Förstå rollerna för central och autonom aktivitet under sömn i förbättringen av arbetsminnet och episodiskt minne Del 1

Det senaste decenniet har sett betydande framsteg när det gäller att identifiera sömnmekanismer som stödjer kognition. De flesta av dessa studier fokuserar på kopplingen mellan elektrofysiologiska händelser i det centrala nervsystemet under sömn och förbättringar i olika kognitiva domäner, medan de dynamiska förändringarna av det autonoma nervsystemet över sömnen till stor del har förbisetts.

Sömn och minne är nära besläktade. Medan vi sover bearbetar och konsoliderar våra hjärnor informationen vi lärt oss under dagen, vilket hjälper oss att komma ihåg och lära oss. Därför är en bra sömnmekanism väldigt viktig för att förbättra vårt minne.

Det finns två huvudstadier av sömn: snabba ögonrörelser (REM) och icke-snabba ögonrörelser (NREM). Dessa två stadier av sömn spelar olika roller i olika typer av minnen. Under NREM-sömnstadiet kommer hjärnan att stärka bearbetningen av minnen och injicera viktig information i långtidsminnet för att bättre bevara dem. I REM-sömnstadiet kommer hjärnan att förbättra vår kreativitet och fantasi genom att återkalla och omorganisera information, och viss minnesblekning kan också förekomma.

För att säkerställa god sömnkvalitet bör vi vara uppmärksamma på att utveckla goda sömnvanor. Detta inkluderar regelbundna sömntider, undvikande av överdriven användning av elektroniska apparater före sänggåendet och upprätthålla en bekväm sovmiljö. Dessutom är upprätthållande av fysisk hälsa genom träning och kostkontroll också nyckeln till sömnkvaliteten.

Kort sagt, sömnmekanism och minne är nära besläktade. Genom att upprätthålla goda sömnvanor och livsstil kan vi förbättra kvaliteten på vår sömn och därigenom hjälpa oss att bättre behålla vårt minne och inlärningsförmåga. Det kan ses att vi behöver förbättra vårt minne. Cistanche deserticola kan avsevärt förbättra minnet, eftersom Cistanche deserticola också kan reglera balansen av signalsubstanser, som att öka nivåerna av acetylkolin och tillväxtfaktorer. Dessa ämnen är mycket viktiga för minne och inlärning. Dessutom kan kött också förbättra blodflödet och främja syretillförseln, vilket kan säkerställa att hjärnan får tillräckligt med näringsämnen och energi, vilket förbättrar hjärnans vitalitet och uthållighet.

Klicka på vet kosttillskott för att öka minnet

Nyligen genomförda studier har emellertid identifierat betydande bidrag från autonoma ingångar under sömn till kognition. Ändå finns det fortfarande stora luckor i att förstå hur centrala och autonoma system samverkar under sömnen för att underlätta kognitiv förbättring. I den här artikeln undersöker vi bevisen för de oberoende och interaktiva rollerna för centrala och autonoma aktiviteter under sömn och vaken i kognitiv bearbetning. Vi fokuserar specifikt på de prefrontala-subkortikala strukturerna som stöder arbetsminnet och mekanismer som ligger till grund för bildandet av hippocampus-beroende episodiskt minne.

Vår Slow Oscillation Switch Model identifierar separata och konkurrerande underliggande mekanismer som stöder de två minnesdomänerna på synaptiska, system- och beteendenivåer. Vi föreslår att sömn är en konkurrensutsatt arena där båda minnesdomänerna tävlar om begränsade resurser, experimentellt demonstrerat när man ökar ett system leder till en funktionell avvägning i elektrofysiologiska och beteendemässiga resultat.

Eftersom dessa fynd oundvikligen leder till ytterligare frågor, föreslår vi områden av framtida forskning för att bättre förstå hur hjärnan och kroppen interagerar för att stödja ett brett spektrum av kognitiva domäner under en enda sömnepisod.

Det autonoma nervsystemet (ANS) är uppdelat i två grenar, där den sympatiska grenen förknippas med energimobilisering under så kallade kamp–flyg–frys-svar (1, 2) och den parasympatiska grenen förknippad med vegetativa och återställande funktioner under s.k. vila–smältningssvar (3). Dessa grenar "arbetar antagonistiskt, synergistiskt och oberoende för att samla information från sinnesorgan och koordinera svar på inre och yttre krav" (4).

Både det sympatiska och det parasympatiska nervsystemet kommunicerar med det centrala nervsystemet (CNS), och bildar ett system som kallas det centrala autonoma nätverket. Det centrala autonoma nätverket är en uppsättning CNS-strukturer, inklusive locus coeruleus (LC), hypotalamus, amygdala, ventromediala prefrontala cortex, hippocampus och thalamus, som direkt eller indirekt tar emot input från och modulerar utsignalen till ANS.

