru a explica efectele acesteia.

REZUMAT AUTOR

Numeroase studii au demonstrat o legătură clară între somn și memorie - și anume, amintirile sunt consolidate în timpul somnului, ceea ce duce la reprezentări mai stabile și de lungă durată.

Am arătat anterior că etichetarea episoadelor cu modele specifice de stimulare a creierului în timpul codificării și reluarea acestor modele în timpul somnului poate îmbunătăți acest proces de consolidare pentru a îmbunătăți încrederea și luarea deciziilor în amintiri (metamemorie).

Aici, extindem acest lucru pentru a examina modificările creierului la nivel de rețea care apar în urma stimulării în timpul somnului care prezic îmbunătățiri ale metamemoriei. Folosind metode teoretice de graf și de învățare automată, am constatat că modificările induse de stimulare în lungimea căii benzii beta au prezis îmbunătățiri peste noapte în metamemorie.

Această nouă descoperire aruncă o lumină nouă asupra mecanismelor neuronale ale consolidării memoriei și sugerează potențiale aplicații pentru îmbunătățirea metamemoriei.

INTRODUCERE

Creierul are capacitatea remarcabilă de a transforma întâlnirile și episoadele scurte, chiar și întâlnirile „one-shot”, în amintiri de lungă durată. Acest lucru are loc printr-un proces cunoscut sub numele de consolidare a memoriei, în care amintirile aflate într-o stare labilă sunt reluate în timpul somnului și convertite în reprezentări mai stabile. Cu toate acestea, regăsirea cu succes a amintirilor implică procese de control și luare a deciziilor și chiar și amintirile care sunt consolidate în timpul somnului pot fi dificil de reamintit sau recuperat cu puțină încredere în veridicitatea lor (Koriat și Goldsmith, 1996).

Sensibilitatea metamemoriei, sau capacitatea unui individ de a-și judeca cu încredere acuratețea amintirilor, joacă un rol esențial în utilizarea amintirilor noastre. De exemplu, un martor ocular la o crimă poate să fi codificat cu succes detaliile critice ale episodului, dar este posibil să nu aibă încredere în memoria lor, ceea ce duce la decizii incorecte (Luus & Wells, 1994; Memonet al., 2003; Sporer et al., 1995) .

Astfel, îmbunătățirea nu numai regăsirea memoriei, ci și a sensibilității metamemoriei este de o importanță critică. Aici, am investigat îmbunătățirea sensibilității printr-o intervenție în timp ce indivizii dormeau. În timpul somnului, ansamblurile neuronale reprezentând amintiri codificate anterior sunt reactivate atât în ​​zona hipocampului, cât și în zona neocorticală (Euston et al., 2007; Ji & Wilson, 2007; Nádasdyet al., 1999; Sirota şi colab., 2003; Skaggs & McNaughton, 1996;

Reluările memoriei sunt observate predominant în timpul somnului cu undă lentă, în special în timpul fazelor pozitive, sau stărilor ascendente, ale oscilației continue 0.5–1,2 Hz (Lee & Wilson, 2002; Mölle & Born, 2011). Reactivările tiparelor neuronale specifice de codificare sunt însoțite de o activitate oscilatorie talamocorticală de 12-15 Hz cunoscută sub numele de fuse, precum și de explozii de scurtă durată de înaltă frecvență în hipocamp numite ondulații (De Gennaro & Ferrara, 2003; Mölleet al., 2006).

Coordonarea complicată a reluărilor, axurilor și a ondulațiilor este esențială pentru a facilita consolidarea amintirilor în stocarea pe termen lung sau pentru a transfera amintiri din hipocamp în neocortex (McClelland și colab., 1995; McGaugh, 2000; Rasch & Born, 2013; Staresinaet al., 2015).

Consolidarea amintirilor nu numai că poate facilita recuperarea lor ulterioară, ci poate fi legată de încrederea viitoare a individului în ele; și anume, consolidarea poate întări amintirile și poate îmbunătăți învățarea (Walker & Stickgold, 2004), iar încrederea în amintiri este legată de fidelitatea memoriei (Dallenbach, 1913).

