Cum modelează comportamentul creierul și creierul modelează comportamentul: perspective din dezvoltarea memoriei

Pentru mai multe informatii:ali.ma@wecistanche.com

Memorie sursăse îmbunătățește substanțial în copilărie. Se crede că această îmbunătățire este strâns legată de maturizarea hipocampului. După cum studiile anterioare au folosit în principal modele transversale pentru a evalua relațiile dintrememorie sursăși funcția hipocampului, rămâne necunoscut dacă modificările din creier preced îmbunătățirile înmemoriesau vice versa. Pentru a rezolva această lacună, studiul actual a folosit un design longitudinal accelerat (n=200, 100 de bărbați) pentru a urmări copiii umani de 4- și 6-ani timp de 3 ani. Am urmărit schimbările de dezvoltare înmemorie sursăși conectivitatea funcțională hipocampală intrinsecă și diferențele evaluate între cohortele de 4- și 6-ani în relațiile predictive dintrememorie sursămodificări și conectivitate funcțională hipocampală intrinsecă în absența unei sarcini solicitante. În conformitate cu studiile anterioare, au existat creșteri legate de vârstă însursămemorieși conectivitate funcțională intrinsecă între hipocamp și regiunile corticale cunoscute a fi implicate în timpul codificării memoriei. Descoperiri noi au arătat că modificările capacității de memorie la începutul vieții au prezis conectivitatea ulterioară între hipocamp și regiunile corticale și că conectivitatea funcțională intrinsecă a hipocampului a prezis modificări ulterioare ale memoriei sursei. Aceste descoperiri sugerează că experiența comportamentală și dezvoltarea creierului sunt procese interactive, bidirecționale, astfel încât experiența modelează schimbările viitoare ale creierului, iar creierul modelează schimbările viitoare ale comportamentului. Rezultatele sugerează, de asemenea, că atât momentul, cât și locația contează, deoarece efectele observate depind atât de vârsta copiilor, cât și de ROI-ul specific al creierului. Împreună, aceste descoperiri adaugă o perspectivă critică asupra relațiilor interactive dintre procesele cognitive și bazele lor neurologice subiacente în timpul dezvoltării.

Cuvinte cheie: proiectare longitudinală accelerată; dezvoltarea creierului;memorie episodica;conectivitate funcțională a hipocampului;dezvoltarea memoriei; memorie sursă

Fengji Geng,1,3 Morgan Botdorf,2 și Tracy Riggins2

1Departamentul de Curriculum și Științe ale Învățării, Universitatea Zhejiang, Campusul Zijingang, Hangzhou, 310058, 2Departamentul de Psihologie,

Universitatea din Maryland, College Park, Maryland 20742 și 3Children's Hospital, Zhejiang University School of Medicine, National Clinical

Centrul de Cercetare pentru Sănătatea Copilului, Hangzhou, 310052

Declarație de semnificație

Studiile transversale au arătat că capacitatea de a-și aminti detaliile contextuale ale experiențelor anterioare (de exemplu,memorie sursă) este legată de dezvoltarea hipocampului în copilărie. Nu se știe dacă modificările funcționale ale hipocampului precedă îmbunătățirimemoriesau vice versa. Folosind un design longitudinal accelerat, am descoperit că devremememorie sursăschimbările au prezis mai târziu conectivitatea funcțională intrinsecă a hipocampului și că această conexiune a prezis modificări ulterioare ale memoriei sursă. Aceste descoperiri sugerează că experiența comportamentală și dezvoltarea creierului sunt procese interactive, bidirecționale, astfel încât experiența modelează schimbările viitoare ale creierului, iar creierul modelează schimbările comportamentale viitoare. Mai mult, aceste interacțiuni au variat în funcție de vârsta și regiunea creierului copiilor, evidențiind importanța unei perspective de dezvoltare atunci când se investighează interacțiunile creier-comportament.

Dați clic pe magazinul de vitamine Cistanche și Cistanche pentru memorie

Introducere

Memoria sursă se îmbunătățește substanțial în timpul copilăriei (de exemplu, Riggins, 2014). Mai exact, odată cu vârsta, copiii devin mai buni în raportarea și reținerea detaliilor contextuale ale experiențelor de viață (Bauer, 2007). Această dezvoltare este strâns legată de maturizarea hipocampului, așa cum demonstrează diferențele legate de vârstă și memorie în structura și funcția hipocampului de-a lungul dezvoltării (a se vedea Ghetti și Bunge, 2012 pentru revizuire; Sastre și colab., 2016; Tang și colab., 2018; Riggins și colab., 2020). Studiile anterioare au folosit în principal modele transversale pentru a evalua relațiile dintre creier și dezvoltarea memoriei, care nu permit investigarea schimbărilor adevărate de dezvoltare și pot fi influențate de factori de confuzie, cum ar fi efectele de cohortă. Prin urmare, rămâne necunoscut dacă modificările din creier preced îmbunătățirea memoriei sau invers. În plus, studiile anterioare s-au concentrat fie asupra copiilor mici, fie asupra copiilor de vârstă școlară, ceea ce face dificilă compararea diferitelor perioade de dezvoltare. Pentru a rezolva aceste lacune, studiul actual a folosit un design longitudinal accelerat pentru a urmări copiii de 4- și 6-ani timp de 3 ani. Acest design ne-a permis să explorăm schimbările de dezvoltare în conectivitatea funcțională intrinsecă a hipocampului (iHFC) și să evaluăm diferențele dintre cohortele de 4- și 6-ani în relațiile predictive dintre memoria sursă și conectivitatea funcțională (vezi fig. .1).

