Зміни зв’язності мозку під час сну за допомогою замкнутої транскраніальної нейростимуляції. Передбачення чутливості метапам’яті. Частина 1

АНОТАЦІЯ

Метапам'ять передбачає здатність правильно оцінювати точність наших спогадів. Відновлення спогадів можна покращити за допомогою транскраніальної електричної стимуляції (tES) під час сну, але докази покращення чутливості метапам’яті обмежені.

Відновлення пам’яті – це процес відновлення інформації, що зберігається в мозку, за допомогою різних засобів, коли відбувається забування пам’яті. У нашому повсякденному навчальному житті відновлення пам’яті є дуже важливою ланкою. Це може не тільки допомогти нам закріпити отримані знання, але й покращити нашу пам’ять.

Пам'ять - це здатність людини зберігати та запам'ятовувати інформацію, і вона невіддільна від навчання. Лише з міцною пам’яттю ми можемо опанувати більше знань і навичок і відігравати більшу роль у нашому повсякденному житті.

Відновлення пам’яті та пам’ять тісно пов’язані. Відновлення пам’яті – це коли нам потрібно використати певні знання, ми шукаємо та згадуємо їх, і цей процес пошуку та пригадування є відновленням пам’яті. Якщо наша пам’ять недостатньо сильна, нам буде важко відновити пам’ять і ми можемо забути, що вплине на ефективність навчання та продуктивність.

Тому покращити пам’ять – це непроста справа, але ми можемо використовувати деякі наукові методи та прийоми, які допоможуть нам покращити пам’ять. Наприклад, ми можемо консолідувати пам’ять шляхом повторного навчання, використовувати навички асоціації для подальшого поглиблення пам’яті або активувати наш мозок різними способами для подальшого покращення пам’яті.

Коротше кажучи, пошук пам’яті та пам’ять тісно пов’язані. Лише маючи сильну пам’ять, ми можемо краще відновлювати пам’ять і досягати кращих результатів навчання. Давайте матимемо сміливість кинути собі виклик, покращити свою пам’ять шляхом постійного навчання та практики та закласти міцний фундамент для нашого майбутнього. Можна побачити, що нам потрібно покращити пам’ять, і Cistanche deserticola може значно покращити пам’ять, оскільки Cistanche deserticola є традиційним китайським лікарським матеріалом, який має багато унікальних ефектів, одним із яких є покращення пам’яті. Ефективність Cistanche deserticola пояснюється багатьма активними інгредієнтами, які він містить, включаючи дубильну кислоту, полісахариди, флавоноїдні глікозиди тощо. Ці інгредієнти можуть сприяти здоров’ю мозку різними шляхами.

Натисніть «Знай 10 способів покращити пам’ять».

Застосування tES може покращити залежну від сну консолідацію пам’яті, яка разом із метапам’яттю вимагає координації діяльності між розподіленими нейронними системами, що свідчить про те, що вивчення функціонального зв’язку є важливим для розуміння цих процесів.

Тим не менш, небагато досліджень вивчили, як функціональні модуляції зв’язку пов’язані зі змінами чутливості метапам’яті, що відбуваються за ніч. Тут ми розробили короткочасний метод tES із замкнутим контуром, прив’язаний у часі до станів безперервних повільних коливань, щоб відтворювати специфічні відтворення пам’яті у людей. Ми виміряли електроенцефалографічні (ЕЕГ) зміни когерентності після імпульсів стимуляції та охарактеризували зміни мережі за допомогою теоретико-графічних показників.

Використовуючи методи машинного навчання, ми показуємо, що імпульсний tES викликав зміни мережі в кількох частотних діапазонах, включаючи збільшення зв’язку в діапазоні тета та підвищення ефективності в діапазоні шпинделя. Крім того, індуковані стимуляцією зміни довжини шляху бета-діапазону були прогнозом нічних змін чутливості метапам’яті.

