Förändringar i hjärnanslutning under sömn med sluten slinga transkraniell neurostimulering Förutsäg metamenesskänslighet del 1

ABSTRAKT

Metamemory innebär förmågan att korrekt bedöma riktigheten i våra minnen. Hämtningen av minnen kan förbättras med hjälp av transkraniell elektrisk stimulering (tES) under sömn, men bevis för förbättringar av metaminneskänslighet är begränsade.

Minnesåtervinning avser processen att hämta information lagrad i hjärnan på olika sätt när minnesförglömning inträffar. I vårt dagliga studieliv är minneshämtning en mycket viktig länk. Det kan inte bara hjälpa oss att konsolidera den kunskap vi har lärt oss utan också förbättra vårt minne.

Minne är en persons förmåga att bevara och återkalla information, och det är oskiljaktigt från lärande. Endast med ett starkt minne kan vi bemästra mer kunskap och färdigheter och spela en större roll i vårt dagliga liv.

Minnesåtervinning och minne är nära besläktade. Minnesåtervinning är när vi behöver använda viss kunskap, vi kommer att söka och återkalla den, och den här processen att söka och återkalla är minneshämtning. Om vårt minne inte är tillräckligt starkt kommer vi att ha svårt att hämta minne och kan glömma, vilket kommer att påverka vår inlärningseffekt och prestation.

Att förbättra minnet är därför inte en enkel sak, men vi kan använda vissa vetenskapliga metoder och tekniker för att hjälpa oss att förbättra minnet. Till exempel kan vi konsolidera minnet genom upprepad inlärning, använda associationsförmåga för att ytterligare fördjupa minnet eller aktivera våra hjärnor på olika sätt för att ytterligare förbättra minnet.

Kort sagt, minneshämtning och minne är nära besläktade. Först när vi har ett starkt minne kan vi utföra minnesinhämtning bättre och uppnå bättre inlärningsresultat. Låt oss ha modet att utmana oss själva, förbättra vårt minne genom kontinuerligt lärande och övning och lägga en solid grund för vår framtid. Det kan ses att vi behöver förbättra minnet, och Cistanche deserticola kan förbättra minnet avsevärt eftersom Cistanche deserticola är ett traditionellt kinesiskt läkemedelsmaterial som har många unika effekter, varav en är att förbättra minnet. Effekten av Cistanche deserticola kommer från de många aktiva ingredienser den innehåller, inklusive garvsyra, polysackarider, flavonoidglykosider, etc. Dessa ingredienser kan främja hjärnans hälsa genom en mängd olika vägar.

Klicka på vet 10 sätt att förbättra minnet

Att tillämpa tES kan förbättra sömnberoende minneskonsolidering, vilket tillsammans med metamemy kräver koordinering av aktivitet över distribuerade neurala system, vilket tyder på att det är viktigt att undersöka funktionell anslutning för att förstå dessa processer.

Icke desto mindre har littleresearch undersökt hur funktionella anslutningsmoduleringar relaterar till förändringar i metamemykänslighet över natten. Här utvecklade vi en kortvarig tES-metod med sluten slinga, tidslåst till upp-tillstånd av pågående långsamma vågsvängningar, för att visa specifika minnesuppspelningar hos människor. Vi mätte elektroencefalografiska (EEG) koherensförändringar efter stimuleringspulser, och karakteriserade nätverksförändringar med grafteoretiska mått.

Med hjälp av maskininlärningstekniker visar vi att pulsad tES framkallade nätverksförändringar i flera frekvensband, inklusive ökad anslutning i theta-bandet och ökad effektivitet i spindelbandet. Dessutom var stimuleringsinducerade förändringar i beta-bandets väglängd förutsägande över natten förändringar i metamemykänslighet.

Dessa fynd ger nya insikter till den växande litteraturen som undersöker ökningar i minnesprestanda genom hjärnstimulering under sömn och framhäver vikten av att undersöka funktionella anslutningar för att förklara dess effekter.

