Medição de mecanismos neurais subjacentes à consolidação da memória dependente do sono durante cochilos na primeira infância
Summary
Este protocolo descreve os métodos usados para examinar mecanismos neurais subjacentes à consolidação da memória dependente do sono durante cochilos na primeira infância. Inclui procedimentos para examinar o efeito do sono no desempenho da memória comportamental, bem como a aplicação e gravação de polissonografia e actigrafia.
Abstract
O sono é crítico para o funcionamento diário. Uma função importante do sono é a consolidação das memórias, um processo que os torna mais fortes e menos vulneráveis à interferência. Os mecanismos neurais subjacentes ao benefício do sono para a memória podem ser investigados usando a polissonografia (PSG). PSG é uma combinação de gravações fisiológicas, incluindo sinais do cérebro (EEG), olhos (EOG), e músculos (EMG) que são usados para classificar os estágios do sono. Neste protocolo, descrevemos como o PSG pode ser usado em conjunto com avaliações de memória comportamental, actigrafia e relatório pai para examinar a consolidação de memória dependente do sono. O foco deste protocolo é na primeira infância, um período de significância como a transição das crianças do sono bifálico (consistindo de um cochilo e sono noturno) para o sono monofásico (sono noturno apenas). Os efeitos do sono no desempenho da memória são medidos usando uma avaliação de memória visuoespacial em períodos de sono e descanso de vigília. Uma combinação de actigrafia e de relatório do pai é usada para avaliar ritmos do sono (isto é, caracterizando crianças como Nappers habituais ou não-habituais). Finalmente, o PSG é utilizado para caracterizar as fases do sono e as qualidades desses estágios (tais como frequências e a presença de fusos) durante cochilos. A vantagem de usar o PSG é que é a única ferramenta atualmente disponível para avaliar a qualidade do sono e a arquitetura do sono, apontando para o Estado cerebral relevante que suporta a consolidação da memória. As principais limitações do PSG são o período de tempo que leva para preparar a montagem de gravação e que as gravações são normalmente tomadas sobre um sono comprado. Essas limitações podem ser superadas envolvendo jovens participantes em tarefas de distracção durante a aplicação e combinando PSG com actigrafia e auto/pai-relatório de medidas para caracterizar os ciclos de sono. Juntos, essa combinação única de métodos permite investigações sobre como os cochilos apoiam a aprendizagem em crianças pré-escolares.
Introduction
Dada a prevalência do sono em nossa rotina diária, é importante entender sua função. Os estudos com este objetivo exigem a medida precisa do sono. A polissonografia (PSG) é a medida padrão-ouro do sono. PSG permite a medida objetiva, quantitativa do sono com definição temporal elevada e pode ser útil para a pesquisa e finalidades clínicas. PSG é uma combinação de gravações fisiológicas. No mínimo, uma montagem do PSG inclui as seguintes medidas: electroencefalografia (EEG), eletroculografia (EOG), e eletromiografia (EMG). Essas medidas avaliam os potenciais elétricos do cérebro, dos olhos e dos músculos, respectivamente, e permitem a classificação dos estágios do sono (ver Figura 1). Outras medidas, como eletrocardiografia (ECG), respiração e oximetria de pulso podem ser incluídas para identificar a presença de sono desordenado.
Figura 1: exemplo de colocação do eletrodo e descrição da atividade registrada via PSG. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
PSG permite que o sono seja caracterizado em quatro estágios distintos do sono: não-rápido movimento ocular (não-REM) estágio 1 (nREM1; 4 − 7 Hz), não-REM estágio 2 (nREM2; 12 − 15 Hz), e não-REM estágio 3 (mais comumente conhecido como sono de onda lenta [SWS]; 0.5 − 4 Hz), e movimento de olho rápido (REM dormir. nREM1 marca o início do sono, e é identificado com base no tônus muscular reduzido nas oscilações do EMG recodificação e da amplitude mista EEG em relação ao alfa observado na vigília de repouso. Isto é seguido por nREM2, que pode ser distinguido pela presença de fusos do sono (rajadas curtas da atividade da freqüência do Sigma; 11 − 16 hertz) e K-complexos (únicas lento-ondas que se destacam da atividade circunvizinha) no EEG. SWS caracteriza-se por oscilações de alta amplitude EEG distintas de frequência lenta. O sono REM caracteriza-se pela rápida atividade cerebral oscilatória de baixa amplitude muito semelhante àquela observada durante a vigília. Entretanto, o que distingue o sono do rem da vigília é que é caracterizado igualmente por movimentos de olho rápidos fásica (daqui o REM do moniker) e atonia do músculo. Ao longo de uma luta de sono, estágios do sono são experientes ciclicamente, a uma taxa de cerca de 90 min/ciclo.