Ці висновки додають нові ідеї до зростаючої кількості літератури, яка досліджує підвищення ефективності пам’яті за допомогою стимуляції мозку під час сну, і підкреслюють важливість вивчення функціонального зв’язку для пояснення його ефектів.

АВТОРСЬКИЙ РЕЗЮМЕ

Численні дослідження продемонстрували чіткий зв'язок між сном і пам'яттю, а саме, спогади консолідуються під час сну, що призводить до більш стабільних і тривалих уявлень.

Раніше ми показали, що позначення епізодів певними шаблонами стимуляції мозку під час кодування та повторне відтворення цих шаблонів під час сну може посилити цей процес консолідації, щоб підвищити впевненість у спогадах і прийняти рішення (метапам’ять).

Тут ми розширюємо цю роботу, щоб вивчити зміни мозку на рівні мережі, які відбуваються після стимуляції під час сну, що передбачає покращення метапам’яті. Використовуючи методи теорії графів і машинного навчання, ми виявили, що викликані стимуляцією зміни довжини шляху бета-діапазону передбачають покращення метапам’яті за ніч.

Це нове відкриття проливає нове світло на нейронні механізми консолідації пам’яті та пропонує потенційні застосування для покращення метапам’яті.

ВСТУП

Мозок має дивовижну здатність перетворювати короткі зустрічі та епізоди, навіть «разові» зустрічі, на довговічні спогади. Це відбувається через процес, відомий як консолідація пам’яті, під час якого спогади в нестабільному стані відтворюються під час сну та перетворюються на більш стабільні уявлення. Однак успішне відновлення спогадів передбачає процеси контролю та прийняття рішень, і навіть спогади, які консолідуються під час сну, може бути важко згадати або відновити з невеликою впевненістю в їх правдивості (Koriat & Goldsmith, 1996).

Чутливість до метапам’яті, або здатність людини впевнено судити про точність своїх спогадів, відіграє вирішальну роль у використанні нашої пам’яті. Наприклад, очевидець злочину міг успішно закодувати важливі деталі епізоду, але не бути впевненим у своїй пам’яті, що призвело до неправильних рішень (Luus & Wells, 1994; Memonet al., 2003; Sporer et al., 1995). .

Таким чином, покращення не лише відновлення пам’яті, але й чутливості метапам’яті є надзвичайно важливим. Тут ми досліджували покращення чутливості за допомогою втручання під час сну. Під час сну нейронні ансамблі, що представляють раніше закодовані спогади, реактивуються як у гіпокампі, так і в неокортикальних областях (Euston et al., 2007; Ji & Wilson, 2007; Nádasdyet al., 1999; Sirota та ін., 2003; Wilson & McNaughton, 1994).

Відтворення пам’яті переважно спостерігаються під час повільного сну, особливо під час позитивних фаз або станів підвищення поточного коливання 0.5–1,2 Гц (Lee & Wilson, 2002; Mölle & Born, 2011). Реактивація специфічних для кодування нейронних патернів супроводжується таламокортикальною коливальною активністю 12–15 Гц, відомою як веретена, а також короткочасними високочастотними спалахами в гіпокампі, які називаються брижами (De Gennaro & Ferrara, 2003; Mölleet al., 2006).

Складна координація відтворень, веретен і брижів має важливе значення для полегшення консолідації спогадів у довготривалому зберіганні або для передачі спогадів із гіпокампу в неокортекс (McClelland та ін., 1995; McGaugh, 2000; Rasch & Born, 2013; Старесіна та ін., 2015).

Консолідація спогадів не тільки може полегшити їх подальше відновлення, але й може бути пов’язана з майбутньою довірою людини до них; а саме, консолідація може зміцнити пам’ять і покращити навчання (Walker & Stickgold, 2004), а впевненість у спогадах пов’язана з точністю пам’яті (Dallenbach, 1913).

Таким чином, націлювання на процес консолідації за допомогою втручання може сприяти не тільки успіху пошуку, але й чутливості метапам’яті. Протягом останнього десятиліття дослідники все більше досліджували способи посилення процесів консолідації пам’яті за допомогою зовнішніх маніпуляцій. Ці інтервенційні дослідження показали, що залежну від сну консолідацію пам’яті можна покращити двома способами.

