מדידת מנגנונים עצביים בבסיס קונסולידציה זיכרון תלויי שינה במהלך התנומה בגיל הרך
Summary
פרוטוקול זה מתאר שיטות המשמשות לבדיקת מנגנונים עצביים המשמשים לאיחוד זיכרון תלוי שינה במהלך התנומות בילדות המוקדמת. היא כוללת הליכים לבדיקת השפעת השינה על ביצועי זיכרון התנהגותי, כמו גם יישום והקלטה של שני פוליסוגרפיה ואקטגרפיה.
Abstract
השינה היא קריטית לתפקוד יומיומי. פונקציה חשובה אחת של שינה היא איחוד של זיכרונות, תהליך שהופך אותם חזק יותר ופגיע פחות להפרעות. המנגנונים העצביים המשמשים את התועלת של שינה לזיכרון ניתן לחקור באמצעות polysomnography (PSG). PSG הוא שילוב של הקלטות פיזיולוגיות כולל אותות מן המוח (EEG), עיניים (EOG), ואת השרירים (EMG) המשמשים לסווג שלבי שינה. בפרוטוקול זה, אנו מתארים כיצד PSG יכול לשמש בשילוב עם הערכות זיכרון התנהגותי, actigraphy, ו-דוח אב לבחון איחוד זיכרון תלויי שינה. המוקד של פרוטוקול זה הוא בגיל הרך, תקופה של משמעות כאשר ילדים מעבר משינה biphasic (המורכבת של תנומה ושינה לילה) כדי לישון מונוחסיק (לילה לישון בלבד). השפעות השינה על ביצועי הזיכרון נמדדות באמצעות הערכת זיכרון ויזואוארית לאורך תקופות שינה ומנוחה בלבד. שילוב של דו ח האקטגרפיה ודוח אב משמש להערכת מקצבים שינה (כלומר, אפיון הילדים כבודדים או שאינם משומשים). לבסוף, PSG משמש לאפיון שלבי שינה ואיכויות של שלבים אלה (כגון תדרים ונוכחות של צירים) במהלך התנומות. היתרון של שימוש PSG הוא שזה הכלי היחיד הזמין כרגע להעריך איכות שינה ואדריכלות לישון, הצבעה על מצב המוח הרלוונטי התומך באיחוד זיכרון. המגבלות העיקריות של PSG הם משך הזמן שלוקח להכין את מונטאז ההקלטה וההקלטות הננקטות בדרך כלל על שינה אחת קנה. ניתן להתגבר על מגבלות אלה על-ידי השתתפות משתתפים צעירים במשימות מסיחה הדעת במהלך היישום ושילוב PSG באמצעות הקטיגרפיה ובאמצעים עצמיים/הורים לאפיון מחזורי שינה. יחד, שילוב ייחודי זה של שיטות מאפשר חקירה לגבי איך תנומות התמיכה למידה בילדים בגן.
Introduction
השכיחות של השינה בשגרה היומית שלנו, חשוב להבין את תפקידה. מחקרים עם מטרה זו דורשים מדידה מדויקת של שינה. פוליסומגרפיה (PSG) הוא מדד בתקן זהב של שינה. PSG מאפשר אובייקטיבי, מדידה כמותית של שינה עם רזולוציה גבוהה בזמן והוא יכול להיות שימושי הן מחקר ומטרות קליניות. PSG הוא שילוב של הקלטות פיזיולוגיות. לפחות, מונטאז א כולל את הצעדים הבאים: אלקטרונצגרפיה (EEG), אלקטרונוקולוגרפיה (EOG), ואלקטרומגרפיה (EMG). אמצעים אלה משלבים את הפוטנציאל החשמלי מהמוח, העיניים והשרירים בהתאמה, ומאפשרים סיווג של שלבי שינה (ראה איור 1). אמצעים אחרים, כגון אלקטרוקרדיוגרפיה (א. ג. א), נשימה וחמצן עשויים להיכלל כדי לזהות נוכחות של שינה מלא מעשית.