Vagusnerven (den 10:e kranialnerven) består av ~80 % afferenta förbindelser (5) som kommunicerar parasympatisk/vagal information från periferin till kärnan i solitärkanalen i hjärnstammen och högre ordningens områden i det centrala autonoma nätverket ( 6, 7). Dessutom möjliggör fallande projektioner från det centrala autonoma nätverket dubbelriktad kommunikation mellan hjärnan och de perifera regionerna (8, 9).

Hos människor är en icke-invasiv metod för att upptäcka ANS-aktivitet hjärtfrekvensvariabilitet (HRV), som undersöker variabiliteten mellan individuella hjärtslag (R–R-intervall, reflekterande ventrikulär depolarisation) i QRS-komplexet av elektrokardiogram (EKG) (10–12).

HRV kan beräknas i tidsdomänen och frekvensdomänen. Tidsdomänmått för HRV inkluderar 1) SD för alla R–R-intervall (SDNN), ett allmänt mått på variabilitet i hjärtfrekvens och 2) rotmedelvärdet för successiva skillnader (RMSSD), ett mått på hjärtfrekvensfluktuationer medierad främst av vagusnerven.

Frekvensdomänmätningar av HRV inkluderar 1) styrkan hos högfrekvent HRV (HF-HRV: 0.15 till 0.40 Hz), en indikator på andningssinusarytmi och parasympatisk vagal aktivitet, och 2) kraften hos lågfrekvent HRV (LF-HRV: 0.04 till 0.15 Hz), en blandad signal från både sympatiska och parasympatiska källor. Med tanke på osäkerheten i bidraget från signaler som innefattar LF-HRV, i förhållande till de kända vagala ursprungen för HF-HRV-signalen, tenderar forskning om autonom aktivitet att fokusera på HF-HRV.

För en nyligen genomförd genomgång av hjärnområdena och neuromodulatoriska system som omfattar de parasympatiska och sympatiska grenarna, såväl som deras input till hjärnområden som ägnas åt kognitiv bearbetning, se Whitehurst et al. (4).

Vår granskning fokuserar specifikt på bevisen som stöder rollen av ANS i kognitiva processer över vaken och sömn. Vi rapporterar om en robust uppsättning fynd som kopplar ihop parasympatisk/vagal aktivitet under vaken och sömn med det prefrontala-subkortikala nätverket som reglerar kognitiv kontroll, exekutiv funktion och arbetsminne (WM). Vi identifierar också en betydande brist på bevis för autonom aktivitet som underlättar sömnberoende minneskonsolidering, en anmärkningsvärd lucka med tanke på den stora mängd forskning som förbinder sömn med bildandet av långtidsminnen. Därefter sammanfattar vi aktuell kunskap om mekanismer som stödjer bildandet av långtidsminnen under sömnen.

Mot denna bakgrund utvecklar vi hypotesen att hjärnnätverk och neuromodulerande system under sömn som stödjer ökad effektivitet i WM och konsolidering av hippocampala, episodiska minnen är separata och konkurrerande mekanismer. Vi introducerar Slow Oscillation Switch Model, som ger en översikt över hur dessa mekanismer interagerar under sömnen, tillsammans med framväxande testbara hypoteser och nya undersökningslinjer för vidare forskning inom detta område.

Autonoma ingångar modulerar kognition

Kognitiva processer som förlitar sig på hämmande kontroll uppifrån och ned i prefrontala-subkortikala nätverk, såsom emotionell reglering, kognitiv kontroll eller exekutiv funktion, har associerats med parasympatisk/vagal aktivitet. Kognitiv kontroll eller exekutiv funktion, koordineringen av mentala processer och handlingar av nuvarande mål och planer är en primär funktion av den prefrontala cortex.

Koordinationen av kognitiv kontroll implementeras av flera funktionella kretsar förankrade i den prefrontala cortex, inklusive den ventromediala prefrontala cortex, främre cingulate cortex och ett brett utbud av subkortikala regioner (13). WM är en aspekt av exekutiva funktioner som stöder underhåll och manipulering av en liten mängd information, varar vanligtvis sekunder till minuter (14), och delar liknande neurala mekanismer med kognitiv kontroll (15). Omfattningen av denna artikel kommer att fokusera på en aspekt av exekutiv funktion, nämligen WM (för mer information om emotionell reglering, se ref. 16–19).

WM, till skillnad från långtidsminnet (LTM), innebär transformation av minnesrepresentationer eller spår och är en informationsgenerell kognitiv onlineprocess, som traditionellt sett har ansetts vara en omodifierbar egenskap. Ändå har WM-träningsstudier visat att exekutiva funktioner generellt och WM specifikt kan förbättras (20) och att dessa förbättringar stöds av ökad prefrontal effektivitet och automatik i prefrontala-subkortikala nätverk (21, 22).