La adulți, se crede că conectivitatea funcțională intrinsecă reflectă arhitectura funcțională a creierului, care apare ca urmare a coactivării determinate de sarcini între regiunile creierului (Fox și Raichle, 2007). Tiparele de conectivitate funcțională intrinsecă ale copiilor sunt probabil construite într-o manieră similară; cu toate acestea, ipoteza modelării pe termen lung a propus că aceste modele de conectivitate sunt modelate în timp ca rezultat atât al maturizării, cât și al experienței (Gabard-Durnam și colab., 2016). De exemplu, urmărind copiii de 4- până la 18-ani peste 2 ani, analizele prospective au indicat că conectivitatea funcțională a amigdalei determinată de sarcină a prezis conectivitatea funcțională în stare de repaus 2 ani mai târziu, dar nu concomitent (Gabard-Durnam et al., 2016). Aceste descoperiri sugerează asocieri între activarea creierului bazată pe sarcini și conectivitatea funcțională intrinsecă atât la copii, cât și la adulți; cu toate acestea, astfel de asociații pot diferi în funcție de dezvoltare.

Datele empirice susțin, de asemenea, influențe bidirecționale dintre creier și comportament. În primul rând, studiile anterioare susțin ideea că schimbările comportamentale modelează conectivitatea funcțională intrinsecă și bazată pe sarcini (de exemplu, Jolles și colab., 2016; Clark și colab., 2017; Rosenberg-Lee și colab., 2018). De exemplu, la copiii de 8- până la 9-ani, 8 săptămâni de cursuri de matematică au întărit iHFC la sulcus intraparietal (Jolles et al., 2016). În al doilea rând, studiile empirice au arătat că conectivitatea funcțională intrinsecă poate prezice câștiguri în abilitățile cognitive mai târziu în dezvoltare (de exemplu, Hoeft și colab., 2011; Supekar și colab., 2013; Evans și colab., 2015). De exemplu, Supekar și colab. (2013) au descoperit că iHFC măsurat înainte de îndrumarea la matematică a prezis îmbunătățiri ale performanței după îndrumare în timpul copilăriei mijlocii.

Pe baza acestor studii, am explorat dacă au existat influențe bidirecționale între modificările memoriei sursei și conectivitatea funcțională intrinsecă de la hipocamp la regiunile creierului raportate că sprijină codificarea informațiilor contextuale (Geng și colab., 2019). Am folosit un design longitudinal accelerat pentru a evalua următoarele: (a) modificări legate de vârstă în relațiile concurente dintre memoria sursă și iHFC; (b) relații predictive între modificările timpurii ale memoriei sursei și iHFC ulterioare; și (c) relațiile predictive dintre iHFC timpuriu și modificările ulterioare ale memoriei sursei (Fig. 1).

Am emis ipoteza că câștigurile timpurii ale memoriei sursei ar prezice iHFC mai târziu, deoarece se crede că impactul experienței se va acumula în timp (Gabard-Durnam și colab., 2016). Acumularea experiențelor cu activități de memorie de zi cu zi era de așteptat să conducă schimbări de dezvoltare în iHFC în timpul copilăriei. În plus, din cauza plasticității mai mari la începutul dezvoltării (de exemplu, Tottenham și Sheridan, 2010), ne așteptam ca modificările de memorie să prezică mai puternic conectivitatea ulterioară în cohorta mai tânără față de cea mai în vârstă.

Deoarece conectivitatea creierului a fost sugerată pentru a modela comportamentul ulterioară (de exemplu, Evans și colab., 2015), am emis ipoteza că iHFC ar prezice câștiguri în abilitățile de memorie sursă. În plus, deoarece funcția hipocampului este mai matură în timpul copilăriei de mijloc față de cea timpurie (Geng și colab., 2019), am emis ipoteza că conectivitatea la 6 ani ar prezice mai puternic memoria viitoare decât conectivitatea la 4 ani.

Materiale și metode

Participanți Copiii au participat la un studiu amplu care investighează memoria și dezvoltarea creierului în copilăria timpurie, care a folosit un design longitudinal accelerat (N=200, 100 de bărbați) (Riggins și colab., 2018; Geng și colab., 2019). Primul val (W1) al studiului a inclus copii de la 4- la 8-ani. Copiii de 4- și 6-ani au fost invitați înapoi pentru două valuri ulterioare de teste (W2 și W3; Fig. 2). În total, au existat trei valuri și fiecare val a inclus cohorte tinere și bătrâne (cohorta tânără: W1=4 ani, W2=5 ani, W3=6 ani; cohorta bătrână: W{{ 17}} ani, W2=7 ani, W{3=8 ani). Tabelul 1 arată numărul de copii care au furnizat 3, 2 sau 1 val de date pentru analizele finale în fiecare cohortă. Principalele motive pentru pierderea datelor neuroimagistice au fost că copiii s-au mișcat prea mult, au adormit în timpul scanării, au refuzat să intre în scaner sau familiile nu au urmărit.

