Het meten van neurale mechanismen onderliggende slaap-afhankelijke geheugen consolidatie tijdens Nap's in de vroege kindertijd

Summary

Dit protocol beschrijft de methoden die worden gebruikt voor het onderzoeken van neurale mechanismen onderliggende slaap-afhankelijke geheugen consolidatie tijdens nap’s in de vroege kindertijd. Het omvat procedures voor het onderzoeken van het effect van slaap op gedragsgeheugen prestaties, evenals de toepassing en opname van zowel polysomnografie als actigrafie.

Abstract

Slaap is van cruciaal belang voor de dagelijkse werking. Een belangrijke functie van slaap is de consolidatie van herinneringen, een proces dat ze sterker maakt en minder kwetsbaar voor interferentie. De neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan het voordeel van slaap voor geheugen kunnen worden onderzocht met behulp van polysomnografie (PSG). PSG is een combinatie van fysiologische opnames, waaronder signalen van de hersenen (EEG), ogen (EOG) en spieren (EMG) die worden gebruikt om slaap stadia te classificeren. In dit protocol beschrijven we hoe PSG kan worden gebruikt in combinatie met gedragsgeheugenassessments, actigrafie en bovenliggend rapport om slaap-afhankelijke geheugen consolidatie te onderzoeken. De focus van dit protocol ligt op de vroege kindertijd, een periode van betekenis als kinderen overgang van bifasische slaap (bestaande uit een NAP en nachtrust) naar monofasische slaap (alleen ‘s nachts slapen). De effecten van slaap op de prestaties van het geheugen worden gemeten met behulp van een visuospatiale geheugen beoordeling over perioden van slaap en wakker-rest. Een combinatie van actigrafie en bovenliggend rapport wordt gebruikt om slaap ritmes te beoordelen (d.w.z. het karakteriseren van kinderen als gewone of niet-gewone nappers). Ten slotte wordt PSG gebruikt om de slaap stadia en kwaliteiten van die stadia (zoals frequenties en de aanwezigheid van spindels) tijdens nap’s te karakteriseren. Het voordeel van het gebruik van PSG is dat het de enige tool is die momenteel beschikbaar is om de slaapkwaliteit en slaap architectuur te beoordelen, wijzend op de relevante hersentoestand die geheugen consolidatie ondersteunt. De belangrijkste beperkingen van PSG zijn de tijdsduur die het duurt om de opname montage voor te bereiden en dat opnames meestal worden overgenomen van een gekochte slaap. Deze beperkingen kunnen worden overwonnen door jonge deelnemers te betrekken bij afleidende taken tijdens het gebruik en het combineren van PSG met actigrafie en zelf/ouder-rapport maatregelen om slaap cycli te karakteriseren. Samen, deze unieke combinatie van methoden maakt het mogelijk voor onderzoek naar hoe nap’s ondersteunen leren in voorschoolse kinderen.

Introduction

Gezien de prevalentie van slaap in onze dagelijkse routine, is het belangrijk om zijn functie te begrijpen. Studies met deze doelstelling vereisen een precieze meting van de slaap. Polysomnography (PSG) is de goud-standaard maat van de slaap. PSG zorgt voor objectieve, kwantitatieve meting van de slaap met een hoge temporele resolutie en kan nuttig zijn voor zowel onderzoek als klinische doeleinden. PSG is een combinatie van fysiologische opnames. Een PSG-montage omvat minimaal de volgende maatregelen: elektro-encefalografie (EEG), elektrooculografie (EOG) en elektro myografie (EMG). Deze maatregelen beoordelen elektrische potentialen van de hersenen, de ogen, en spieren respectievelijk, en toestaan voor de indeling van de slaap stadia (Zie Figuur 1). Andere maatregelen, zoals elektrocardiografie (ECG), ademhaling, en Pulse oximetrie kunnen worden opgenomen om de aanwezigheid van ongeordende slaap te identificeren.