איור 1: מיקום האלקטרודה לדוגמה ותיאור הפעילות שנרשמה באמצעות PSG. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
PSG מאפשר לישון להיות מאופיין לארבעה שלבי שינה נפרדים: תנועת עיניים שאינה מהירה (שאינה REM) שלב 1 (nREM1; 4-7 Hz), לא-ראם שלב 2 (nREM2; 12-15 Hz), ושלא-ראם שלב 3 (הידוע יותר בכינויו שינת גל איטית [SWS]; 0.5-4 Hz) ותנועת עיניים מהירה (REM ישון. nREM1 מציין התפרצות שינה, והוא מזוהה על בסיס טונוס שרירים מופחתת ב-EMG ההמרה ואת משרעת מעורבת EEG תנודות ביחס אלפא נצפתה בהתעוררות מנוחה. זה ואחריו nREM2, אשר יכול להיות מכובד על ידי נוכחות של הצירים שינה (התפרצויות קצרות של פעילות תדר סיגמא; 11-16 Hz) ו-K-מתחמי (בודד איטי גלים כי להתבלט מן הפעילות הסובבת) ב-EEG. SWS מאופיין על ידי שונות בתדר איטי באמצעות משרעת גבוהה EEG תנודות. שינה REM מאופיינת במהירות נמוכה משרעת פעילות המוח מנדנוד דומה מאוד לזה שנצפה במהלך ההתעוררות. עם זאת, מה המבדיל REM שינה מן ההתעוררות היא כי הוא מאופיין גם על ידי תנועות העין phasic מהירה (ומכאן REM כינוי) ושריר atonia. במהלך התחרות שינה, שלבי השינה מנוסים מחזוריות, בקצב של כ 90 דקות/מחזור.
שינה גם מלווה את קצב המעגל, עם התקפי שינה המתרחשים 24-h מחזורים. תזמון שינה ועקביות עשויים להשפיע על תפקוד השינה וחשוב גם להעריך. למרות PSG יש צורך לאפיין את שלבי השינה, זה זמן רב ליישם ולכן לא אידיאלי להערכת התקפי שינה מרובים (למשל, לילות מרובות של שינה, תנומות ושינה לילה). . בשביל זה, האקטגרפיה מועילה אקטגרפיה משתמשת בתאוצה tri-צירית, בדרך כלל על פרק כף היד, כדי להעריך את השינה על בסיס העדר תנועה. למרות האקטגרפיה לא ניתן להשתמש כדי לאפיין את שלבי השינה, זה הוכח להיות אמין בגילוי התפרצות שינה והתעוררות ההתעוררות (כולל פיצול שינה או להתעורר לאחר הופעת השינה) במגוון של אוכלוסיות מתינוקות1 למבוגרים2 . הן PSG ו האקטגרפיה הן שיטות מועדפות באמצעות מדדים עצמית/הורה-דוח. מדידות עצמית/הורה-דוח קל לנהל וזול יחסית, עם זאת, הם כפופים גם הטיה ואי ציות. לבסוף, ראוי לציין כי ניתן להשתמש בשיטות אלה בשילוב כדי לנצל את היתרונות של כל אחד מהם. לדוגמה, PSG יכול להיות משולב עם האקטגרפיה ו/או באמצעות דו ח עצמי/ההורה כדי לקבל הן איכות השינה לילה, כמו גם אימות של כמויות שינה או מחזורי התעוררות השינה, במיוחד על משכים ארוכים (למשל, שבועות או חודשים).
פונקציה אחת של שינה שצברה עניין מיוחד היא איחוד זיכרון תלויי שינה, עיבוד הזיכרונות שמשאיר אותם חזקים יותר ופגיעים פחות להפרעות3. למרות שאיחוד הזיכרון יכול להתקיים במהלך ההתעוררות אצל ילדים4 ומבוגרים5, יש ראיות משמעותיות כי האיחוד הוא משופר במהלך השינה. מחקרים שנערכו בעבר סיפקו דוגמאות התנהגותיות לאיחוד זיכרון תלוי-שינה על-ידי השוואת שינויים בביצועי זיכרון לאחר מרווח של שינה (לדוגמה, 08:08:00) לשינויים בעקבות מרווח שווה ערך שהושקע בערה (לדוגמה, 08:08:00). במבוגרים, זיכרונות מוגנים6 או אפילו משופר7 בעקבות מרווח של שינה בעוד הזיכרונות בדרך כלל להירקב על פני מרווח שווה ערך של התעוררות. מועסקים בפקדים שאינם משתמשים בשינויים בביצועים מהשפעות אחראי8,9,10. לדוגמה, יתרונות דומים של שינה נשמרים בעת השוואת ביצועים במהלך שינה באמצע היום ועד לתקופת התעוררות שוות-ערך של אמצע היום9.