Astfel, vizarea procesului de consolidare cu o intervenție ar putea beneficia nu numai de succesul recuperării, ci și de sensibilitatea metamemoriei. În ultimul deceniu, cercetătorii au investigat din ce în ce mai mult modalități de stimulare a proceselor de consolidare a memoriei prin manipulări externe. Aceste studii de intervenție au arătat că consolidarea memoriei dependentă de somn poate fi îmbunătățită în două moduri.

În primul rând, reactivările memoriei pot fi declanșate în timpul somnului prin reexpunerea indivizilor la indicii senzoriali externi, cum ar fi mirosuri sau sunete care au fost prezente în timpul codificării (Antony et al., 2012; Oudiette & Paller, 2013; Schreiner & Rasch, 2014; Rasch et al. , 2007; Rudoy et al., 2009). Această reactivare a semnalului poate duce la beneficii în rechemare pentru elementele specifice asociate anterior cu indicii.

În al doilea rând, mai multe studii au arătat că aplicarea stimulării electrice transcraniene (tES) la anumite frecvențe la creier în timpul somnului poate potența procesele electrofiziologice endogene, ceea ce duce la facilitarea consolidării memoriei și recunoașterea sau rechemarea ulterioară (Ketz et al., 2018; Ladenbauer et al. , 2016, 2017; Lustenbergeret al., 2016 Marshall et al., 2006, 2004;

Aceste studii au demonstrat o creștere generală a performanței de recuperare a memoriei după tES în timpul somnului. Este important că acest beneficiu legat de stimulare pentru memorie s-ar putea datora modificărilor specifice frecvenței în conectivitatea funcțională dintre regiunile creierului (Krause și colab., 2017).

Pentru a rezuma, cercetările anterioare indică faptul că recuperarea amintirilor poate fi întărită prin neurostimulare în timpul somnului și ar sugera potențial că indivizii ar avea, de asemenea, o mai mare sensibilitate la metamemorie sau o corelație mai mare în acuratețea și încrederea în deciziile lor de memorie, pentru aceste episoade.

Într-adevăr, unele cercetări au demonstrat o relație între somnul sănătos neîntrerupt și judecățile metamemoriei intacte (Dauratet al., 2010). Cu toate acestea, acesta poate să nu fie cazul, deoarece alte cercetări au demonstrat disocieri între deciziile de ordinul întâi (judecăți de recunoaștere) și deciziile de ordinul al doilea (judecăți de încredere; Del Cul și colab., 2009; Hebart și colab., 2016; Rounis et al. al., 2010).

Acest lucru este important, deoarece încrederea în memorie poate scădea în timp (Shapira & Pansky, 2019), ceea ce duce la erori în raportarea memoriei și la o luare mai slabă a deciziilor.

S-a demonstrat că stimularea neuronală a cortexului prefrontal îmbunătățește monitorizarea memoriei pentru întrebările de cunoștințe generale (Chua și Ahmed, 2016; Chua și colab., 2017), iar stimularea theta-burst pentru a deprima activitatea cortexului frontopolar a influențat judecățile metacognitive (Ryals și colab. , 2016), sugerând că tehnicile tES ar putea fi eficiente pentru îmbunătățirea și menținerea sensibilității memoriei pentru episoadele codificate cu o singură înregistrare.

Într-adevăr, lucrările recente din laboratorul nostru au arătat că modelele unice spațiotemporale modulate în amplitudine (STAMP) ale tES pot fi utilizate pentru a stimula consolidarea somnului și sensibilitatea judecăților unor amintiri episodice specifice dobândite în realitatea virtuală imersivă (Pilly et al., 2020).

În această lucrare, extindem lucrările anterioare privind indicarea reactivării memoriei prin investigarea modificărilor conectivității funcționale după modele tES de scurtă durată (și anume, STAMP-uri) în timpul somnului.

S-a demonstrat anterior că conectivitatea funcțională este afectată de tES în timpul trezirii (Polanía et al., 2011, 2012), precum și de consolidarea memoriei în timpul somnului (Mölleet al., 2004). În plus, consolidarea amintirilor din creier este considerată a fi un proces la nivel de sistem, prin faptul că este susținută de o combinație de comunicare pe distanță scurtă și pe distanță lungă între structurile creierului (Staresina și colab., 2015).