Figuur 1: voorbeeld van de plaatsing van de elektrode en beschrijving van de activiteit vastgelegd via PSG. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

PSG laat slaap worden gekarakteriseerd in vier verschillende slaap stadia: niet-snelle oogbeweging (Non-REM) fase 1 (nREM1; 4 − 7 Hz), Non-REM fase 2 (nREM2; 12 − 15 Hz) en Non-REM fase 3 (beter bekend als Slow Wave Sleep [SWS]; 0,5 − 4 Hz) en Rapid-Eye-beweging (REM slaap. nREM1 markeert de slaap begin, en wordt geïdentificeerd op basis van verminderde spierspanning in de EMG heroverd en gemengde amplitude EEG oscillaties ten opzichte van de Alfa waargenomen in rust wakker. Dit wordt gevolgd door nREM2, die kan worden onderscheiden door de aanwezigheid van slaap spindels (korte uitbarstingen van Sigma frequentie activiteit; 11 − 16 Hz) en K-complexen (enkele langzame golven die zich onderscheiden van de omringende activiteit) in het EEG. SWS wordt gekenmerkt door verschillende langzame frequentie-oscillaties met hoge amplitude. REM-slaap wordt gekenmerkt door snelle lage-amplitude oscillerende hersenactiviteit zeer vergelijkbaar met die waargenomen tijdens de Wake. Echter, wat REM-slaap van wakker onderscheidt, is dat het ook wordt gekenmerkt door fasische snelle oogbewegingen (vandaar de moniker REM) en spier atonia. In de loop van een slaap bout, slaap stadia worden cyclisch ervaren, met een snelheid van ongeveer 90 min/cyclus.

Slaap volgt ook het circadiane ritme, met slaap aanvallen plaatsvinden in 24-h cycli. Slaap timing en consistentie kunnen invloed hebben op de slaapfunctie en zijn ook belangrijk om te beoordelen. Hoewel PSG noodzakelijk is om slaap stadia te karakteriseren, is het tijdrovend om toe te passen en daarom niet ideaal voor het beoordelen van meerdere slaap aanvallen (bijv. meerdere nachten slaap, nap’s en nachtrust). Voor dit, actigrafie is gunstig. Actigrafie maakt gebruik van een Tri-axiale versnellingsmeter, meestal op de pols, om de slaap te schatten op basis van de afwezigheid van beweging. Hoewel actigrafie niet kan worden gebruikt om de slaap stadia te karakteriseren, is aangetoond dat het betrouwbaar is bij het detecteren van de slaap begin en het begin van de Wake (inclusief slaap fragmentatie of ontwaken na slaap begin) in een reeks populaties van baby’s¹ tot oudere volwassenen² . Zowel PSG als actigrafie zijn de voorkeurs methoden voor zelf-/moederrapport metingen. Zelf/ouder-rapport maatregelen zijn eenvoudig te beheren en relatief goedkoop, maar ze zijn ook onderhevig aan bias en niet-naleving. Ten slotte is het vermeldenswaard dat deze methoden kunnen worden gebruikt in combinatie om te kapitaliseren op de sterke punten van elk. Zo kan PSG worden gecombineerd met actigrafie en/of zelf/ouder-rapport om zowel de nachtelijke slaapkwaliteit te verkrijgen als de controle van slaap hoeveelheden of slaap-waak cycli, vooral over lange duur (bijv. weken of maanden).

Een functie van de slaap die bijzondere interesse heeft vergaard is slaap-afhankelijke geheugen consolidatie, de verwerking van herinneringen die hen sterker en minder kwetsbaar voor interferentie³laat. Hoewel geheugen consolidatie kan plaatsvinden tijdens de wake bij kinderen⁴ en volwassenen⁵, is er aanzienlijke bewijs dat consolidatie wordt verbeterd tijdens de slaap. Afgelopen onderzoek heeft gedrags voorbeelden van slaap-afhankelijke geheugen consolidatie gegeven door het vergelijken van veranderingen in de geheugenprestaties na een slaap interval (bijv. 8 pm − 8 am) tot veranderingen na een gelijkwaardig interval dat wakker is (bijv. 8 am − 8 pm). Bij volwassenen, herinneringen worden beschermd⁶ of zelfs verbeterd⁷ na een slaap interval terwijl herinneringen meestal verval over een equivalente interval van Wake. Er zijn besturingselementen gebruikt die de prestatie wijzigingen van circadiane invloeden op^8,9,10dissociëren. Vergelijkbare voordelen van slaap worden bijvoorbeeld waargenomen bij het vergelijken van prestaties over een Mid-Day NAP naar een equivalente Mid-Day Wake period⁹.