למרות ששינה חשבה לשקף תהליך פסיבי, פשוט להגן על זיכרונות מפני ריקבון או הפרעה, תיאוריות מודרניות מרמזות על שינה תפקיד פעיל יותר ולמעשהמקדמת את הזיכרון באמצעותהפעלות 11,12 ,13. תמיכה עבור זה נובע מיחסי הציבור הנצפים בין צעדים התנהגותיים של קונסולידציה זיכרון על פני השינה (לשנות את הזיכרון להיזכר לאחר השינה לעומת לפני השינה) והיבטים ספציפיים של פיזיולוגיה שינה. עבור משימות זיכרון הצהרתי רבות, איחוד זיכרון משויך להיבטים של שינה שאינה REM, במיוחד מדדים של SWS או הצירים לשינה שנמצאו ב-nREM2 ו-SWS. אם תפקיד השינה היה הגנה פסיבית מפני הפרעות, מתאם כזה לא צפוי; מתאם בין הישנות הזמן (ללא קשר לשלב השינה) והביצועים צפויים, ככל ששינה רבה יותר תספק הגנה רבה יותר מהפרעות14.
תמיכה נוספת עבור התפקיד הפעיל של SWS באיחוד זיכרון ניכרת במחקרים של הפעלה מראש של זיכרון ממוקד. במחקרים אלה, הזיכרון נלמד בהקשר של הרמז התפיסתי, למשל ריח, והחזרה של הזיכרון הוא יותר לאחר השינה אם האות מוצג מחדש במהלך השינה, SWS בפרט15. למרות המנגנון הבסיסי הוא התווכחו16,17, אחת תיאוריה בולטת, המערכת התיאוריה קונסולידציה, לטענת כי הזיכרונות המקודדים בהיפוקמפוס מיוצב בקליפת המוח למרות היפוקמאל-הידברות דיאלוג. במיוחד, גלי המוח איטי והצירים לישון, המתרחשים בשילוב עם גלים היפוקמאל הקשורים ההפעלה זיכרון, תמיכה העברת זיכרון3.
תפקיד השינה באיחוד הזיכרון במהלך הפיתוח הוא פחות ברור. הילדות המוקדמת היא תקופה של עניין מיוחד כאשר הילדים מתחילים לעבור מתוך biphasic (המורכב של תנומה באמצע היום והתקף שינה לילה) לתבנית שינה מונוחסית. מחקרים אחרונים מראים כי מעבר זה עשוי לשקף התבגרות המוח18. טיעון זה מתאים לנתונים אמפיריים המציגים שינויים התפתחותיים בשינה לילה (כלומר, טופוגרפיה של פעילות גל איטית) מראות של התבגרות בקליפת הראש19.
למרות שישנן מספר הפגנות התנהגותיות של איחוד תלוי לילה בילדים20,21 ו תינוקות22, מחקר על התחתון נוירופינגס של איחוד זיכרון עם שינה באמצע היום הם רק מתחיל להיחקר. בעבודה פורצת דרך לבחון את התפקיד של התנומות באמצע היום על הזיכרון בגן הילדים, התנומות הוכחו כדי להגן על זיכרונות של מידע שנלמד לאחרונה, בעוד זיכרון הופחת (על ידי ~ 12%) כשהילדים נשארו ערים בזמן השינה23. זה “יתרון שינה” היה הגדול ביותר אצל ילדים שהיו מנמנמת (כלומר, 5 פעמים או יותר בשבוע כפי שנמדד עם האקטגרפיה) ללא קשר לגילם. על-ידי הקלטת psg במהלך התנומה, השינוי בביצועי הזיכרון לאורך תקופת התנומה נמצא קשור במיוחד לצפיפות ציר השינה (מספר הצירים לשינה לדקה של nrem), הרומז על איכות התנומה (לא כמות) היה גורם קריטי ב קידום שמירת הזיכרון (עיין בסעיף התוצאות המייצג).