Am măsurat IQ-ul copiilor la W1 utilizând vocabularul și subtestele de proiectare a blocurilor fie din Wechsler Intelligence Scale for Children (Ed 4) (Wechsler, 2003) fie din Wechsler Preschool and Primary Scale for Intelligence (Wechsler, 2012). ). Toți copiii incluși în analize au avut IQ estimat mediu până la peste medie. Nu s-a găsit nicio diferență între cohortele de tineri și cei bătrâni în scorurile scalate ale vocabularului (tânăr: medie=11,07, SD=2,96; bătrân: medie=11,66, SD { {11}}.55; p=0.33) sau subtestele de proiectare bloc (tinere: medie=12,96, SD=2,73; vechi: medie=13. 03, SD=3.00; p=0.92). Părinții au raportat că toți participanții sunt sănătoși, fără tulburări de neurodezvoltare, afecțiuni neurologice sau afecțiuni psihiatrice. În plus, părinții au raportat că 88,5% dintre copii sunt dreptaci, 6,8% ca fiind stângaci, 3,7% ca ambidextri și 1% ca nu au putut fi determinați.

Codare de proiectare experimentală. În timpul primei vizite, copiii au aflat fapte noi (de exemplu, „Un grup de rinoceri se numește accident”) dintr-una din două surse diferite, o femeie adultă („Abby”) și o păpușă cu voce masculină („Henry”) prin intermediul videoclipuri digitale (Drummey și Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Fiecare sursă a furnizat 6 fapte pentru un total de 12 fapte. Prezentarea faptelor a fost blocată în funcție de sursă, unde copiii au învățat mai întâi 6 fapte dintr-o sursă, urmate de 6 fapte din cealaltă sursă, iar ordinea blocurilor a fost randomizată între participanți. Erau trei liste de fapte; fiecare listă a constat din fapte unice care erau similare între liste (de exemplu, „Un grup de canguri se numește gloată” sau „Un grup de capre se numește trib”). Aceste liste au fost repartizate aleatoriu între participanți. Copiii au fost rugați să acorde atenție faptelor, deoarece vor fi testați pe baza faptelor săptămâna următoare, dar nu li sa spus că vor fi testați cu privire la sursa faptelor. Copiii au fost întrebați dacă cunoșteau faptele înainte de experiment. Faptele cunoscute au fost excluse și au fost înlocuite cu fapte noi suplimentare din lista aceleiași surse (dar acest lucru s-a întâmplat rar). Fiecare sursă a avut 8 fapte posibile pentru a explica posibilitatea ca copiii să cunoască 1 sau 2 dintre fapte. Dacă un copil știa 3 sau mai multe fapte dintr-o singură sursă, numărul total de fapte pe care copilul a fost testat a fost redus (dar acest lucru era rar, n=4).

Recuperare. În timpul celei de-a doua vizite, copiii au fost testați pe memorie pentru faptele și sursele de la prima vizită. Copiii au fost rugați să răspundă la 22 de întrebări triviale și să spună experimentatorului unde au aflat răspunsurile la acele întrebări triviale. Li s-a spus că au învățat unele dintre întrebări cu o săptămână înainte, fie de la „Abby”, fie de la „Henry”, unele pe care le-au învățat în afara laboratorului (de exemplu, de la un profesor sau de la un părinte), iar unele pe care s-ar putea să nu le cunoască. Copiii au învățat 6 din cele 22 de fapte prezentate de la „Abby”, 6 de la „Henry”, 5 erau fapte cunoscute în mod obișnuit de copii (de exemplu, „Ce culoare este cerul?”) și 5 erau fapte pe care copiii de obicei nu le-ar ști (de exemplu, „Cum se numește partea colorată a ochiului tău?”). Fiecare listă de 22 de fapte a avut două ordine de prezentare aleatoare, iar aceste ordine au fost contrabalansate între participanți. Dacă copiii nu reușeau să-și amintească sursa pentru o anumită întrebare, erau oferite cinci opțiuni cu alegere multiplă: părinți, profesor, fată în videoclip, o păpușă în videoclip sau pur și simplu știa/ghicit.

Memoria sursă a fost calculată ca proporție de întrebări pentru care copiii și-au amintit sau au recunoscut cu acuratețe atât faptul, cât și sursa din numărul total de fapte învățate (vezi formula de mai jos). Se crede că această măsură a memoriei sursei reflectă legarea faptelor și a surselor, care este un aspect important al memoriei episodice (Miller et al., 2013; Cooper și Ritchey, 2020).

În timpul scanării fără sarcini, mișcarea capului participantului a fost monitorizată în timp real. Dacă un participant a prezentat mișcare excesivă a capului (0,2 mm în orice direcție) în prima jumătate a oricărei alergări, scanarea a fost reluată și participantului i s-a reamintit să rămână cât mai nemișcat posibil.

