Вплив навантаження робочої пам’яті та інтервалів CS-US на кондиціонування затримки моргання

Кондиціонування миготіння очима використовується у багатьох видів для вивчення моторного навчання та створення висновків про функцію мозочка. Однак розбіжності в продуктивності між людьми та іншими видами в поєднанні з доказами того, що воля та усвідомлення можуть модулювати навчання, свідчать про те, що кондиціонування моргань — це не просто пасивна форма навчання, яка покладається лише на мозочок.

Умовні рефлекси і пам'ять тісно пов'язані між собою. Коли ми піддаємося впливу деяких стимулюючих речей або ситуацій, наш мозок автоматично на них реагує. Це умовний рефлекс. З часом ці реакції стають автоматичними і стають частиною нашої повсякденної поведінки. Ось чому ми починаємо танцювати, коли чуємо мелодію, або радіємо, коли бачимо цуценя.

А пам'ять є ключовим компонентом нашого мозку. Він відповідає за зберігання інформації з цих реакцій, щоб ми могли скористатися нею пізніше в житті. Поєднуючи його з умовними рефлексами, ми можемо краще запам’ятовувати інформацію та навички, що стосуються певних ситуацій, тим самим ще більше покращуючи нашу пам’ять.

Наприклад, коли ми вивчаємо нову лексику, ми можемо інтегрувати ці слова в наше повсякденне життя та поєднувати їх із певними ситуаціями. Наприклад, коли ви бачите стіл, ви думаєте про слово стіл. Таким чином за допомогою умовних рефлексів ми можемо швидше запам’ятовувати ці нові слова у своїй свідомості.

Одним словом, між умовними рефлексами і пам'яттю існує нерозривний зв'язок. Коли ми зможемо повною мірою скористатися перевагами цього зв’язку, ми зможемо краще реалізувати потенціал нашого мозку та покращити наші здібності до навчання та пам’яті. Видно, що нам потрібно покращувати пам'ять. Cistanche deserticola може значно покращити пам'ять, оскільки Cistanche deserticola є традиційним китайським лікарським матеріалом з багатьма унікальними ефектами, одним із яких є покращення пам'яті. Ефективність м’ясного фаршу пов’язана з різними активними інгредієнтами, які він містить, включаючи кислоти, полісахариди, флавоноїди тощо. Ці інгредієнти можуть сприяти здоров’ю мозку різними способами.

Клацніть дізнатися про 10 способів покращити пам’ять

Тут ми досліджували два способи зменшення впливу волі та усвідомлення на кондиціонування моргань: (1) використання короткого інтерстимулу між стимулами та (2) залучення учасників до виконання завдань робочої пам’яті під час кондиціювання.

Наші результати показують, що учасники, які тренувалися з короткими міжстимульними інтервалами (150 мс і 250 мс), дають дуже мало умовних відповідей після 100 проб. Учасники, які тренувалися з довшим міжстимульним інтервалом (500 мс), які одночасно виконували завдання робочої пам’яті, виробляли менше умовних відповідей, ніж учасники, які спостерігали за фільм під час тренінгу. Наші результати свідчать про те, що учасники виконують завдання робочої пам’яті під час кондиціонування моргань очей може бути життєздатною стратегією для вивчення мозочкового навчання, яке не залежить від усвідомлення та волі. Це може покращити порівняння результатів, отриманих у дослідженнях на людях, з результатами, отриманими на моделях тварин.

ВСТУП

Кондиціонування моргання — це широко використовувана експериментальна парадигма для вивчення асоціативного навчання. У кондиціонуванні моргання суб’єкт вчиться кліпати у відповідь на умовний стимул (CS), такий як atone, за яким кілька разів слідує безумовний стимул, що викликає моргання (US). У кондиціонуванні відкладеного моргання початок УЗД починається перед закінченням КС, тоді як у кондиціонуванні відстеження моргання існує проміжок часу між закінченням КС і початком УЗД. Час умовної відповіді (CR) тісно пов’язаний з інтервалом CS–US, який використовується під час тренування, так що повіка закривається безпосередньо перед очікуваною поставкою УЗД, таким чином захищаючи око. Тренування з коротким інтервалом CS–US створює вивчену реакцію на моргання з короткою затримкою, тоді як вздовж інтервалу CS–US призведе до CR з більшою затримкою1,2.