Hoewel slaap ooit werd gedacht aan een passief proces weerspiegelen, gewoon het beschermen van herinneringen van verval of interferentie, moderne theorieën suggereren slaap speelt een actievere rol en eigenlijk bevordert geheugen door heractiveringen^{11,12 ,13}. Ondersteuning voor dit komt uit waargenomen correlaties tussen gedragsmaatregelen van geheugen consolidatie over de slaap (verandering in geheugen terugroepen na slaap in vergelijking met voor slaap) en specifieke aspecten van slaap fysiologie. Voor veel declaratieve geheugen taken, geheugen consolidatie wordt geassocieerd met aspecten van non-REM-slaap, specifiek maatregelen van SWS of slaap spindels gevonden in nREM2 en SWS. Als de rol van de slaap passieve bescherming tegen interferentie was, zou een dergelijke correlatie niet worden verwacht; eerder een correlatie tussen de tijd in slaap (ongeacht de slaap fase) en de prestaties zou worden verwacht, als meer tijd in slaap zou bieden meer bescherming tegen interferentie¹⁴.

Aanvullende ondersteuning voor de actieve rol van SWS in geheugen consolidatie is duidelijk in studies van gerichte geheugen reactivering. In deze studies, een geheugen wordt geleerd in de context van een perceptuele Hint, bijvoorbeeld een geur, en terugroepen van het geheugen is groter na de slaap als de hint opnieuw wordt gepresenteerd tijdens de slaap, SWS in het bijzonder¹⁵. Hoewel het onderliggende mechanisme wordt besproken^16,17, een prominente theorie, systemen consolidatie theorie, beweert dat herinneringen gecodeerd in de Hippocampus worden gestabiliseerd in de cortex hoewel hippocampal-neocortical dialoog. Specifiek, corticale langzame golven en slaap spindels, die optreden in combinatie met hippocampal rimpelingen geassocieerd met geheugen reactivering, ondersteuning van de geheugen overdracht³.

De rol van slaap in geheugen consolidatie tijdens de ontwikkeling is minder duidelijk. Vroege kindertijd is een periode van bijzonder belang als kinderen beginnen te overstappen van een bifasische (bestaande uit een dutje van een dag en een nachtelijke slaap bout) naar een monofasisch slaappatroon. Recent onderzoek suggereert dat deze overgang kan weerspiegelen de hersenen rijping¹⁸. Dit argument is consistent met empirische gegevens die veranderingen in de ontwikkeling van de nachtrust (d.w.z. topografie van langzame Golf activiteit) spiegelen die van corticale rijping¹⁹.

Hoewel er verschillende gedrags demonstraties van de nachtelijke slaap-afhankelijke consolidatie bij kinderen^20,21 en zuigelingen²², onderzoek naar de neurale onderbouwing van geheugen consolidatie met Mid-Day slaap zijn net beginnen te worden onderzocht. In baanbrekend werk dat de rol van Mid-Day nap’s op het geheugen in voorschoolse kinderen onderzoekt, werden nap’s getoond om herinneringen van recent geleerde informatie te beschermen, terwijl het geheugen werd verlaagd (door ~ 12%) Wanneer kinderen wakker bleven tijdens het NAP-interval²³. Dit “NAP-voordeel” was het grootst bij kinderen die gewoonlijk (d.w.z. 5 of meer keer per week, zoals gemeten met actigrafie), onafhankelijk van hun leeftijd, hebben aangeboord. Door het opnemen van PSG tijdens het NAP bleek de verandering in de geheugenprestaties over de NAP-periode specifiek te zijn gekoppeld aan de slaap-spil dichtheid (het aantal slaap spindels per minuut van nREM), wat suggereert dat NAP-kwaliteit (geen hoeveelheid) een kritieke factor was in bevordering van geheugen retentie (Zie de sectie representatieve resultaten).