Preprocesarea datelor imagistice În analize, au fost incluse toate cele 210 imagini fMRI în stare de repaus colectate, deoarece primele patru volume au fost aruncate înainte de colectarea datelor din cauza instabilității semnalului RM inițial și a adaptării participantului. Preprocesarea a inclus următorii pași. În primul rând, corecția timpului de tăiere, corecția mișcării capului și netezirea au fost efectuate folosind DPABI 1.3 (Yan și colab., 2016). O analiză independentă a componentelor a fost apoi efectuată pe date netezite folosind MELODIC, o cutie de instrumente FSL, pentru a elimina componentele legate de artefacte (Geng et al., 2019). După îndepărtarea tuturor componentelor legate de artefacte, au fost efectuate extracția creierului, normalizarea și filtrarea. Urmând procedura sugerată de Tillman et al. (2018), extracția creierului pe imaginea ponderată T1-a fost efectuată separat în șase cutii de instrumente: Advanced Normalization Tools, AFNI, FSL, BSE, ROBEX și SPM8 pentru a asigura date de înaltă calitate. Voxelii extrași de cel puțin patru cutii de instrumente au fost incluși în masca creierului. Au fost folosite instrumente avansate de normalizare pentru a efectua coînregistrarea și normalizarea. Analizele statistice au fost efectuate în AFNI (Cox, 1996). Filtrarea trece-bandă temporală (0.01-0.1 Hz) și netezirea spațială cu un nucleu gaussian FWHM de 5 mm au fost efectuate în AFNI pe date normalizate.

Regiunile individuale de semințe (hipocampul bilateral anterior și posterior) au fost derivate din scanarea structurală utilizând Freesurfer 5.1 (Fischl, 2012) și editate folosind Instrumentul de adaptare de segmentare automată (Wang și colab., 20 11). Hipocampul a fost împărțit în segmente anterioare și posterioare folosind identificarea manuală a reperelor anatomice standard. Apexul unchiului a servit drept graniță între hipocampul anterior și posterior (Duvernoy, 2005; Weiss și colab., 2005). Evaluatorii au fost orbi la vârsta și sexul participantului. Fiabilitatea pentru identificarea acestor repere a indicat un acord de 94,60 la sută într-o felie și un acord de 99,99 la sută în două felii. Coeficienții de corelație intraclasă au fost mari și au variat de la 0,897 la 0,985. Când a existat un dezacord între evaluatori cu privire la locația corectă a feliei, a fost folosită felia evaluatorului cu mai multă experiență.

Corelațiile dintre seriile de timp ale regiunilor de semințe individuale (hipocampul anterior și posterior bilateral) și cele ale întregului creier au fost calculate pentru a genera hărți de conectivitate funcționale individuale ale stării de repaus. Ulterior, transformarea lui Fisher r-to-z a fost folosită pentru a converti hărțile r în hărți z pentru a obține valori distribuite normal ale hărților de conectivitate. Valorile z au fost extrase din 6 ROI: lobul parietal inferior/superior (IPL/SPL), gyrus occipital inferior (IOG), gyrus temporal inferior stâng (ITG), gyrus frontal stâng inferior (IFG), gyrus fusiform și gyrus frontal orbital (OFG) (Fig. 3). Aceste regiuni ale creierului au fost definite conform cercetărilor anterioare, care au indicat că copiii de la 4- până la 8-ani au prezentat o activare mai mare în aceste regiuni în timpul codificării elementelor (adică, imagini cu animale și obiecte) amintite ulterior cu surse corecte decât cele cu surse incorecte (adică imagini cu personaje de desene animate) (pentru detalii, vezi Geng et al., 2019). Diferențele de activare sugerează că aceste șase regiuni ale creierului sunt critice pentru codificarea informațiilor contextuale. Prin urmare, aceste regiuni au fost alese ca ROI în studiul actual.

Analize statistice Au fost utilizate modele mixte liniare, având în vedere capacitatea lor de a gestiona date longitudinale neechilibrate și incomplete. Mai exact, o serie de modele cu efecte fixe au fost rulate în SPSS 20.0 pentru a testa asocierile dintre vârstă, memoria sursă și iHFC. În primul rând, au fost evaluate modificările legate de vârstă în memoria sursă. Apoi, relațiile dintre vârstă, memoria sursă și iHFC la fiecare ROI au fost analizate pentru a evalua schimbările în relațiile concurente. În continuare, modelele au fost utilizate pentru a examina dacă modificările anterioare în memoria sursă au prezis iHFC ulterioară cu fiecare ROI și dacă conectivitatea funcțională anterioară cu fiecare ROI a prezis modificări ulterioare în memoria sursă.