FÖRFATTARESAMMANFATTNING

Många studier har visat ett tydligt samband mellan sömn och minne, nämligen att minnen konsolideras under sömnen, vilket leder till mer stabila och långvariga representationer.

Vi har tidigare visat att taggning av episoder med specifika mönster av hjärnstimulering under kodning och uppspelning av dessa mönster under sömn kan förbättra denna konsolideringsprocess för att förbättra förtroendet och beslutsfattandet av minnen (metamemy).

Här utökar vi detta arbete för att undersöka hjärnförändringar på nätverksnivå som inträffar efter stimulering under sömn som förutsäger minnesförbättringar. Med hjälp av grafteoretiska metoder och metoder för maskininlärning fann vi att stimuleringsinducerade förändringar i beta-bandets väglängd förutspådde förbättringar över natten i metaminne.

Detta nya fynd kastar nytt ljus över de neurala mekanismerna för minneskonsolidering och föreslår potentiella tillämpningar för att förbättra metamery.

INTRODUKTION

Hjärnan har den anmärkningsvärda förmågan att förvandla korta möten och episoder, till och med "one-shot"-möten, till långvariga minnen. Detta sker genom en process som kallas minneskonsolidering, där minnen i ett labilt tillstånd spelas upp under sömnen och omvandlas till mer stabila representationer. Men framgångsrik återhämtning av minnen involverar kontrollprocesser och beslutsfattande, och även minnen som konsolideras under sömnen kan vara svåra att återkalla eller hämta med liten tilltro till deras sanning (Koriat & Goldsmith, 1996).

Metaminneskänslighet, eller en individs förmåga att med tillförsikt bedöma riktigheten i sina minnen, spelar en avgörande roll i användningen av våra minnen. Till exempel kan ett ögonvittne till ett brott framgångsrikt ha kodat kritiska detaljer om episoden, men kanske inte är säker på sitt minne, vilket leder till felaktiga beslut (Luus & Wells, 1994; Memonet al., 2003; Sporer et al., 1995) .

Att förbättra inte bara minneshämtning utan även metamemykänslighet är därför av avgörande betydelse. Här undersökte vi förbättringen av känslighet med en intervention medan individer sov. Under sömnen återaktiveras neuronala ensembler som representerar tidigare kodade minnen i både hippocampus och neokortikala områden (Euston et al., 2007; Ji & Wilson, 2007; Nádasdy et al., 1999; Sirota et al., 2003; Skaggs & McNaughton, 1996;

Minnesuppspelningar observeras huvudsakligen under långsam sömn, särskilt under de positiva faserna, eller upptillstånden, av den pågående 0.5–1,2 Hz oscillationen (Lee & Wilson, 2002; Mölle & Born, 2011). Reaktiveringar av kodningsspecifika neuronmönster åtföljs av 12–15 Hz talamokortikal oscillerande aktivitet, känd som spindlar, såväl som kortlivade högfrekventa utbrott i hippocampus som kallas ripples (De Gennaro & Ferrara, 2003; Mölleet al., 2006).

Den komplicerade koordinationen av repriser, spindlar och krusningar är väsentlig för att underlätta konsolideringen av minnen till långtidslagring eller för att överföra minnen från hippocampus till neocortex (McClelland et al., 1995; McGaugh, 2000; Rasch & Born, 2013; Staresina et al., 2015).

Konsolidering av minnen kan inte bara underlätta deras senare hämtning, utan kan också relateras till individens framtida förtroende för dem; Konsolidering kan nämligen stärka minnen och förbättra inlärningen (Walker & Stickgold, 2004), och förtroende för minnen är relaterat till minnestrohet (Dallenbach, 1913).