Forskning om ANS:s roll i kognition har visat att parasympatisk/vagal aktivitet kan vara en indikator på i vilken grad den prefrontala-subkortikala kretsen reglerar sina komponentsystem som svar på interna och externa krav. Specifikt har aktivitet i dessa hämmande kretsar associerats positivt med vilande HF-HRV (9, 23), och optimal funktion av dessa kretsar antas förutsäga flexibla och adaptiva svar på miljöförändringar (24). En framträdande modell som syftar till att förklara hur den dubbelriktade kommunikationen mellan CNS och ANS är en kritisk prediktor för adaptiv kognitiv framgång är Neurovisceral Integration Model, utvecklad av Thayer och kollegor (9, 23) (SI Appendix, Fig. S1).

Denna modell föreslår att HRV är ett index för prefrontal-subkortikalt hämmande inflytande över ett brett spektrum av hjärnområden som stödjer kognition, känslor och fysiologisk reaktivitet, inklusive exekutiva funktioner, WM, förväntningar på framtida resultat, emotionell reglering, emotionell respons på stress och perifer funktion (24).

Den neuroviscerala integrationsmodellen fick empiriskt stöd från studier som visar sambandet mellan HRV under vakenhet och exekutiv funktion. Jämfört med individer med lågt vilande HF-HRV (som återspeglar dålig parasympatisk vagal tonus under vaken vila), visar hög-HF-HRV-individer bättre WM-prestation [nback-uppgift (25); operationsspan-uppgift (26)] och inhiberande kontroll [dvs. Stroop-uppgift (27)].

Dessutom är träningsinducerade förändringar i kognitiv kontroll förknippade med förbättringar av parasympatisk aktivitet, och vändningen är också sant att träningsinducerad ökning av parasympatisk aktivitet också främjar kognitiv förbättring. Till exempel har kognitiv träning (visionsbaserad bearbetningshastighet) visat sig öka HF-HRV och öka aktiveringen i det prefrontala–subkortikala nätverket (22). I denna studie genomgick äldre vuxna med amnestisk mild kognitiv funktionsnedsättning 6 veckors kognitiv träning.

Jämfört med kontroller visade äldre vuxna i den aktiva träningsgruppen ökad HF-HRV och minskad prefrontal-striatal anslutning under uppgiften, vilket tyder på en effektiv prefrontal-subkortikal autonom reglering. Liknande resultat rapporterades hos friska deltagare (28). Vidare har ökande vilande HF-HRV via aerob träning rapporterats vara parallella förbättringar av WM-prestanda (27).

I denna studie tilldelades deltagarna slumpmässigt en aerob träningsgrupp och en avträningsgrupp (reducerat träningstillstånd), med vilande HF-HRV och WM mätt före och efter träningsinterventionen. Efter intervention visade den aerobiska träningsgruppen bättre HF-HRV- och WM-prestanda jämfört med kontrollgruppen för avträning, vilket tyder på en koppling mellan förstärkning av parasympatisk/vagal funktion och WM-nätverk via hjärtträning.

En potentiell mekanism för hur vagal/parasympatisk aktivitet kan gynna prefrontal funktion och WM är via modulering av noradrenalin (NE). De senaste 20 årens forskning har visat att tillsammans med den traditionella historien att den primära neuromodulatorn för vagal aktivitet är acetylkolin (ACh), modulerar vagala afferenter också NE-nivåer i hjärnan. Vagusnerven representerar huvudkomponenten i det parasympatiska nervsystemet, och aktiverande uppåtstigande fibrer i vagusnerven medierar NE:s handlingar på hjärnan (29, 30).

Terminalerna av de afferenta vagala transmissionerna är direkt inom kärnan i det solitära området, som förmedlar information till strukturer som reglerar kognition av högre ordning såsom amygdala, hippocampus och frontala cortex via en polysynaptisk väg från LC. Även om ACh är den primära neurotransmittorn i de perifera synapserna av vagusnerven, så snart informationen sprider sig till LC, blir NE den primära neuromodulatorn som förmedlar synaptisk kommunikation i CNS.

LC har två lägen för avfyring, fasisk och tonic, som påverkar prefrontal funktion. Tonisk avfyring har kopplats till stress eller upphetsning, medan fasisk avfyring har kopplats till svar på nyhet och kognition av högre ordning (31). Fasisk och tonisk aktivering är oberoende, med fasisk aktivitet optimerad vid måttlig nivå av tonisk aktivitet (32), medan förhöjd tonisk flytning kan försämra fasisk flytning (33). Hos primater kan fasisk aktivering av NE-neuroner i LC i tid med kognitiva förändringar provocera eller underlätta dynamisk omorganisation av målneurala nätverk, vilket möjliggör snabb beteendeanpassning till förändrade miljökrav (34).