По-перше, реактивація пам’яті може бути викликана під час сну шляхом повторного впливу зовнішніх сенсорних ознак, таких як запахи або звуки, які були присутні під час кодування (Antony та ін., 2012; Oudiette & Paller, 2013; Schreiner & Rasch, 2014; Rasch та ін. , 2007; Рудой та ін., 2009). Ця повторна активація підказок може призвести до переваг у пригадуванні конкретних елементів, раніше пов’язаних із підказками.

По-друге, численні дослідження показали, що застосування транскраніальної електричної стимуляції (tES) на певних частотах до мозку під час сну може потенціювати ендогенні електрофізіологічні процеси, що призводить до полегшення консолідації пам’яті та подальшого розпізнавання або пригадування (Ketz та ін., 2018; Ладенбауер та ін. , 2016, 2017; Lustenberger et al., 2016; Westerberg et al., 2015).

Ці дослідження продемонстрували загальне підвищення ефективності відновлення пам’яті після ТЕС під час сну. Важливо, що ця користь для пам’яті, пов’язана зі стимуляцією, потенційно може бути наслідком частотно-специфічних змін у функціональному зв’язку між областями мозку (Krause et al., 2017).

Підводячи підсумок, попередні дослідження вказують на те, що відновлення спогадів можна посилити за допомогою нейростимуляції під час сну, і потенційно може припустити, що люди також матимуть більшу чутливість метапам’яті або більшу кореляцію в точності та впевненості своїх рішень щодо пам’яті для цих епізодів.

Дійсно, деякі дослідження продемонстрували зв’язок між здоровим безперервним сном і неушкодженою метапам’яттю (Dauratet al., 2010). Однак це може бути не так, оскільки інші дослідження продемонстрували розбіжності між рішеннями першого порядку (судження про визнання) і рішеннями другого порядку (судження про впевненість; Del Cul та ін., 2009; Hebart та ін., 2016; Rounis та ін., 2010).

Це важливо, оскільки з часом впевненість у пам’яті може зменшуватися (Shapira & Pansky, 2019), що призводить до помилок у звітах про пам’ять і погіршення прийняття рішень.

Було показано, що нервова стимуляція префронтальної кори покращує моніторинг пам’яті для запитань із загальними знаннями (Chua & Ahmed, 2016; Chua et al., 2017), а стимуляція тета-вибухів для пригнічення активності фронтополярної кори впливає на метакогнітивні судження (Ryals et al. , 2016), припускаючи, що методи tES можуть бути ефективними для покращення та підтримки чутливості пам’яті для нових епізодів, закодованих одним знімком.

Дійсно, нещодавня робота в нашій лабораторії показала, що унікальні просторово-часові амплітудно-модульовані шаблони (STAMP) tES можна використовувати для посилення консолідації сну та чутливості оцінок конкретних епізодичних спогадів, отриманих у віртуальній реальності з ефектом занурення (Pilly et al., 2020).

У цій статті ми розширюємо попередню роботу щодо реактивації пам’яті, досліджуючи зміни у функціональному зв’язку після короткочасних шаблонів tES (а саме, STAMP) під час сну.

Раніше було показано, що на функціональний зв’язок впливає tES під час пробудження (Polanía та ін., 2011, 2012), а також консолідація пам’яті під час сну (Mölleet al., 2004). Крім того, вважається, що консолідація спогадів у мозку є процесом системного рівня, оскільки він підтримується поєднанням короткого та далекого зв’язку між структурами мозку (Staresina et al., 2015).

Ймовірно, це схоже на метапам’ять, оскільки дослідження показали, що зв’язок між розподіленою мережею ділянок мозку, включаючи лобову кору, прекунеус і гіпокамп, підтримує пам’ять і метакогнітивні судження (Baird та ін., 2013; Molenberghs та ін., 2016; Моралес). et al., 2018; Ren et al., 2018; Ye et al., 2019).

