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 înmemorie sursăși 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

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, memoria sursă) este legată de dezvoltarea hipocampului în copilărie. Nu se știe dacă modificările funcționale ale hipocampului preced îmbunătățiri ale memoriei sau invers. Folosind un design longitudinal accelerat, am constatat că modificările timpurii ale memoriei sursei au prezis conectivitatea funcțională intrinsecă a hipocampului ulterioară și că această conexiune 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 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.

Faceți clic pentru pulbere de cistanche tubulosa 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 et al., 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) relații predictive între 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 la 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 hipocampică 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 doar 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 repornită 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.

Regiuni individuale de semințe (bilaterale