După cum se sugerează în Introducere, este nevoie de timp pentru ca schimbările comportamentale și ale creierului să se modeleze reciproc. Prin urmare, am analizat relațiile dintre modificările memoriei dintre W1 și W2 și conectivitatea funcțională la W3 (Fig. 1). În plus, am calculat relațiile dintre conectivitatea funcțională la W1 și modificările memoriei între W1 și W3 (Fig. 1). Un alt motiv practic pentru care intervalele de schimbare a memoriei au fost diferite între cele două analize de predicție a fost că nu a existat o schimbare semnificativă a memoriei sursă între W2 și W3 în cohorta veche. [O altă întrebare de interes ar fi modul în care modificările memoriei sursă sunt legate de modificările iHFC; cu toate acestea, în eșantionul actual, a existat o pierdere prea mare de date din cauza mișcării pentru a examina modificările iHFC în cadrul celor două cohorte. Prin urmare, datele de un singur punct de timp sunt utilizate pentru analizele de conectivitate funcțională.]

Covariatele continue (vârsta, FD medie, modificarea memoriei sursă și iHFC) din aceste modele au fost standardizate în întregul eșantion. Criteriul de informare al lui Akaike a fost folosit pentru a compara modele de efecte principale cu modele care au inclus atât efecte principale, cât și cele interactive. Modelele cu cea mai mică valoare a criteriului de informare Akaike au fost selectate drept modelul cel mai potrivit. Având în vedere dimensiunea moderată a eșantionului (a se vedea tabelul 1) și numărul limitat de ROI, corecțiile pentru comparații multiple nu au fost aplicate. Dacă s-au observat interacțiuni care implică cohorta (tineri vs bătrâni), relația dintre măsurile de memorie sursă și iHFC a fost estimată din nou pentru fiecare cohortă prin standardizarea covariatelor pentru fiecare grup separat și re-estimarea parametrilor modelului.

Rezultate

Rezultate comportamentale

Au fost 194 de copii care au furnizat date pentru analize comportamentale (Tabelul 1). Pentru a prezice performanța memoriei sursă, modelele cu efecte fixe, inclusiv vârsta, cohorta (tineri vs bătrâni) și interacțiunea unei cohorte de vârstă au avut o potrivire mai bună decât modelul care includea doar efectele principale. Vârsta a fost legată pozitiv de performanța memoriei sursă (b=0.051, SE=0.023, t(353)= 2.281, p=0.023), și a existat o interacțiune semnificativă între vârstă și cohortă (b=–0,075, SE=0,031, t(353) {{17 }} 2.423, p=0.016). Când această interacțiune a fost testată, rezultatele au arătat că modificările legate de vârstă în memoria sursă au fost mai mari în cohorta tânără față de cea bătrână (p, 0,001 vs p=0,028; Fig. 4). Nu au fost observate diferențe între copiii de 6- ani din cohorta tânără care au fost testați la W3 și copiii de 6-ani din cohorta veche care au fost testați la W1 (p . 0,90). În plus, am testat dacă au existat diferențe în memoria sursă între grupele de vârstă din fiecare cohortă. Toate comparațiile între grupele de vârstă au atins semnificație, cu excepția diferenței dintre 7 și 8 ani (p=0.24).

Modificări legate de vârstă în relațiile concurente dintre memoria sursă și conectivitatea funcțională Efectele fixe ale modelelor mixte liniare au inclus subregiunea, vârsta și memoria sursă ca variabile independente și iHFC ca variabilă dependentă. FD medie a fost, de asemenea, inclusă în model din cauza relației marginal semnificative dintre vârstă și FD medie, așa cum a fost raportat mai sus. Modelele cu efecte principale au avut o potrivire mai bună decât modelele cu interacțiune cu memoria sursă de vârstă. Au existat efecte principale semnificative ale vârstei în prezicerea conectivității dintre hipocamp și IPL/SPL stâng, IOG, ITG stâng, IFG stâng, gyrus fusiform și OFG. Mai exact, pe măsură ce vârsta a crescut, iHFC a crescut, de asemenea (Fig. 5). Efectul principal al memoriei sursei nu a fost semnificativ pentru conectivitatea dintre hipocamp și orice ROI.

În plus, au existat diferențe în conectivitatea dintre hipocampul anterior și posterior și fuziform, ITG stâng, IOG, OFG și IPL/SPL stâng (Tabelul 3). În toate regiunile, cu excepția OFG, conectivitatea a fost mai mare pentru partea posterioară în comparație cu hipocampul anterior. În IFG, a existat o diferență de tendință în conectivitatea funcțională a hipocampului (anterior, posterior; Tabelul 3).

Relațiile predictive dintre memoria sursă se modifică de la W1 la W2 și conectivitatea funcțională la W3

Efectele fixe ale modelelor mixte liniare au inclus subregiune (anterior vs posterior), cohortă (tineră vs bătrână) și schimbarea memoriei sursă (definită ca diferențele de memorie sursă între W1 și W2). FD medie nu a fost inclusă în modele deoarece nu a existat nicio diferență în niciunul dintre parametrii de mișcare (FD medie, mișcarea absolută și lungimea datelor) între cohortele tinere și bătrâne (p . 0.60). Modelele care conțin interacțiunea de modificare a memoriei sursei de cohortă au dus la o potrivire mai bună a modelului pentru IFG și OFG stâng. În schimb, modelele de efecte principale au avut o potrivire mai bună pentru celelalte patru ROI. Modificările memoriei sursei între W1 și W2 au fost legate pozitiv de conectivitatea funcțională a hipocampului W3 cu IPL/SPL stâng, IOG, ITG stâng și gyrus fusiform (Tabelul 4; Fig. 6).