Deze studie belicht de betekenis van PSG in het verkennen van de relaties tussen slaap en geheugen tijdens de ontwikkeling. Het wijst op het belang van het karakteriseren van slaap macro-(slaap stadia) en micro-(kwaliteiten van die stadia zoals frequenties en de aanwezigheid van spindels) structuren tijdens nap’s voor geheugen consolidatie. Het benadrukt ook het belang van het beoordelen van slaap ritmes (karakteriseren van kinderen als gewone of niet-gewone nappers). Hoewel ons werk de functie van nap’s in visuospatial learning heeft gekarakteriseerd (en meer recentelijk emotionele²⁴ en procedurele²⁵ -leren), blijven er veel vragen over. Het is bijvoorbeeld belangrijk om andere declaratieve geheugen taken te onderzoeken om de generalizability van deze bevindingen te beoordelen en om taken te beoordelen die in voorschoolse klaslokalen worden gebruikt om specifieke parameters te begrijpen (bijvoorbeeld het bedrag van NAP-voordeel ten opzichte van leren) voor ecologisch geldige taken. Extra werk zal ook nodig zijn om te begrijpen wanneer wakker voldoende is voor geheugen consolidatie. Ons doel is dus om het proces van het meten van slaap en slaap-afhankelijke geheugen consolidatie bij kinderen te demystificeren. We bieden praktische tips voor het onderzoeken van het voordeel van een middagdutje op declaratief geheugen bij het ontwikkelen van kleuters (ongeveer 3 tot 4 jaar oud) met behulp van een computergestuurde visuospatiale geheugen taak en methoden voor het beoordelen van gegemanierd NAP met behulp van actigrafie, ouder-rapport en NAP-fysiologie met behulp van PSG. Hoewel deze methoden zijn ontwikkeld voor voorschoolse leeftijd kinderen die met wisselende frequentie NAP, deze methoden kunnen worden aangepast aan elke leeftijdsgroep.

Protocol

Voorafgaand aan het begin van een onderzoekprocedures, schriftelijke toestemming moet worden verkregen van de ouder en mondelinge toestemming moet worden verkregen van het kind voor alle studie procedures. Opmerking: Zie afbeelding 2 voor een overzicht van de procedures. Figuur 2: overzicht van het protocol. Elk vierkant vertegenwoordigt één dag. <…

Representative Results

Met behulp van de hier beschreven procedures, Kurdziel en collega’s23 onderzocht slaap-afhankelijke geheugen consolidatie tijdens nap’s in voorschoolse kinderen. De resultaten toonden de juistheid van de terugroepactie van kinderen op de taak visuospatiaal geheugen nadat een NAP beter was dan hun Recall-nauwkeurigheid na een vergelijkbare periode waarin ze wakker bleven (d.w.z. een “NAP-voordeel”, Figuur 4). Bovendien, degenen die de voorgaande dag…

Discussion

In dit artikel wordt beschreven hoe om te onderzoeken slaap afhankelijke consolidatie van declaratief geheugen tijdens nap’s in de vroege kindertijd. Methoden omvatten gedrags beoordeling van het geheugen over NAP en wakker omstandigheden, actigrafie en ouder-rapport om te beoordelen van de cycli van de slaap, en PSG om te beoordelen van de slaap architectuur. Deze unieke combinatie is essentieel voor het beoordelen van geheugen, het karakteriseren van slaap cycli, en het onderzoeken van de neurale mechanismen onderligge…

Materials

Actiwatch Spectrum Plus Starter Kit	Philips Respironics	1109516	Includes: Actiwatch Spectrum Plus Device, Actiware Software License, and manual
Actiware software	Philips Respironics	1114828	Alternatives may be available.
Brain Analyzer	Brain Products	BV-BP-170-1000	Alternatives may be available.
Dell Latitude 5580 Laptop	Dell	X5580T [210-AKJR]	Laptop for running MatLab, Actiware, and RemLogic as well as storing/uploading data
EC2 cream	Grass	12643	Possible alternatives include Ten20 paste and Lic2 electride cream
Embla REMLogic software	Natus Medical Inc.	21475	Alternatives may be available.
Embletta MPR PG Sys – XR – US	Natus Medical Inc.	12077	Embletta system for PSG recordings
Embletta MPR ST + Proxy Kit	Natus Medical Inc.	12696	Attachment to Embletta to record PSG sensors
Nuprep cleaning solution	Natus Medical Inc.	12643	Possible alternatives may be available.
Sleep Supplies Starter Kit for Embletta MPR ST/ST + Proxy	Natus Medical Inc.	12643	Started kit for sleeping including guaze, EC2 cream, NuPrep cleaning solution, cotton swabs and more.