Att rikta konsolideringsprocessen med en intervention kan således inte bara gynna hämtningsframgång utan också metamemykänslighet. Under det senaste decenniet har forskare i allt högre grad undersökt sätt att öka minneskonsolideringsprocesser genom externa manipulationer. Dessa interventionsstudier har visat att sömnberoende minneskonsolidering kan förbättras på två sätt.

För det första kan minnesreaktiveringar utlösas under sömnen genom att återexponera individer för externa sensoriska signaler, såsom lukter eller ljud som var närvarande under kodning (Antony et al., 2012; Oudiette & Paller, 2013; Schreiner & Rasch, 2014; Rasch et al. , 2007; Rudoy et al., 2009). Denna cued-reaktivering kan leda till fördelar i återkallelse för de specifika objekt som tidigare associerats med cues.

För det andra har flera studier visat att användning av transkraniell elektrisk stimulering (tES) vid särskilda frekvenser på hjärnan under sömn kan potentiera endogena elektrofysiologiska processer, vilket leder till underlättande av minneskonsolidering och efterföljande igenkänning eller återkallelse (Ketz et al., 2018; Ladenbauer et al. , 2016, 2017; Lustenbergeret al., 2016; Marshall et al., 2006, 2004).

Dessa studier har visat en generell ökning av minneshämtning efter tES under sömn. Viktigt är att denna stimuleringsrelaterade fördel för minnet potentiellt kan bero på frekvensspecifika förändringar i funktionella anslutningar mellan hjärnregioner (Krause et al., 2017).

För att sammanfatta, tyder tidigare forskning på att hämtning av minnen kan stärkas genom neurostimulering under sömn, och skulle potentiellt tyda på att individer också skulle ha större metamemy-känslighet, eller större korrelation i noggrannheten och förtroendet för sina minnesbeslut, för dessa episoder.

Viss forskning har faktiskt visat ett samband mellan hälsosam oavbruten sömn och intakta metaminnesbedömningar (Dauratet al., 2010). Detta kanske inte är fallet, eftersom annan forskning har visat dissociationer mellan första ordningens beslut (erkännandedomar) och andra ordningens beslut (förtroendedomar; Del Cul et al., 2009; Hebart et al., 2016; Rounis et al. al., 2010).

Detta är viktigt, eftersom minnesförtroendet kan minska med tiden (Shapira & Pansky, 2019), vilket leder till fel i minnesrapporteringen och sämre beslutsfattande.

Neural stimulering av prefrontalcortex har visat sig förbättra minnesövervakning för allmänna kunskapsfrågor (Chua & Ahmed, 2016; Chua et al., 2017), och theta-burst-stimulering för att sänka aktiviteten hos frontopolar cortex påverkade metakognitiva bedömningar (Ryals et al. , 2016), vilket tyder på att tekniker kan vara effektiva för att förbättra och bibehålla minneskänsligheten för nyss kodade episoder.

Faktiskt har nyligen genomfört arbete i vårt labb visat att unika spatiotemporala amplitudmodulerade mönster (STAMPs) av tES kan användas för att öka sömnkonsolideringen och känsligheten för bedömningar av specifika episodiska minnen som förvärvats i immersivevirtual reality (Pilly et al., 2020).

I det här dokumentet utökar vi tidigare arbete med att återaktivera minne genom att undersöka förändringar i funktionell anslutning efter kortvariga tES-mönster (nämligen STAMPs) under sömn.

Funktionell anslutning har tidigare visat sig påverkas av tES under vaken (Polanía et al., 2011, 2012), såväl som av minneskonsolidering under sömn (Mölleet al., 2004). Dessutom anses konsolidering av minnen i hjärnan vara en process på systemnivå, eftersom den stöds av en kombination av kort- och långdistanskommunikation över hjärnstrukturer (Staresina et al., 2015).

Detta liknar sannolikt metameory, eftersom forskning har visat anslutning mellan ett distribuerat nätverk av hjärnområden, inklusive frontala cortex, precuneus och hippocampus stödjer minne och metakognitiva bedömningar (Baird et al., 2013; Molenberghs et al., 2016; Morales et al., 2018; Ren et al., 2018; Ye et al., 2019).