Au existat interacțiuni semnificative între cohorta și schimbarea memoriei sursă care prezice conectivitatea funcțională intrinsecă de la hipocamp la IFG stâng și OFG (Tabelul 4). Pentru a sonda aceste interacțiuni, modelele cu efecte fixe au fost utilizate pentru a evalua fiecare cohortă separat. În cohorta tânără, modificările memoriei sursei au fost semnificativ legate de iHFC cu IFG stâng și OFG (b=0.109, SE=0.025, t( 73)=4.341, p , 0.001; b=0.068, SE=0.022, t(73)=3.117, p=0 .003). Cu toate acestea, în cohorta veche, aceste asocieri nu erau evidente (valori p . 0,20). Prin urmare, numai în cohorta tânără îmbunătățirile comportamentale ale memoriei sursei au modelat mai târziu conectivitatea funcțională intrinsecă între hipocamp și aceste regiuni corticale (Fig. 7). Mai mult, am reluat analizele de mai sus cu memoria sursă la W1 și W2 incluse în modele pentru a testa relațiile dintre modificările memoriei sursă și conectivitatea funcțională a hipocampului ulterioară. Toate rezultatele au rămas aceleași, cu excepția faptului că efectul principal al modificărilor memoriei sursă în IPL/SPL și IOG din stânga a devenit nesemnificativ (p=0.18; p=0.11). În plus, hipocampul posterior a arătat o conexiune mai mare la fuziform, ITG stâng, IOG și IPL/SPL stâng decât hipocampul anterior. Diferența dintre OFG și IFG stâng nu a atins semnificație (Tabelul 3).

Relațiile predictive dintre conectivitatea funcțională la W1 și memoria sursă se modifică de la W1 la W3

Modelele cu efecte fixe au inclus iHFC la W1 și cohorta (tineri vs bătrâni) ca variabile independente și schimbarea memoriei sursă de la W1 la W3 ca variabilă dependentă. FD medie nu a fost inclusă în model, deoarece nu a fost semnificativ diferită între cohorte (p . 0.70). Pentru ITG stâng și fusiform, modelele de interacțiune au avut o potrivire mai bună. Pentru celelalte ROI, modelele de efecte principale au avut o potrivire mai bună, dar nu au generat rezultate semnificative.

Interacțiunile dintre cohortă și iHFC în ITG stâng și gyrus fusiform au prezis semnificativ schimbarea memoriei sursei (Tabelul 5). Pentru a sonda interacțiunile, au fost utilizate modele cu efecte fixe pentru a testa relațiile din fiecare cohortă separat. În cohorta mai veche, iHFC cu ITG stâng și gyrus fusiform a fost legat de modificarea memoriei sursei (b=–0.{{10}}90, SE=0 .024, t(60)=3.76, p , 0.001; b=0.086, SE=0.029, t(60){= 2.998, p=0.004). Cu toate acestea, această asociere nu a fost observată la cohorta tânără (p . 0,80). Prin urmare, numai în vechea cohortă conectivitatea funcțională dintre hipocamp și ITG stâng și girusul fusiform au prezis îmbunătățiri ulterioare ale memoriei sursei (Fig. 7).

Discuţie

Acest studiu a folosit un design longitudinal accelerat pentru a investiga relațiile predictive dintre modificările memoriei sursei și iHFC de-a lungul copilăriei. În primul rând, am găsit creșteri ale performanței memoriei sursei legate de vârstă, susținând studiile anterioare diferențe mari legate de vârstă în memoria sursă în această grupă de vârstă (Drummey și Newcombe, 2002; Riggins, 2014). În al doilea rând, rezultatele au indicat că iHFC în rețeaua de memorie a crescut de-a lungul copilăriei, ceea ce este în concordanță cu studiile transversale anterioare care arată asocieri similare între vârstă și conectivitatea funcțională a hipocampului (Blankenship și colab., 2017; Geng și colab., 2019). În cele din urmă, rezultatele au indicat că schimbările în performanța memoriei au prezis conectivitate funcțională ulterioară, iar conectivitatea funcțională timpurie a prezis modificări ulterioare ale memoriei sursă.

Modificările memoriei sursei au prezis mai târziu conectivitatea funcțională a hipocampului