O sono também segue o ritmo circadiano, com crises de sono ocorrendo em ciclos de 24 h. Tempo de sono e consistência podem influenciar a função do sono e também são importantes para avaliar. Embora o PSG seja necessário para caracterizar estágios do sono, é demorado aplicar-se e conseqüentemente não ideal para avaliar ataques múltiplos do sono (por exemplo, noites múltiplas do sono, cochilos e sono da noite). Para isso, a actigrafia é benéfica. Actigraphy usa um acelerômetro tri-axial, tipicamente no pulso, para estimar o sono baseado na ausência de movimento. Embora a actigrafia não possa ser usada para caracterizar estágios do sono, mostrou ser confiável em detectar o início do sono e o início da vigília (incluindo a fragmentação do sono ou a vigília após o início do sono) em uma escala das populações dos infantes1 aos adultos mais velhos2 . Tanto o PSG quanto a actigrafia são métodos preferidos sobre as medidas de auto/pai-relatório. Auto/pais-relatório de medidas são fáceis de administrar e relativamente barato, no entanto, eles também estão sujeitos a viés e não-conformidade. Finalmente, vale a pena notar que esses métodos podem ser usados em combinação para capitalizar sobre os pontos fortes de cada um. Por exemplo, o PSG pode ser combinado com actigrafia e/ou self/pai-relatório para obter a qualidade do sono da noite assim como a verificação de quantidades do sono ou ciclos do sono-vigília, especial sobre durações longas (por exemplo, semanas ou meses).
Uma função de sono que tem ganhou interesse particular é a consolidação da memória dependente do sono, o processamento de memórias que os deixa mais fortes e menos vulneráveis à interferência3. Embora a consolidação da memória pode ter lugar durante a vigília em crianças4 e adultos5, há evidências substanciais de que a consolidação é reforçada durante o sono. Pesquisas passadas forneceram exemplos comportamentais de consolidação da memória dependente do sono, comparando alterações no desempenho da memória após um intervalo de sono (por exemplo, 8 PM − 8 AM) a alterações após um intervalo equivalente gasto acordado (por exemplo, 8 am − 8 PM). Em adultos, as memórias são protegidas6 ou mesmo reforçada7 após um intervalo de sono, enquanto as memórias normalmente decadência sobre um intervalo equivalente de vigília. Os controles têm sido empregados que dissociam as alterações de desempenho das influências circadianas8,9,10. Por exemplo, benefícios semelhantes de sono são observados ao comparar o desempenho em um cochilo de meio dia para um período de vigília equivalente de meio dia9.
Embora o sono foi pensado uma vez para refletir um processo passivo, simplesmente protegendo memórias de decadência ou interferência, teorias modernas sugerem que o sono desempenha um papel mais ativo e realmente promove a memóriaatravés de reativações11,12 ,13. A sustentação para esta vem das correlações observadas entre medidas comportáveis da consolidação da memória sobre o sono (mudança na recordação da memória após o sono comparado a antes do sono) e aspectos específicos da fisiologia do sono. Para muitas tarefas de memória declarativa, a consolidação da memória está associada a aspectos do sono não-REM, especificamente medidas de SWS ou fusos de sono encontrados em nREM2 e SWS. Se o papel do sono era a proteção passiva da interferência, tal correlação não seria esperada; rather uma correlação entre o tempo adormecido (não obstante a fase do sono) e o desempenho seriam esperados, porque mais tempo adormecido forneceria mais proteção da interferência14.
O suporte adicional para a função ativa do SWS na consolidação da memória é evidente em estudos de reativação de memória direcionada. Nestes estudos, uma memória é aprendida no contexto de uma sugestão perceptivo, por exemplo um odor, e a recordação da memória é maior depois do sono se o CUE é reapresentado durante o sono, SWS no detalhe15. Embora o mecanismo subjacente seja debatido16,17, uma teoria proeminente, teoria da consolidação de sistemas, sustenta que as memórias codificadas no hipocampo são estabilizaram no córtice embora diálogo hippocampal-neocortical. Especificamente, ondas lentas corticais e fusos de sono, ocorrendo em conjunto com ondinhas hipocampais associadas à reativação da memória, suportam a transferência de memória3.