Ураження та нейрофізіологічні експерименти показують, що у видів ссавців, таких як кролики, коти, тхори, щури та миші, слід асоціативної пам’яті, який формується під час кондиціонування відстроченого моргання, розташований у мозочку3–9. Дослідження пацієнтів із мозочком10,11 та експерименти з нейровізуалізацією12 підтверджують, що мозочок також відіграє ключову роль у формуванні кліпання очей у людей. Однак це не означає, що інші частини мозку не беруть участі в навчанні або не модулюють його. У попередньому дослідженні ми показали, що учасники, якщо їх запитають, можуть добровільно виробляти те, що виглядає як умовні реакції моргання, навіть якщо немає US13. Але якою мірою це відбувається, коли учасникам не дають жодних інструкцій? Кондиціонування слідів, здається, залежить від мозочка, а також від гіпокампу та великого мозку14,15. Це може пояснити, чому пацієнти з амнезією мають дефіцит відстеження, але не кондиціонування відстрочки16,17. Однак інше дослідження показало, що усвідомлення непередбачених подразників не вплинуло на швидкість навчання при затримці чи обумовленні слідів18. Крім того, дані нейровізуалізації вказують на те, що позамозочкові області мозку активні під час кондиціювання відстроченого моргання19.

Немозочкова участь у людей може пояснити невідповідність між кривими навчання у тварин і людей. У людей CR часто з’являються в перших десяти дослідженнях, після чого спостерігається лише помірне підвищення відповіді20–22. Криві навчання у тварин, навпаки, демонструють більш поступове збільшення ймовірності CR, і рідко можна побачити значне навчання в перших кількох блоках5,23,24. Підсумовуючи, все ще є кілька питань без відповіді щодо нейронних ланцюгів ), відповідальний за кондиціонування кліпання та роль усвідомлення, яка залишається змінною, що змішує. Щоб пов’язати нейрофізіологічні механізми мозочка з кондиціонуванням мигання очей у тварин і людей, бажано максимально зменшити вплив усвідомлення та волі.

Тут ми протестували дві стратегії для зменшення впливу усвідомлення та волі на кондиціонування людей-учасників. Перша стратегія полягала у використанні короткого інтервалу CS–US, щоб мінімізувати час, необхідний учасникам для добровільної відповіді. Друга стратегія полягала в тому, щоб зменшити кортикальний внесок у навчання шляхом представлення одночасних завдань робочої пам’яті під час кондиціонування. Ми вибрали завдання робочої пам’яті, які, згідно з попередніми дослідженнями, займають кору, а не мозочок.

РЕЗУЛЬТАТИ

Лінійна модель змішаних ефектів

Щоб перевірити вплив навчання, інтерстимульного інтервалу (ISI) і завдань робочої пам’яті на відсоток умовних реакцій, ми змоделювали відсоток CR за допомогою лінійної моделі змішаних ефектів. Лінійна модель змішаних ефектів була використана замість дисперсійного аналізу повторних вимірювань, оскільки вона є статистично надійнішою, враховує індивідуальні відмінності та справляється з відсутніми точками даних25,26. Як фіксовані ефекти ми використовували навчальний блок (1–10), ISI (150, 250 або 500 мс), стать (чоловіча чи жіноча) і те, чи виконував суб’єкт завдання з робочої пам’яті (так чи ні).

Ми також включили в модель ідентифікатор суб’єкта як випадковий ефект. Модель створено в MATLAB (Mathworks Inc.) за допомогою функції fitlme за формулою: CRs ~1 + Block + Sex + WM + ISI + (1 |Subject).

Модель показує, що завдання блоку, ISI та WM мають значний вплив на відсоток умовних відповідей. Для кожного блоку з 10 випробувань відсоток CR збільшується в середньому на 2,15%. За десять блоків це означає 2,15*10=21,5%. Ця зміна є статистично значущою (t=8.4339, P=4.4686e–16***, CI=1.65–2,65%). Наша модель також показала, що інтерстимульний інтервал впливає на відсоток CR (рис. 1a). Збільшення ISI на 1 мс призводить до збільшення відсотка CR на 0.17%. Перехід від ISI 150 мс до ISI 500 мс означає збільшення відсотка CR на 0,17*350=59.5%. Цей ефект також значний (t=10.30, P=1.74e–22***, CI=0.13–0,20%). Однак, всупереч нашим попереднім висновкам20, стать не впливала на CR (t=1.621, P=0.11, CI=від −1,67 до 17,4%).