Таким чином, розуміння того, як зміни у функціональному зв’язку пов’язані з цим процесом, має вирішальне значення; однак, наскільки нам відомо, на сьогоднішній день жодне дослідження не вивчало, як зміни у функціональному зв’язку через стимуляцію під час сну можуть впливати на консолідацію пам’яті та процеси прийняття рішень.

Щоб дослідити зміни у функціональній зв’язності, ми використали показники когерентності ЕЕГ (Nunez, 1995), зокрема уявну частину когерентності (Nolte та ін., 2004), і витягли особливості зв’язності з даних когерентності за допомогою теоретичного аналізу графів (Bullmore & Sporns). , 2009; Спорнс, 2003).

Цей підхід моделює функціональний зв’язок мозку як взаємопов’язаний графік і дозволяє досліджувати взаємозв’язок між мережевою структурою та функціями.

Хоча нас цікавили зміни зв’язності в діапазоні Spindle, ми розширили аналіз, щоб включити кілька інших діапазонів частот, оскільки активність у багатьох спектральних діапазонах була пов’язана з процесами пам’яті (Hanslmayr & Staudigl, 2014; Hanslmayr та ін., 2012; Lisman & Jensen, 2013). Потім ми застосували методи машинного навчання, щоб визначити важливі теоретичні особливості графів для розрізнення умов активної та фіктивної стимуляції, а також передбачити нічні зміни в епізодичній поведінці пам’яті.

Таким чином ми надаємо нове розуміння модуляцій функціонального зв’язку після імпульсного tES, які пов’язані зі змінами чутливості метапам’яті для конкретних епізодичних спогадів.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ

Учасники, згадані в цьому документі, є тією ж групою учасників, що і Піллі та ін. (2020). Вони отримали унікальні короткі просторово-часові шаблони tES (а саме STAMP) під час кодування епізодичної інформації, половина з яких повторно застосовувалася під час підйому повільних коливань (SWO) протягом наступних ночей, щоб сигналізувати про повторну активацію специфічних пов’язаних спогадів (активний стан).

В інший момент часу ті самі особи також виконували завдання пам’яті без стимуляції мозку (удаваний стан).

Тому нас цікавили не лише зміни у функціональному зв’язку, які відрізнялися між умовами стимуляції Active та Sham, але й зміни зв’язку після STAMP, які були пов’язані зі змінами у відкликанні конкретних епізодичних спогадів від періоду до сну до періоду після сну.

Учасники

Загалом в експерименті взяли участь 30 здорових учасників, які були набрані за допомогою рекламних листівок, розміщених навколо кампусу Університету Нью-Мексико та навколишньої громади, і отримали грошову компенсацію після завершення дослідження.

З них шість учасників були виключені з аналізу через або несправність обладнання для стимуляції під час активної ночі, або недотримання інструкцій щодо завдання.

Дані ЕЕГ уві сні ще шести учасників не можна було використати для розрахунку показників функціонального зв’язку через надмірну кількість артефактів, що призвело до включення N=18 учасників до остаточного аналізу та звітності. Усі учасники надали підписану інформовану згоду на участь у дослідженні, яке було схвалено Chesapeake Institutional Review Board.

Усі учасники були носіями англійської мови, мали нормальний або нормалізований слух і зір і не мали в анамнезі неврологічних чи психічних розладів або зловживання наркотиками.

Поведінкова парадигма та процедура
Схема експериментальної процедури представлена ​​на малюнку 1. Експеримент складався з періоду акліматизації, щоб навчити учасників і дати їм поспати в лабораторії, а потім дві експериментальні ночі, що включали навчання та тестування.

Ніч акліматизації була призначена лише для того, щоб учасники звикли спати в лабораторії, і дані ЕЕГ не записувалися та не аналізувалися з цього періоду. Учасники кодували інформацію в першу експериментальну ніч. Завдання на запам’ятовування полягало в перегляді епізодів віртуальної реальності, керованих за допомогою гарнітури HTC Vive VRheadset, з подальшим виконанням кількох тестів на запам’ятовування деталей епізодів.