Acest lucru este probabil similar cu metamemoria, deoarece cercetările au arătat că conectivitatea între o rețea distribuită de zone ale creierului, inclusiv cortexul frontal, precuneusul și hipocampul susțin memoria și judecățile metacognitive (Baird et al., 2013; Molenberghs et al., 2016; Morales). et al., 2018; Ren et al., 2018; Ye et al., 2019).

Astfel, înțelegerea modului în care schimbările în conectivitatea funcțională se raportează la acest proces este critică; cu toate acestea, din cunoștințele noastre, niciun studiu până în prezent nu a examinat modul în care modificările conectivității funcționale datorate stimulării în timpul somnului ar putea afecta sau se pot lega de consolidarea memoriei și procesele de luare a deciziilor.

Pentru a examina schimbările în conectivitatea funcțională, am folosit măsuri de coerență EEG (Nunez, 1995), în special partea imaginară a coerenței (Nolte și colab., 2004) și am extras caracteristicile conectivității din datele de coerență cu analize teoretice grafice (Bullmore & Sporns). , 2009;Sporns, 2003).

Această abordare modelează conectivitatea funcțională a creierului ca un grafic interconectat și permite explorarea relației dintre structura și funcționarea rețelei.

Deși eram interesați de schimbările de conectivitate în banda Spindle, am extins analiza pentru a include mai multe benzi de frecvență, deoarece activitatea în multe benzi spectrale a fost legată de procesele de memorie (Hanslmayr & Staudigl, 2014; Hanslmayr et al., 2012; Lisman & Jensen, 2013). Apoi am folosit tehnici bazate pe învățarea automată pentru a determina caracteristicile teoretice importante ale graficelor pentru discriminarea între condițiile de stimulare Active și Sham, precum și pentru a prezice schimbări peste noapte în comportamentul memoriei episodice.

În acest fel, oferim o nouă perspectivă asupra modulațiilor conectivității funcționale în urma tES pulsat care sunt legate de modificări ale sensibilității metamemoriei pentru amintiri episodice specifice.

MATERIALE ȘI METODE

Participanții raportați în această lucrare sunt același grup de participanți de la Pilly et al. (2020). Ei au primit modele spațio-temporale scurte unice ale tES (și anume, STAMP-uri) în timpul codificării informațiilor episodice, dintre care jumătate au fost reaplicate în timpul stărilor ascendente ale oscilațiilor cu undă lentă (SWO) în timpul nopților ulterioare pentru a indica reactivarea amintirilor asociate specifice (condiție activă).

La un alt moment în timp, aceiași indivizi au efectuat, de asemenea, sarcina de memorie fără stimulare a creierului (condiția Sham).

Prin urmare, am fost interesați nu numai de modificările conectivității funcționale care diferă între condițiile de stimulare Active și Sham, ci și de modificările de conectivitate în urma STAMP-urilor care au fost legate de schimbările în reamintirea unor amintiri episodice specifice de la pre-la post-somn.

Participanții

Un total de 30 de participanți sănătoși au finalizat experimentul, care au fost recrutați folosind fluturași plasați în campusul Universității din New Mexico și în comunitatea înconjurătoare și au primit compensații bănești la finalizarea studiului.

Dintre aceștia, șase participanți au fost excluși din analize din cauza eșecului echipamentului de a stimula în timpul unei nopți active sau a nerespectării instrucțiunilor de sarcină.

Datele EEG de somn de la alți șase participanți nu au putut fi utilizate pentru a calcula măsurile de conectivitate funcțională din cauza artefactelor excesive, ceea ce a condus la includerea a N=18 participanți în analiza și raportarea finală. Toți participanții au furnizat consimțământul informat semnat pentru a participa la studiu, care a fost aprobat de Consiliul de revizuire instituțional Chesapeake.

Toți participanții erau vorbitori nativi de engleză, aveau auz și vedere normale sau corectate la normal și nu aveau istoric de tulburări neurologice sau psihiatrice sau abuz de droguri.

Paradigma comportamentală și procedură
O schiță a procedurii experimentale este prezentată în Figura 1. Experimentul a fost alcătuit dintr-o perioadă de aclimatizare pentru a antrena participanții și a-i lăsa să doarmă în laborator, urmată de două nopți experimentale care au implicat învățare și testare.