Усвідомлення та оперативна пам'ять

Після тренінгу учасників робочої групи пам’яті запитали: «Чи помітили ви якийсь зв’язок між повітряними потоками та тоном?» З 11 суб’єктів цієї групи 3 сказали, що вони помітили, що подразники іноді з’являлися разом, а іноді окремо, але не більше того. Шість з 11 учасників вважали подразники дратуючими та відволікаючими. Жоден з 11 учасників нічого не повідомив про часовий зв'язок між стимулами. Незважаючи на це, умовні реакції були успішно отримані. Таким чином, явне усвідомлення не було необхідним для успішного кондиціонування. Чи вирішували учасники завдання робочої пам’яті під час кондиціонування, впливало на відсоток CR (ілюстровано на рис. 1b). Ті, хто виконував завдання робочої пам’яті, виробляли на 13,68% менше CR, ніж ті, хто дивився фільм. Ця різниця була статистично значущою (t=2.77, P=0.{{20}}057 **, CI=3.99–23.4%). В окремій моделі, яка включала лише тих учасників, які виконували завдання з робочої пам’яті, ми перевірили, чи відносний рейтинг суб’єкта щодо продуктивності робочої пам’яті передбачає відсоток CR. Результати показали, що це не так (t=1.3189, P=0.18, ДІ=від −0,9 до 5,0%).

Резюме

Підсумовуючи, результати показують, що: (1) тренування призводить до більшої кількості CR; (2) довший інтервал CS–US призводить до більшої кількості CR; (3) стать не впливає на відсоток CR; (4) виконання завдання з оперативною пам’яттю зменшує відсоток CR; і (5) те, наскільки добре учасники виконують завдання робочої пам’яті, не впливає на відсоток CR.

ДИСКУСІЯ

Двома основними висновками цього дослідження є те, що (1) міжстимульний інтервал<250 ms produces very few conditioned responses, and (2) having participants do working memory tasks reduces the learning rate. The lack of learning with a short CS–US interval goes against results in animal models where CS–US intervals between 150 ms and 500 ms typically produce high rates (80–100%) of conditioned responses23,24,27–29. However, it is largely consistent with previous research on humans where interstimulus intervals of <250 ms are associated with poor learning1,21, although in one study, 200 ms did produce some learning30. Given that we only tested four participants with a 150 ms ISI, we are not able to rule out that learning can occur with such a short ISI. However, the lack of learning to both 150 ms and 250 ms ISIs, combined with results from previous studies, indicate that using short CS–US intervals does not support eyeblink conditioning in humans. Furthermore, this also means that using short ISIs is not a viable strategy to reduce active influences on eyeblink conditioning because no conditioning occurs, at least not when the training consists of ~100 trials.

Training with a 500 ms ISI did induce learning. In the control group (without the working memory distraction), there was a rapid increase in rates of responding. Within the first three blocks, the response rate reached an average of >80%, що незначно змінилося для решти семи блоків. Це узгоджується з іншими спостереженнями за кондиціонуванням моргання за участю людей11,19,20,22,30–32. Однак він відрізняється від моделей кондиціонування в інших ссавців. У інтактних кроликів, щурів і мишей умовні реакції іноді спостерігаються лише після кількох днів навчання5,24,27,28,33. Пікові показники реагування та плато середньої кривої навчання зазвичай потребують додаткових днів навчання. Цілком можливо, що тренування людей протягом більш тривалого часу або кілька разів, як це традиційно робиться у тварин, може призвести до вищих показників умовних реакцій.

Виконання завдань робочої пам’яті під час навчання з інтервалом 500 мсек–США призвело до того, що учасники не усвідомлювали непередбачених подразників, але не перешкоджали навчанню. Оскільки ми не запитували учасників, які не виконували завдання на оперативну пам’ять, про їхню обізнаність, ми не можемо сказати, чи усвідомлювали вони непередбачені стимули. Однак наш досвід показує, що учасники швидко розуміють, що подих з’являється після звуку, що також узгоджується зі спостереженнями в посил. 18. Крива навчання учасників групи робочої пам’яті досягла плато пізніше, ніж у контрольній групі. Поступове збільшення умовних реакцій поширилося на дев'ять з десяти блоків навчання. Крім того, хоча навчання було більш поступовим і рівень відповіді був нижчим з першого блоку, рівень відповіді врешті-решт досяг того ж рівня (> 80%), що й у контрольній групі, до кінця десяти блоків навчання. Наші результати суперечать попереднім експериментам, де завдання маскування не впливало на швидкість навчання18. Однак у попередньому дослідженні учасників просили повторити слова. Наші завдання з оперативною пам’яттю, ймовірно, були значно складнішими.