Учасники закодували 14 віньєток віртуальної реальності, кожна тривалістю близько хвилини, що зображують серію подій із двома або більше персонажами, які здійснюють певні дії в житловому комплексі. Додаткова віньєтка, яка була довшою, використовувалася для навчання учасників під час періоду адаптації. Учасники перевіряли їхню пам’ять на віньєтки протягом п’яти тестових сеансів, які проводилися протягом 48 годин за допомогою комп’ютеризованого завдання, не пов’язаного з віртуальною реальністю, створеного в MATLAB.

Для кожної віньєтки було створено 10 тестових завдань, які складалися з тверджень «Правда» та «Неправда» щодо конкретних аспектів віньєтки. Кожен із п’яти тестових списків містив 28 пунктів, по 2 для кожної віньєтки. Учасники повідомляли, чи були твердження тесту «Правда» або «Неправда», а також впевненість їхнього запам’ятовування за шкалою від 1 до 10. Кожну з трьох ночей учасники спали в лабораторії.

Процедура складалася з чотирьох експериментальних сеансів і одного сеансу акліматизації. Під час сеансу акліматизації учасники переглянули тривалу практичну віньєтку, відповідали на запитання практичних тестів, а потім спали в лабораторії. У наступній першій експериментальній сесії (сесія 1) учасники кодували експериментальні стимули.

Половина учасників отримувала унікальні tES з унікальними ПЕЧАТКАМИ під час перегляду віньєток (активний стан), тоді як інша половина не отримувала жодної стимуляції (фіктивний стан). Учасники отримували протилежну умову стимуляції протягом двох додаткових експериментальних ночей, розділених приблизно на 1 тиждень. Після завершення процедури перегляду віньєтки учасники пройшли перший тест на пригадування пам’яті, а потім спали всю ніч у лабораторії. Ця ніч, а не ніч акліматизації, вважалася «Ніччю 1».

Учасники в активному стані отримали половину STAMP протягом ночі, щоб вказувати на консолідацію конкретних спогадів протягом ночі. На відміну від цього, учасники фіктивного стану не отримували стимуляції протягом ночі. Зауважте, що цей дизайн дослідження дозволив нам порівняти продуктивність пам’яті для епізодів, які отримували стимуляцію STAMP під час кодування та сну (Tag & Cue), з епізодами, які отримували стимуляцію лише під час кодування (Tag & No Cue). Для аналізу підключення ми зосередилися на умовах Tag & Cue і Sham (без кодування чи стимуляції сну).

Після того, як учасники прокинулися, їм дали другий тест пам’яті, і експериментальний сеанс був завершений. Другий експериментальний сеанс (сеанс 2) відбувся ввечері після першого сеансу. Учасники пройшли третій тест пам’яті ввечері, пішли спати, і отримав ще один тест на пам'ять після пробудження.

Цей другий період сну в лабораторії вважався «ніччю 2». Вночі активні учасники групи знову отримали ПЕЧАТИ. Пізніше ввечері було проведено останній тест на пам’ять. Для умов протилежної стимуляції (сесії 3 і 4) учасники переглянули новий набір із 14 віньєток і протягом 2 днів проходили відповідні тести на пригадування пам’яті. Таким чином, експеримент був внутрішньосуб’єктною маніпуляцією, причому активні та фіктивні умови виникали приблизно через 1 тиждень.

Призначення порядку умов стимуляції (спочатку активний проти фіктивного спочатку), а також призначення віньєток були збалансовані між учасниками. Аналіз, про який повідомляється в цій статті, зосереджений на ночі 2, де були виявлені найбільші поведінкові ефекти стимуляції STAMP (див. Pilly та ін., 2020, для отримання додаткової інформації).

For more information:1950477648nn@gmail.com