Noaptea de aclimatizare a fost doar pentru a permite participanților să se obișnuiască să doarmă în laborator, iar datele EEG nu au fost înregistrate sau analizate din această perioadă. Participanții au codificat informații în prima noapte experimentală. Sarcina de memorie a constat în vizualizarea episoadelor de realitate virtuală administrate cu o cască HTC Vive VR, urmată de mai multe teste de memorare a detaliilor din episoade.

Participanții au codificat 14 viniete de realitate virtuală, fiecare cu durata de aproximativ un minut, înfățișând o serie de evenimente cu două sau mai multe personaje care comit anumite acțiuni în jurul unui complex de apartamente. O vignetă suplimentară care a fost mai lungă a fost folosită pentru a antrena participanții în timpul perioadei de aclimatizare. Participanții au fost testați pe memorie pentru viniete pe parcursul a cinci sesiuni de testare administrate pe parcursul a 48 de ore cu o sarcină computerizată non-VR construită în MATLAB.

Pentru fiecare vignetă, s-au construit 10 itemi de testare care au constat în afirmații Adevărat/Fals cu privire la anumite aspecte ale vignetei. Fiecare dintre cele cinci liste de teste conținea 28 de itemi, câte 2 pentru fiecare vignetă. Participanții au raportat dacă afirmațiile testului au fost adevărate/false, precum și încrederea în amintirea lor pe o scară de la 1 la 10. Participanții au dormit în laborator pentru fiecare dintre cele trei nopți.

Procedura a constat din patru sesiuni experimentale și o sesiune de aclimatizare. În sesiunea de aclimatizare, participanții au văzut o vignetă lungă de practică, au răspuns la întrebările de la testele de practică și apoi au dormit în laborator. În prima sesiune experimentală următoare (Sesiunea 1), participanții au codificat stimulii experimentali.

Jumătate dintre participanți au primit tES unice cu ștampile unice în timpul vizionării vinietelor (condiție activă), în timp ce cealaltă jumătate nu a primit nicio stimulare (condiție simulată). Participanții au primit condiția de stimulare opusă timp de două nopți experimentale suplimentare, separate de aproximativ 1 săptămână. După finalizarea procedurii de vizualizare a vignetei, participanților li s-a făcut primul test de reamintire a memoriei și apoi au dormit peste noapte în laborator. Această noapte, și nu noaptea de aclimatizare, a fost considerată „Noaptea 1”.

Participanții la starea activă au primit jumătate din STAMP-uri în timpul nopții pentru a indica consolidarea amintirilor specifice în timpul nopții. În schimb, participanții la condiția Sham nu au primit stimulare în timpul nopții. Rețineți că acest proiect de studiu ne-a permis să comparăm performanța memoriei pentru episoadele care au primit stimulare STAMP în timpul codificării și somnului (Tag & Cue) cu episoadele care au primit doar stimulare la codificare (Tag & No Cue). Pentru analizele de conectivitate, ne-am concentrat pe condițiile Tag & Cue și Sham (fără codare sau stimulare a somnului).

După ce participanții s-au trezit, li s-a dat un al doilea test de memorie, iar sesiunea experimentală s-a încheiat. A doua sesiune experimentală (Sesiunea 2) a avut loc seara după prima sesiune. Participanților li s-a dat un al treilea test de memorie seara, s-au culcat, și a primit un alt test de memorie după trezire.

Această a doua perioadă de dormit în laborator a fost considerată „Noaptea 2”. Participanții activi ai grupului au primit din nou ștampile în timpul nopții. Testul final de memorie a fost administrat mai târziu seara. Pentru condiția de stimulare opusă (Sesiunile 3 și 4), participanții au vizualizat un nou set de 14 viniete și li s-au administrat teste de memorare corespunzătoare timp de 2 zile. În acest fel, experimentul a fost o manipulare în interiorul subiecților, condițiile Active și Sham care au loc la aproximativ 1 săptămână.

Atribuirea ordinii condiției de stimulare (Activ mai întâi vs. Sham mai întâi), precum și alocarea vignetelor, au fost contrabalansate între participanți. Analizele raportate în această lucrare se concentrează pe noaptea 2, unde au fost găsite cele mai mari efecte comportamentale ale stimulării STAMP (a se vedea Pilly et al., 2020, pentru detalii suplimentare).

For more information:1950477648nn@gmail.com