Підводячи підсумок, попередні експерименти показують, що усвідомлення умов стимулу та добровільне кліпання може бути джерелом прискореного навчання під час кондиціонування відстроченого моргання. Це дослідження свідчить про те, що одночасне виконання учасниками завдань пам’яті під час кондиціонування може зменшити активний вплив на навчання, що може призвести до процесу навчання, який більшою мірою залежить від мозочка і, отже, більше порівнянний з умовними реакціями моргання, про які повідомляється в літературі про тварин.

МЕТОДИ

Учасники

Учасниками були 42 студенти (жінки=22; чоловіки=20) Лундського університету. Віковий діапазон становив 24,6 ± 5,38 років (середнє значення ± SD). Учасники були розділені на чотири окремі групи (див. таблицю 1). Три групи тренувалися з трьома різними інтервалами CS–US: 150, 250 і 500 мс. Четверта група була навчена з інтервалом 500 мс, але на додаток до кондиціонування учасники отримали вказівки виконувати завдання робочої пам’яті (WM) під час навчання. Перед експериментом учасники підписали письмову форму згоди, в якій зазначалося, що вони були поінформовані про процедуру в загальних рисах, тобто, що їхні реакції на моргання будуть записані та що вони будуть представлені звуковими сигналами та подувками повітря, спрямованими в око. Форма згоди також підтвердила, що учасники знали, що вони можуть відмовитися від участі в будь-який час. На знак вдячності випробуваний отримав квиток у кіно в кінці експерименту (незалежно від того, чи виконали вони весь протокол). Місцевий етичний комітет (Regional etikprövningsnämnden Lund) схвалив дослідження (DNR 2017–785).

Матеріали

Експериментальна установка проілюстрована на рис. 2. Для виявлення рухів повік маленький круглий неодимовий магніт (діаметр: 3 мм; товщина: 1 мм) був прикріплений до лівої повіки суб’єкта за допомогою подвійної липкої стрічки. Результуючі зміни в магнітному полі були записані за допомогою мікросхеми GMR (AAH002-02E, NVE Corporation). Чіп GMR і сопло, що подає повітря, були прикріплені до правого боку пари окулярів, які випробуваний носив під час тесту. . Дані датчика GMR були відібрані на частоті 1000 Гц і передані на комп’ютер через конвертер Micro 1401 AD (Cambridge Electronic Design). Micro 1401 також використовувався для активації гучномовців, які відтворювали тон — тон 1000 Гц тривалістю 1 с — і відкривання електромагнітного клапана D132202 (Aircom), випускаючи подушку.

Кондиціонування моргань

Експерименти проводилися в тихій кімнаті на кампусі. Для кожного об’єкта ми регулювали інтенсивність подиху повітря так, щоб воно надійно викликало рефлекторне кліпання, не подразнюючи око. Отриманий тиск коливався від 0,5 до 1 бар. Так само було налаштовано гучність звуку, щоб бути чутним, але не неприємним. Кожна особа отримала загальну кількість 100 випробувань (10 блоків по 10 випробувань). З цих 100 випробувань 25% були пробними, тобто CS був представлений окремо. Міжпробний інтервал становив 10 ± 2 с.

У групах, які не виконували завдання з оперативної пам’яті, учасникам пропонувалося вибрати улюблене телешоу для перегляду на ноутбуці під час тренування. Піддослідного попросили зосередитися на програмі та намагатися не контролювати рухи повік. У групі, яка отримувала завдання на оперативну пам’ять під час кондиціонування, учасникам було сказано зосередитись і виконувати якомога краще завдання на оперативну пам’ять. Їм сказали, що метою експерименту було побачити вплив на продуктивність робочої пам’яті відволікаючих подразників у формі звуків і подихів повітря. Мета полягала в тому, щоб суб’єкт сприймав експеримент як перевірку робочої пам’яті та не усвідомлював, що насправді це був експеримент з формування умов для кліпання очей. Після тренінгу учасників групи з вивчення робочої пам’яті запитали, чи помітили вони якусь закономірність у подання стимулів.