Därför är det viktigt att förstå hur förändringar i funktionell anslutning relaterar till denna process; Såvitt vi vet har dock ingen studie hittills undersökt hur förändringar i funktionell anslutning till följd av stimulering under sömn kan påverka eller relatera till minneskonsolidering och beslutsprocesser.

För att undersöka förändringar i funktionell anslutning använde vi mått på EEG-koherens (Nunez, 1995), särskilt den imaginära delen av koherens (Nolte et al., 2004), och extraherade drag av anslutning från koherensdata med grafteoretiska analyser (Bullmore & Sporns) , 2009;Sporns, 2003).

Detta tillvägagångssätt modellerar hjärnans funktionella anslutningsmöjligheter som en sammankopplad graf och möjliggör utforskning av förhållandet mellan nätverksstruktur och funktion.

Medan vi var intresserade av anslutningsförändringar i spindelbandet utökade vi analysen till att omfatta flera andra frekvensband, eftersom aktivitet i många spektralband har relaterats till minnesprocesser (Hanslmayr & Staudigl, 2014; Hanslmayr et al., 2012; Lisman & Jensen, 2013). Vi använde sedan maskininlärningsbaserade tekniker för att bestämma de viktiga grafteoretiska egenskaperna för att skilja mellan aktiva och sken-stimuleringsförhållanden, samt förutsäga förändringar över natten i episodiskt minnesbeteende.

På detta sätt ger vi ny insikt i moduleringar i funktionell anslutning efter pulsad tES som är relaterade till förändringar i metamemorysensitivity för specifika episodiska minnen.

MATERIAL OCH METODER

Deltagarna som rapporteras i detta dokument är samma grupp av deltagare från Pilly et al.(2020). De fick unika korta spatiotemporala mönster av tES (nämligen STAMPs) under kodning av episodisk information, varav hälften återapplicerades under upp-tillstånd av långsamma vågoscillationer (SWOs) under efterföljande nätter för att signalera reaktivering av de specifika associerade minnena (aktivt tillstånd).

Vid en annan tidpunkt utförde samma individer också minnesuppgiften utan hjärnstimulering (Sham-tillstånd).

Därför var vi inte bara intresserade av förändringarna i funktionell anslutning som skilde sig mellan Active och Sham-stimuleringsförhållandena utan också i anslutningsförändringarna efter STAMPs som var relaterade till förändringar i återkallandet av specifika episodiska minnen från före till efter sömn.

Deltagare

Totalt 30 friska deltagare genomförde experimentet, som rekryterades med hjälp av flygblad placerade runt campus vid University of New Mexico och det omgivande samhället och fick monetär ersättning efter avslutad studie.

Av dessa uteslöts sex deltagare från analyserna på grund av att utrustningen misslyckades med att stimulera under en aktiv natt, eller på grund av bristande efterlevnad av följande uppgiftsinstruktioner.

Sömn-EEG-data från ytterligare sex deltagare kunde inte användas för att beräkna funktionella anslutningsmått på grund av överdrivna artefakter, vilket ledde till att N=18 deltagare inkluderades i den slutliga analysen och rapporteringen. Alla deltagare lämnade undertecknat informerat samtycke till att delta i studien, som godkändes av Chesapeake Institutional Review Board.

Alla deltagare var engelska som modersmål, hade normal eller normal hörsel och syn och hade ingen historia av neurologisk eller psykiatrisk störning eller drogmissbruk.

Beteendeparadigm och procedur
En översikt över den experimentella proceduren presenteras i figur 1. Experimentet bestod av en acklimatiseringsperiod för att träna deltagarna och låta dem sova i labbet, följt av två experimentnätter med inlärning och testning.