O papel do sono na consolidação da memória durante o desenvolvimento é menos claro. A primeira infância é um período de particular interesse como as crianças começam a transição de um bifásica (consistindo de um cochilo no meio do dia e uma luta de sono noturno) para um padrão de sono monofásico. Pesquisas recentes sugerem que essa transição pode refletir a maturação cerebral18. Este argumento é consistente com os dados empíricos que mostram mudanças desenvolventes no sono da noite (isto é, topografia da atividade de onda lenta) espelha aquele da maturação cortical19.
Embora existam várias manifestações comportamentais de consolidação dependente do sono durante a noite em crianças20,21 e lactentes22, pesquisas sobre os fundamentos neurais da consolidação da memória com sono no meio do dia são apenas começando a ser investigado. No trabalho inovador examinando o papel de cochilos no meio do dia na memória em crianças pré-escolares, cochilos foram mostrados para proteger memórias de informações recentemente aprendidas, enquanto a memória foi reduzida (por ~ 12%) Quando as crianças permaneceram acordadas durante o intervalo de cochilo23. Este “benefício da sesta” era o mais grande nas crianças que napped habitualmente (isto é, 5 ou mais vezes por a semana como medido com actigraphy) não obstante sua idade. Ao gravar PSG durante o cochilo, a alteração no desempenho da memória em todo o período de NAP foi encontrada especificamente associada à densidade do fuso do sono (o número de fusos de sono por minuto de nREM), sugerindo que a qualidade da sesta (não quantidade) foi um fator crítico na promover a retenção de memória (ver a secção de resultados representativos).
Este estudo destaca o significado do PSG em explorar as relações entre sono e memória durante o desenvolvimento. Aponta para a importância de caracterizar o sono macro-(estágios do sono) e micro-(qualidades desses estágios, tais como frequências e a presença de eixos) estruturas durante cochilos para consolidação da memória. Destaca também a importância da avaliação dos ritmos do sono (caracterizando crianças como Nappers habituais ou não habituais). Embora o nosso trabalho caracterizou a função de cochilos na aprendizagem visuoespacial (e mais recentemente emocional24 e processual25 aprendizagem), muitas questões permanecem. Por exemplo, será importante examinar outras tarefas de memória declarativa para avaliar a generalização desses achados e avaliar as tarefas usadas em salas de aula pré-escolares para compreender parâmetros específicos (por exemplo, quantidade de benefício de NAP em relação à aprendizagem) para tarefas ecologicamente válidas. Trabalhos adicionais também serão necessários para entender quando o Wake é suficiente para a consolidação da memória. Assim, nosso objetivo é desmistificar o processo de medição do sono e da consolidação da memória dependente do sono em crianças. Nós fornecemos dicas práticas para examinar o benefício de uma soneca da tarde na memória declarativa em tipicamente desenvolvendo pré-escolares (aproximadamente 3 a 4 anos de idade) usando uma tarefa de memória visuoespacial computadorizada, bem como métodos para avaliar a habitualidade da sesta usando a fisiologia da actigrafia, do pai-relatório, e da sesta usando PSG. Embora estes métodos fossem desenvolvidos para crianças da idade pré-escolar que cochilam com freqüência variando, estes métodos podiam ser adaptados a toda a faixa etária.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este artigo descreve como investigar a consolidação dependente do sono da memória declarativa durante cochilos na primeira infância. Os métodos incluem avaliação comportamental da memória em condições de NAP e acordadas, actigrafia e relatório pai para avaliar ciclos de sono e PSG para avaliar a arquitetura do sono. Esta combinação única é fundamental para avaliar a memória, caracterizar os ciclos de sono e examinar os mecanismos neurais subjacentes ao benefício do sono na memória. Os resultados represe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer ao laboratório de desenvolvimento Neurocognitivo da Universidade de Maryland, College Park e ao laboratório de Somneuro da Universidade de Massachusetts, Amherst para assistência com este projeto. O financiamento foi fornecido pela NIH (HD094758) e NSF (BCS 1749280) para TR e RS. Os resultados representativos foram financiados pela 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).