Завдання на оперативну пам'ять

Учасники групи робочої пам’яті отримували складні завдання щодо робочої пам’яті під час сеансу кондиціювання моргання. Ми вибрали кілька найпоширеніших тестів робочої пам’яті, які можна було поєднати з протоколом кондиціонування, і які безпосередньо не вимагали часу та моторних навичок. Тим не менш, є докази того, що деякі з цих завдань робочої пам’яті дійсно включають мозочок34,35. Зокрема, учасники виконали наступні вісім тестів у такому порядку: (1) Corsi, (2) розумова ротація, (3) багатозадачність, (4) n-back (3-back), (5) Navon, (6) )Stroop, (7) візуальний пошук і (8) завдання сортування карток у Вісконсині. Тести робочої пам’яті проводилися за допомогою онлайн-програмного забезпечення PsyToolkit (PsyToolkit розроблено та належить професору GijsbertStoet і доступно на www.psytoolkit.org). Кожне завдання робочої пам’яті починалося з інструкцій на екрані, наданих PsyToolkit. Додаткова інформація була представлена ​​усно на прохання учасників. Кожен тест починався з кількох навчальних прикладів (наданих програмним забезпеченням), а після цього починалося тестування. Відповіді проводились за допомогою комп’ютерної клавіатури та мишки. Коли учасник завершив усі 8 тестів, йому було наказано почати спочатку з першого тесту. Зазвичай учасники проходили 1,5 раунду тестування. Результати другого раунду далі не аналізувалися.

Аналіз даних

Дані про миготіння очима збирали за допомогою програмного забезпечення Spike2 v9.10 (CED). Дані із завдань робочої пам’яті зберігалися в MicrosoftExcel. Згодом усі дані були експортовані та проаналізовані в Matlab R2022a (Mathworks). Використовуючи спеціальні сценарії Matlab, ми класифікували кожне випробування як (1) CR, (2) відсутність CR або (3) недійсне випробування. Якщо CR був присутній, сценарій оцінював початок і пік відповіді. Усі розгортки було перевірено вручну, щоб переконатися, що сценарій зробив правильну категоризацію. Помилки виправлені вручну. Для аналізу продуктивності тесту робочої пам’яті ми обрали дві змінні: час реакції (RT) та успішність у тесті (правильні відповіді у %). Ранг було обчислено за допомогою функції рангування з програмного забезпечення Microsoft Excel, і середній ранг представляв одне значення для кожної змінної RT та успіху в випробуваному.

Звітність

Додаткова інформація про дизайн дослідження доступна в резюме звітів NaturePortfolio, посилання на яке міститься в цій статті.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Кімбл, Г. А. Кондиціонування як функція часу між умовними та безумовними подразниками. J. Exp. психол. 37, 1–15 (1947).

2. Steinmetz, AB та ін. Оцінка двонаправленого інтерстимульного інтервалу (ISI) зміщує кондиціонування неслухової затримки-блимання очей у здорових людей. вчитися. поведінка. 39, 358–370 (2011).

3. Маккормік, Д. А. і Томпсон, Р. Ф. Мозочок: істотна участь у класично обумовленій реакції повік. Science 223, 296–299 (1984).

4. Yeo, CH, Hardiman, MJ & Glickstein, M. Дискретні ураження кори мозочка усувають класично обумовлену тремтливу реакцію мембрани кролика. Brain Res. 13, 261–266 (1984).

5. Тен Брінке, М. М. та ін. Розвиваються моделі павлівського кондиціонування: динаміка кори мозочка у мишей, що не сплять. Cell Rep. 13, 1977–1988 (2015).

6. Джиренхед Д.-А. & Hesslow, G. Чи паузи в клітинах Пуркіньє викликають класично обумовлені відповіді на моргання? Мозочок 15, 526–534 (2016).

7. Zucca, R., Rasmussen, A. & Bengtsson, F. Регулювання спонтанної активності клітин Пуркіньє за допомогою лазіння по волокнах і реакцій моргання, залежних від мозочка. eNeuro 3, ENEURO.0067-15.2015 (2016).

8. Freeman, JH & Steinmetz, AB. Нейронні схеми та механізми пластичності, що лежать в основі кондиціонування затримки моргання. вчитися. Мем. 18, 666–677 (2011).

9. Норман, Р. Дж., Віллабланка, Дж. Р., Браун, К. А., Швафель, Дж. А. та Бухвальд, Дж. Класичне кондиціювання моргання у кішки з двосторонньою гемісферектомією. Exp.Neurol. 44, 363–380 (1974).

10. van Gaalen, J. та ін. Аномальне кондиціонування моргань є раннім маркером мозочкової дисфункції у доклінічних носіїв мутації SCA3. Exp. Brain Res. 237, 427–433 (2019).

For more information:1950477648nn@gmail.com