מחקר זה מדגיש את המשמעות של PSG בחקר היחסים בין שינה לבין זיכרון במהלך הפיתוח. הוא מצביע על החשיבות של אפיון מאקרו שינה-(שלבי השינה) ומיקרו-(איכויות של שלבים כגון תדרים ונוכחות של צירים) מבנים במהלך התנומות לאיחוד זיכרון. כמו-כן, היא מדגישה את החשיבות של הערכת מקצבים שינה (אפיון הילדים כנאפה או שאינו הרגל הרגיל). למרות עבודתנו יש לאפיין את הפונקציה של תנומות בלמידה ויזואומרחבית (ולאחרונה רגשית24 ו פרוצדורליים25 לימוד), שאלות רבות נותרו. למשל, יהיה חשוב לבדוק משימות זיכרון הצהרתי אחרות כדי להעריך את היכולת המידיתית של ממצאים אלה ולהעריך משימות המשמשות כיתות גן כדי להבין פרמטרים ספציפיים (למשל, כמות הטבה לנמנום ביחס ללמידה) עבור משימות חוקיות מבחינה אקולוגית. עבודה נוספת תהיה נחוצה גם כדי להבין מתי ההתעוררות מספיקה לאיחוד הזיכרון. לפיכך, המטרה שלנו היא להכפיש את התהליך של מדידת שינה ושינה בזיכרון לקונסולידציה בילדים. אנו מספקים עצות מעשיות לבדיקת היתרון של נמנום אחר הצהריים על זיכרון הצהרתי בדרך כלל לפתח גיל הרך (כ 3 עד 4 שנים של גיל) באמצעות משימה ממוחשבת הזיכרון ויזואומרחבית כמו גם שיטות להערכת נמנום habituality באמצעות הקטיגרפיה, דוח הורים ופיזיולוגיה של nap באמצעות PSG. למרות ששיטות אלה פותחו עבור ילדים בגיל הרך התנומה בתדירות שונים, שיטות אלה יכול להיות מותאם לכל קבוצת גיל.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה מתאר כיצד לחקור איחוד תלוי-שינה של זיכרון הצהרתי בזמן השינה בילדות המוקדמת. השיטות כוללות הערכה התנהגותית של זיכרון בתנאים של נמנום והערות, האקטגרפיה והורה-דוח להערכת מחזורי שינה, ו PSG כדי להעריך את ארכיטקטורת השינה. שילוב ייחודי זה הוא קריטי להערכת זיכרון, אפיון מחזורי שינה, ובחינ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות המעבדה לפיתוח נוירוקוגניטיבי באוניברסיטת מרילנד, המכללה פארק ומעבדת Somneuro באוניברסיטת מסצ, אמהרסט לסיוע בפרויקט זה. המימון סופק על ידי NIH (HD094758) ו NSF (BCS 1749280) ל-TR ו-RS. התוצאות הייצוגיות מומנו על ידי NIH HL111695.
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. |
References
- Sadeh, A., Acebo, C., Seifer, R., Aytur, S., Carskadon, M. A. Activity-based assessment of sleep-wake patterns during the 1st year of life. Infant Behavioral Development. 18 (3), 329-337 (1998).
- Sadeh, A., Urbach, D., Lavie, P. Actigraphically-based automatic bedtime sleep-wake scoring: Validity and clinical applications. Journal Ambulatory Monitoring. 2 (3), 209-216 (1989).
- Rasch, B., Born, J. About sleep’s role in memory. Physiological Reviews. 93, 681-766 (2013).
- Werchan, D. M., Gómez, R. L. Wakefulness (not sleep) promotes generalization of word learning in 2.5-year-old children. Child Development. 85 (2), 429-436 (2014).
- Wang, J. Y., Weber, F. D., Zinke, K., Inostroza, M., Born, J. More effective consolidation of episodic long-term memory in children than adults-unrelated to sleep. Child Development. 89 (5), 1720-1734 (2018).
- Sonni, A., Spencer, R. M. C. Sleep protects memories from interference in older adults. Neurobiology of Aging. 36 (7), 2272-2281 (2015).
- Marshall, L., Helgadóttir, H., Mölle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
- Baran, B., Wilson, J., Spencer, R. M. C. REM-dependent repair of competitive memory suppression. Experimental Brain Research. 203 (2), 471-477 (2010).
- Diekelmann, S., Born, J. The memory function of sleep. Nature Reviews Neuroscience. 11 (2), 114-126 (2010).
- Stickgold, R. Sleep dependent memory consolidation. Nature. 437 (27), 1272-1278 (2005).
- Dudai, Y., Karni, A., Born, J. The consolidation and transformation of memory. Neuron. 88 (1), 20-32 (2010).
- Feld, G. B., Born, J. Sculpting memory during sleep: concurrent consolidation and forgetting. Current Opinion in Neurobiology. 44, 20-27 (2017).
- Staresina, B. P., et al. Hierarchical nesting of slow oscillations, spindles and ripples in the human hippocampus during sleep. Nature Neuroscience. 18 (11), 1679-1686 (2015).
- Ellenbogen, J. M., Payne, J. D., Stickgold, R. The role of sleep in declarative memory consolidation: passive, permissive, active or none?. Current Opinion Neurobiology. 16 (6), 716-722 (2006).
- Oudiette, D., Paller, K. A. Upgrading the sleeping brain with targeted memory reactivation. Trends in Cognitive Sciences. 17 (3), 142-149 (2013).
- Yonelinas, A. P., Ranganath, C., Ekstrom, A. D., Wiltgen, B. J. A contextual binding theory of episodic memory: systems consolidation reconsidered. Nature Reviews Neuroscience. 20, 364-375 (2019).