Modificările memoriei sursei devreme în viață au prezis conectivitatea intrinsecă ulterioară între hipocamp și regiunile corticale în absența unei sarcini, sugerând că comportamentul a modelat conectivitatea funcțională ulterioară. Mai exact, la toți copiii, modificările memoriei au prezis conectivitatea intrinsecă de la hipocamp la fusiform, ITG stâng, IOG și IPL/SPL stâng 1 an mai târziu. În plus, în cohorta mai tânără, modificările timpurii de memorie au prezis, de asemenea, conectivitatea funcțională a hipocampului cu IFG și OFG stâng. Cu toate acestea, în analizele care evaluează modificările legate de vârstă în relațiile concurente, capacitatea de memorie nu a fost legată de iHFC. Aceste descoperiri susțin ideea că experiența de viață modelează creierul pe parcursul dezvoltării, o noțiune care a primit sprijin și din alte descoperiri (Fox și Raichle, 2007; Gabard-Durnam și colab., 2016). De exemplu, s-a demonstrat că conectivitatea funcțională determinată de sarcini prezice conectivitatea funcțională în starea de repaus 2 ani mai târziu, dar nu concomitent (Gabard-Durnam și colab., 2016). În plus, așa cum sugerează cadrul de specializare interactiv, am interpretat rezultatele pentru a arăta că modificările memoriei timpurii în viață pot conduce integrarea funcțională în rețeaua de memorie hipocampală și că acest proces necesită timp pentru a se desfășura (Johnson, 2011; Poppenk et al., 2013). Cu alte cuvinte, câștigurile timpurii de memorie pot reflecta rafinarea treptată a rețelei de memorie hipocampală în timp, ceea ce duce în cele din urmă la iHFC îmbunătățit chiar și în absența unei sarcini specifice. Acest lucru este în concordanță cu cercetările anterioare din alte domenii cognitive care arată că antrenamentul aritmetic a indus modificări ale conectivității hipocampo-parietale în copilăria mijlocie (Rosenberg-Lee et al., 2018).

Conectivitatea funcțională a hipocampului a prezis modificări ulterioare ale memoriei sursei

Conectivitatea de la hipocamp la fusiform și ITG a prezis modificări ale memoriei 2 ani mai târziu. Cu toate acestea, acest lucru a fost valabil numai pentru cohorta mai în vârstă, astfel încât iHFC cu fuziform și ITF lăsat la 6 ani a prezis modificări ale memoriei 2 ani mai târziu. Aceste descoperiri susțin afirmația că activitatea din creier poate modela, de asemenea, comportamentul și sugerează că integrarea funcțională în rețeaua de memorie hipocampală poate prezice câștiguri viitoare de dezvoltare în capacitatea de memorie la copiii de la vârsta de 6 ani. Această constatare este în concordanță cu studiile anterioare care sugerează că iHFC anterioare poate prezice schimbări comportamentale induse de intervenție în populațiile de dezvoltare tipice și atipice (Hoeft și colab., 2011; Supekar și colab., 2013). Prin urmare, studiul nostru sugerează că, la începutul vieții, interacțiunea dintre creier și dezvoltarea comportamentală nu este unidirecțională, ci în schimb un proces reciproc: schimbările comportamentale modelează activitatea viitoare a creierului, iar activitatea creierului modelează viitoarele schimbări comportamentale.

Efecte temporale în interacțiunea dintre dezvoltarea comportamentală și cea a creierului

Rezultatele noastre sugerează că sincronizarea contează în ceea ce privește interacțiunile dintre creier și dezvoltarea comportamentală. Mai exact, deși modificările anterioare ale memoriei au prezis conectivitatea ulterioară a hipocampului cu anumite regiuni corticale atât în ​​cohortele tinere, cât și în cele bătrâne, doar în cadrul cohortei mai tinere au existat modificări timpurii ale memoriei legate de conectivitatea funcțională de la hipocamp la IFG și OFG stâng. În schimb, conectivitatea funcțională timpurie cu ITG fusiform și stânga a prezis în mod semnificativ modificări ulterioare ale memoriei doar în cohorta mai veche. Propunem două posibile explicații ale acestor diferențe de timp. În primul rând, aceste constatări pot rezulta din diferențele cunoscute în amploarea modificărilor legate de vârstă în dezvoltarea memoriei sursă în timpul copilăriei. În concordanță cu studiile comportamentale anterioare care sugerează rate accelerate de schimbare a memoriei sursă înainte de al șaselea an de viață (Riggins, 2014), studiul actual indică faptul că modificările memoriei pentru cohorta de 4-la-6-ani au fost mai mari. substanțial decât pentru cohorta de 6-la-8-ani. Modificările mai mari ale memoriei pot conduce la schimbări mai mari în creier. Acest lucru poate ajuta la explicarea de ce modificările anterioare ale memoriei în cohorta mai tânără au prezis conectivitatea între hipocamp și IFG și OFG.