Acklimatiseringsnatten var endast för att tillåta deltagarna att vänja sig vid att sova i labbet, och EEG-data registrerades inte eller analyserades från denna period. Deltagarna kodade information på den första experimentnatten. Temauppgiften bestod av att titta på virtuella verklighetsavsnitt administrerade med ett HTC Vive VRheadset, följt av flera minnesåterkallningstester på detaljer från avsnitten.

Deltagarna kodade 14 virtuella verklighetsvinjetter, som var och en varar i ungefär en minut, som visar en serie händelser med två eller flera karaktärer som begår någon handling runt ett lägenhetskomplex. En extra vinjett som var längre användes för att träna deltagarna under acklimatiseringsperioden. Deltagarna testades på sitt minne för vinjetter under fem testsessioner som administrerades under 48 timmar med en icke-VR datoriserad uppgift inbyggd i MATLAB.

För varje vinjett konstruerades 10 testobjekt som bestod av sant/falskt påståenden om specifika aspekter av vinjetten. Var och en av de fem testlistorna innehöll 28 artiklar, 2 för varje vinjett. Deltagarna rapporterade om testpåståendena var sanna/falska, samt att de var säker på att de återkallades på en skala från 1–10. Deltagarna sov i labbet var och en av de tre nätterna.

Proceduren bestod av fyra experimentsessioner och en acklimatiseringssession. I acklimatiseringssessionen såg deltagarna en lång övningsvinjett som svarade på övningstestfrågor och sov efteråt i labbet. I följande första experimentella session (session 1) kodade deltagarna de experimentella stimulierna.

Hälften av deltagarna fick unika tES med unika STAMPS under visning av vinjetter (aktivt tillstånd), medan den andra hälften inte fick någon stimulering (Sham-tillstånd). Deltagarna fick det motsatta stimuleringsvillkoret under ytterligare två experimentnätter åtskilda med cirka 1 vecka. Efter att ha slutfört vinjettvisningsproceduren fick deltagarna sitt första minnesåterkallningstest och sov sedan över natten i labbet. Den här natten, och inte acklimatiseringsnatten, ansågs vara "natt 1".

Deltagarna i det aktiva tillståndet fick hälften av STAMPS under natten för att visa konsolidering av specifika minnen under natten. Däremot fick deltagare i skentillståndet ingen stimulering under natten. Observera att denna studiedesign gjorde det möjligt för oss att jämföra minnesprestanda för episoder som fick STAMP-stimulering under kodning och sömn (Tag & Cue) med episoder som endast fick stimulering vid kodning (Tag & No Cue). För anslutningsanalyserna fokuserade vi på villkoren Tag & Cue och Sham (ingen kodning eller sömnstimulering).

Efter att deltagarna vaknat fick de ett andra minnestest och experimentsessionen avslutades. Den andra experimentsessionen (session 2) inträffade på kvällen efter den första sessionen. Deltagarna fick ett tredje minnestest på kvällen, somnade, och fick ytterligare ett minnestest efter att ha vaknat.

Denna andra period av sömn i labbet betraktades som "Natt 2." Aktiva gruppdeltagare fick återigen frimärken under natten. Det sista minnestestet gjordes senare på kvällen. För det motsatta stimuleringstillståndet (sessionerna 3 och 4) såg deltagarna en ny uppsättning av 14 vinjetter och administrerades motsvarande minnesåterkallelsetest under 2 dagar. På detta sätt var experimentet en manipulation inom försökspersonerna, där de aktiva och skenbara förhållandena inträffade med ungefär 1 veckas mellanrum.

Tilldelningen av stimuleringsvillkorsordningen (Active first vs. Sham first), såväl som tilldelningen av vinjetter, balanserades mellan deltagarna. Analyserna som rapporteras i denna artikel fokuserar på Night 2, där de största beteendeeffekterna av STAMP-stimulering hittades (se Pilly et al., 2020, för ytterligare detaljer).

For more information:1950477648nn@gmail.com