- Antony, J. W., Schapiro, A. C. Active and effective replay: systems consolidation reconsidered again. Nature Reviews Neuroscience. , (2019).
- Lam, J., Mahone, E. M., Mason, T., Scharf, S. M. The effects of napping on cognitive function in preschoolers. Journal of Developmental & Behavioral Pediatrics. 32 (2), 90-97 (2011).
- Kurth, S., Ringli, M., Geiger, A., Lebourgeois, M., Jenni, O. G., Huber, R. High-density sleep electroencephalogram study. Journal of Neuroscience. 30 (40), 13211-13219 (2010).
- Backhaus, J., Hoeckesfeld, R., Born, J., Hohagen, F., Junghanns, K. Immediate as well as delayed post learning sleep but not wakefulness enhances declarative memory consolidation in children. Neurobiology of Learning and Memory. 89 (1), 76-80 (2008).
- Wilhelm, I., Diekelmann, S., Born, J. Sleep in children improves memory performance on declarative but not procedural tasks TT – Bei Kindern verbessert Schlaf die Gedächtnisleistung für deklarative aber nicht für prozedurale Aufgaben. Learning and Memory. 15 (5), 373-377 (2008).
- Seehagen, S., Konrad, C., Herbert, J. S., Schneider, S. Timely sleep facilitates declarative memory consolidation in infants. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (5), 1625-1629 (2015).
- Kurdziel, L., Duclos, K., Spencer, R. M. C. Sleep spindles in midday naps enhance learning in preschool children. Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America. 110 (43), 17267-17272 (2013).
- Kurdziel, L. B. F., Kent, J., Spencer, R. M. C. Sleep-dependent enhancement of emotional memory in early childhood. Scientific Reports. 8 (12609), 1-10 (2018).
- Desrochers, P. C., Kurdziel, L. B. F., Spencer, R. M. C. Delayed benefit of naps on motor learning in preschool children. Experimental Brain Research. 234 (3), 763-772 (2016).
- Maldonado, C. C., Bentley, A. J., Mitchell, D. A pictorial sleepiness scale based on cartoon faces. Sleep. 27 (3), 541-548 (2004).
- Stern, R. A., Arruda, J. E., Hooper, C. R., Wolfner, G. D., Morey, C. E. Visual analogue mood scales to measure internal mood state in neurologically impaired patients: Description and initial validity evidence. Aphasiology. 11 (1), 59-71 (1997).
- Plihal, W., Born, J. Effects of early and late nocturnal sleep on indicators of procedural and declarative memory. Journal of Cognitive Neuroscience. 9 (4), 534-547 (1997).
- Donohue, K. C., Spencer, R. M. C. Continuous re-exposure to environmental sound cues during sleep does not improve memory for semantically unrelated word pairs. Journal of Cognitive Education and Psychology. 10 (2), 167-177 (2015).
- Wilson, J. K., Baran, B., Pace-Schott, E. F., Ivry, R. B., Spencer, R. M. C. Sleep modulates word-pair learning but not motor sequence learning in healthy older adults. Neurobiology of Aging. 33 (5), 991-1000 (2012).
- Wamsley, E. J., et al. Reduced sleep spindles and spindle coherence in schizophrenia: Mechanisms of impaired memory consolidation?. Biological Psychiatry. 71 (2), 154-161 (2012).
- Mölle, M., Bergmann, T. O., Marshall, L., Born, J. Fast and slow spindles during the sleep slow oscillation: Disparate coalescence and engagement in memory processing. Sleep. 34 (10), 1411-1421 (2011).
- Acebo, C., et al. Sleep/wake patterns derived from activity monitoring and maternal report for healthy 1- to 5-year-old children. Sleep. 28 (12), 1568-1577 (2005).
- Acebo, C., et al. Estimating sleep patterns with activity monitoring in children and adolescents: How many nights are necessary for reliable measures?. Sleep. 22 (1), 95-103 (1999).
- Geiger, A., et al. The sleep EEG as a marker of intellectual ability in school age children. Sleep. 34 (2), 181-189 (2011).
- Wagner, U., Gais, S., Born, J. Emotional memory formation is enhanced across sleep intervals with high amounts of rapid eye movement sleep. Learning and Memory. 8, 112-119 (2001).
- Gómez, R. L., Bootzin, R. R., Nadel, L. Naps promote abstraction in language-learning infants. Psychological Science. 17 (8), 670-674 (2006).
- Konrad, C., Herbert, J. S., Schneider, S., Seehagen, S. Gist extraction and sleep in 12-month-old infants. Neurobiology of Learning and Memory. 134, 216-220 (2016).