Alternativ, diferența de timp poate rezulta din diferențele cunoscute în schimbările de dezvoltare ale hipocampului în timpul copilăriei. Studiile la oameni și animale indică în mod constant că rețeaua de memorie a hipocampului are o dezvoltare semnificativă în jurul celui de-al șaselea an de viață (Serres, 2001; Lavenex și Lavenex, 2013). Prin urmare, 4-6 ani poate fi o perioadă sensibilă pentru dezvoltarea hipocampului, caracterizată printr-o plasticitate mai mare (Tottenham și Sheridan, 2010). Această afirmație este în concordanță cu argumentul că modelarea arhitecturii funcționale poate fi deosebit de pronunțată în perioadele de dezvoltare, când sistemele neuronale sunt cele mai plastice și mai susceptibile de aporturile de mediu (Bick și Nelson, 2017). După încheierea perioadei sensibile, rețeaua de memorie hipocampală mai matură poate începe să conducă la schimbări de dezvoltare în abilitățile de memorie. Acest lucru poate explica de ce iHFC a prezis schimbări de comportament numai în cohorta mai în vârstă. Prin urmare, speculăm că numai după ce creierul atinge un anumit prag de maturizare poate funcționa în mod fiabil și constant să prezică comportamentul. Efectele de sincronizare pot depinde, de asemenea, de regiunile specifice ale creierului care prezintă conectivitate funcțională cu hipocampul. Modificările timpurii ale memoriei de la 4 la 5 ani au prezis conectivitatea funcțională între hipocamp și regiunile prefrontale (IFG și OFG) la 6 ani. Cu toate acestea, în cohorta mai în vârstă, conectivitatea funcțională la vârsta de 8 ani nu a fost prezisă de schimbările de comportament de la 6 la 7 ani. În schimb, numai în cohorta mai în vârstă iHFC a prezis modificări de memorie 2 ani mai târziu, iar acest lucru a fost specific fusiformului și ITG. Aceste constatări poate din cauza traiectoriilor de dezvoltare diferite ale acestor regiuni neuronale. Cercetările anterioare au arătat că dezvoltarea creierului se desfășoară într-o secvență ierarhică de la corteze senzoriale la asociere la regiuni importante pentru funcțiile cognitive (Gogtay și colab., 2004; Shaw și colab., 2008). IFG și OFG sunt regiuni asociate cu cogniția de ordin superior care se maturizează mai târziu decât regiunile senzoriale sau de asociere. Astfel, constatările studiului actual sunt în concordanță cu noțiunea că regiunile prefrontale, cum ar fi IFG și OFG, sunt mai puțin mature și, prin urmare, mai plastice, în cohorta mai tânără față de cea mai în vârstă. Acest lucru este, de asemenea, în concordanță cu studiile anterioare care indică faptul că creșterea cuplării funcționale a hipocampului cu PFC este legată de dezvoltarea abilităților de memorie (Qin et al., 2014). Descoperirile prezente extind acest lucru și sugerează că 4-6 ani pot fi o perioadă sensibilă pentru integrarea funcțională între hipocamp și regiunile frontale. În schimb, fusiforme și ITG sunt legate de procesarea vizuală și se maturizează mai devreme decât regiunile prefrontale. O astfel de maturizare timpurie ar putea sta la baza capacității fusiforme și ITG de a prezice schimbări de comportament.

Puncte forte și limitări

Studiul actual are mai multe puncte forte. Folosind un design longitudinal accelerat, am urmărit schimbările de dezvoltare în memoria sursă, iHFC și relațiile dintre acestea. Acest design ne-a permis, de asemenea, să testăm diferențele de timp prin compararea a două cohorte de copii. Concentrându-ne pe o perioadă sensibilă propusă pentru dezvoltarea memoriei sursă, am putut să examinăm modul în care rețeaua de memorie hipocampală este rafinată în această fereastră importantă de dezvoltare și cum se leagă de îmbunătățirile memoriei.

Acest studiu are și limitări. Din cauza dimensiunii limitate a eșantionului, nu am putut examina modul în care modificările conectivității funcționale de-a lungul timpului se raportează la memorie. De asemenea, din cauza mărimii eșantionului, am ales să nu efectuăm analize ale creierului întreg și, în schimb, ne-am bazat pe ROI derivate dintr-un studiu bazat pe sarcini care implică copii din același studiu longitudinal. Astfel, pot exista și descoperiri cu regiuni suplimentare ale creierului, care nu sunt incluse în setul actual de ROI. În plus, ROI-urile au fost definite într-o sarcină folosind doar material ilustrat. În schimb, memoria sursă în acest studiu a fost măsurată într-o sarcină care implică atât material pictural, cât și verbal. Nu se știe dacă diferite regiuni ale creierului ar fi activate pentru a codifica informațiile contextuale atingând modalitățile vizuale versus verbale. În cele din urmă, deși o proporție de copii din eșantion au furnizat date fMRI bazate pe sarcini pentru a defini ROI, nu am avut suficiente date RMN bazate pe sarcini pentru a evalua relațiile de dezvoltare dintre conectivitatea funcțională a hipocampului bazată pe sarcini și conectivitatea măsurată fără o sarcină solicitantă. impuse.

În concluzie, studiul nostru s-a concentrat pe mecanismele legate de modificările de dezvoltare în memoria sursă și rețeaua hipocampală subiacentă între 4 și 8 ani. Rezultatele indică faptul că experiența comportamentală și modificările creierului sunt procese interactive, astfel încât experiența modelează schimbările în creier, iar creierul modelează schimbările în comportament. În plus, descoperirile noastre susțin și extind studiile anterioare despre dezvoltarea creierului, arătând că sincronizarea contează în ceea ce privește schimbările comportamentale care modelează conectivitatea creierului, iar astfel de diferențe de sincronizare depind, de asemenea, de regiunile creierului implicate. Împreună, aceste descoperiri adaugă o perspectivă critică asupra dezvoltării memoriei sursă în copilăria timpurie și contribuie la corpul tot mai mare de literatură care documentează relațiile interactive și complexe dintre procesele cognitive și bazele lor neurologice din creierul în curs de dezvoltare.