Dessutom har det nyligen visats att fasisk optogenetisk aktivering av LC skyddar mot skadliga mänskliga rektangel-tau-effekter och kognitiv försämring medan stressinducerande tonisk-LC-aktivering förvärrar dess effekter (35, 36). Specifikt, i studien utförd av Omoluabi et al. (36), möss injicerades med trassligt tau, och deras LC-neuroner aktiverades i antingen fasiska eller toniska mönster. De fann att fasisk stimulering räddade möss från beteende- och LC-brist, medan tonisk stimulering ledde till förvärrade symtom.

Vidare har studier på gnagare och apor visat att optimal excitatorisk-hämmande balans av prefrontal NE, upprätthållen av olika adrenerga receptorer, (t.ex. 1 och pre- och postsynaptisk 2), har en viktig positiv inverkan på WM-prestanda (37, 38) . Experimentellt ökande NE-koncentrationer i den prefrontala cortex förbättrar responsinhibering hos gnagare och människor (39, 40).

Denna samling av forskning betonar rollen av ökad hämmande funktion under distraherande tillstånd som tjänar till att gynna WM specifikt (41) utan att ha någon fördel för hippocampus minne (42). Intressant nog ökar 2 adrenerga receptorer företrädesvis prefrontal NE och bibehåller sin optimala excitatoriska-hämmande balans, vilket i sin tur förbättrar prefrontal funktion (43-45), medan 1-receptorer åsidosätter 2-receptoraktivitet och försämrar WM-funktionen (38).

Den framväxande bilden är att olika typer av adrenerga receptorer kan spela en roll för att optimera den övergripande excitatoriska-hämmande balansen i den prefrontala cortex. Specifikt orkestrerar NE fysiologiska funktioner som växlar hjärnan och kroppen från ett icke-stressat tillstånd, där fasisk LC-aktivitet engagerar 2 receptorer och ökar prefrontal WM-funktion, till ett stressat tillstånd som stimulerar tonisk avfyring och 1-receptoraktivitet, vilket försämrar WM samtidigt som andra funktioner bibehålls. , såsom vakenhet och uppmärksamhet (46).

Hos människor har ett orsakssamband mellan vagala ingångar som modulerar LC-NE-aktivitet och kognitiva domäner som stöds av den prefrontala cortexen fastställts genom studier som aktivt manipulerar vagal tonus med vagal nervstimulering (VNS) eller icke-invasiv transkutan vagusnervstimulering (tVNS). VNS aktiverar fasiska neuronavfyrningar i LC och ökar NE-nivåerna i de prefrontala–subkortikala nätverken, inklusive neocortex, hippocampus, amygdala och andra delar av hjärnan med afferenta projektioner från LC (33, 47–49).

I en studie utförde patienter som behandlats med invasiv VNS kognitiva uppgifter med stimulering på eller av. Patienterna visade förbättrad WM-prestanda under stimuleringsperioderna jämfört med stimuleringsperioderna (50). På senare tid har tVNS visat liknande effekter som kognitiv kontroll (51). I denna studie utförde friska deltagare en hämmande kontroll (Go/NoGo) uppgift med aktiv tVNS eller skenstimulering.

I NoGo-tillståndet som krävde kognitiv hämning, resulterade tVNS i avsevärt minskad amplitud av frontala N2-händelserelaterade potentialer, en biomarkör för att kräva kognitiv kontroll, vilket tyder på att tVNS kan leda till effektivare neural bearbetning med färre resurser som behövs med framgångsrik frontal hämmande kontroll. Liknande effekter av tVNS har påvisats i en annan studie (52) där tVNS ökade frontal medellinje theta-aktivitet, vilket tros reflektera övergående aktivering av den prefrontala cortex i situationer som kräver ökad exekutiv kontroll av handlingar.

Med tanke på att vagal stimulering förstärker fasisk LC–NE och att parasympatisk aktivitet naturligt ökar under sömn utan snabba ögonrörelser (NREM), är det frestande att anta att ökningar i fasisk LC–NE-aktivitet med den naturliga ökningen av vagal parasympatisk aktivitet under sömnen kan vara en mekanism där prefrontal funktion regleras och WM-kapaciteten förbättras.

Sammantaget kan fasisk LC-NE under sömn bidra till ökad WM-kapacitet genom flera möjliga mekanismer, inklusive omorganisering av neurala representationer, eliminering av tau och/eller ökad fasisk aktivitet av LC-NE2-receptorer tillsammans med prefrontal funktion. Samtidigt är stressinducerad tonic LC–NE störande för såväl sömnen som prefrontal funktion. Nästa avsnitt kommer att granska resultaten om sambandet mellan sömn och ANS-aktivitet.

For more information:1950477648nn@gmail.com