Måle nevrale mekanismer underliggende søvn-avhengige minne konsolidering under lur i tidlig barndom

Summary

Denne protokollen beskriver metoder som brukes til å undersøke nevrale mekanismer underliggende søvn-avhengige minne konsolidering under lur i tidlig barndom. Det inkluderer prosedyrer for å undersøke effekten av søvn på atferdsdata minneytelse, samt program og opptak av både polysomnografi og actigraphy.

Abstract

Søvn er kritisk for daglig fungerer. En viktig funksjon av søvn er konsolidering av minner, en prosess som gjør dem sterkere og mindre sårbare for forstyrrelser. De nevrale mekanismene som ligger til grunn for søvnen til minne, kan undersøkes ved hjelp av polysomnografi (PSG). PSG er en kombinasjon av fysiologiske innspillinger, inkludert signaler fra hjernen (EEG), øyne (EOG) og muskler (EMG) som brukes til å klassifisere søvn faser. I denne protokollen beskriver vi hvordan PSG kan brukes sammen med atferds minne vurderinger, actigraphy og foreldre rapporter for å undersøke søvn avhengig minne konsolidering. Fokuset for denne protokollen er på tidlig barndom, en periode av betydning som barn overgang fra bifasisk søvn (bestående av en lur og overnatting søvn) til monofasisk søvn (overnatter sove bare). Effekten av søvn på minneytelse måles ved hjelp av en Tilegning minne vurdering på tvers av perioder med søvn og våken. En kombinasjon av actigraphy og foreldre rapport brukes til å vurdere søvn rytmer (dvs. karakteriserer barn som vanlig eller ikke-vanlig nappers). PSG brukes til slutt å karakterisere søvn stadier og kvaliteter av disse fasene (for eksempel frekvenser og tilstedeværelsen av aksling) under lur. Fordelen med å bruke PSG er at det er det eneste verktøyet som er tilgjengelig for å vurdere søvnkvalitet og søvn arkitektur, og peker på den relevante hjerne tilstanden som støtter minne konsolidering. De viktigste begrensningene for PSG er hvor lang tid det tar å forberede innspillingen montasje og at opptakene er vanligvis tatt over en søvn kjøpt. Disse begrensningene kan overvinnes ved å engasjere unge deltakere i forstyrrende oppgaver under påføring og kombinere PSG med actigraphy og selv/foreldre rapport tiltak for å karakterisere søvn sykluser. Sammen, denne unike kombinasjonen av metoder gjør det mulig for undersøkelser i hvordan lur støtte læring i førskolebarn.

Introduction

Gitt søvn prevalens i vår daglige rutine, er det viktig å forstå dens funksjon. Studier med dette målet krever presis måling av søvn. Polysomnografi (PSG) er en gull-standard mål på søvn. PSG tillater objektiv, kvantitativ måling av søvn med høy Temporal oppløsning og kan være nyttig for både forskning og kliniske formål. PSG er en kombinasjon av fysiologiske innspillinger. Minst, en PSG montasje inkluderer følgende tiltak: Elektroencefalogram (EEG), electrooculography (EOG), og Elektromyografi (EMG). Disse tiltakene vurderer elektriske potensialer fra hjernen, øynene og musklene, og tillater klassifisering av søvn faser (se figur 1). Andre tiltak, slik som elektrokardiografi (EKG), åndedrett og puls oksymetri, kan inkluderes for å identifisere tilstedeværelsen av forstyrrelser i søvn.

Figur 1: eksempel plassering av elektrode og beskrivelse av aktivitet som er registrert via PSG. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

PSG lar søvnen karakteriseres i fire atskilte søvn trinn: ikke-rask øyebevegelse (ikke-REM) trinn 1 (nREM1; 4 − 7 Hz), ikke-REM-trinn 2 (nREM2; 12 − 15 Hz), og ikke-REM-trinn 3 (mer kjent som langsom bølge søvn [SWS], 0,5 − 4 Hz) og rask øyebevegelse (REM søvn. nREM1 markerer søvn utbruddet, og er identifisert basert på redusert muskeltonus i EMG Recoding og blandet amplitude EEG svingninger i forhold til Alpha observert i hvile kjølvannet. Dette etterfølges av nREM2, som kan skilles ved tilstedeværelsen av søvn aksling (korte pakker med Sigma frekvens aktivitet; 11 − 16 Hz) og K-komplekser (enkelt sakte-bølger som skiller seg ut fra den omkringliggende aktiviteten) i EEG. SWS er preget av distinkte langsom frekvens høy amplitude EEG svingninger. REM søvn er preget av rask lav amplitude oscillasjon hjerne aktivitet svært lik som observert under kjølvannet. Men hva skiller REM søvn fra kjølvannet er at det er også preget av phasic raske øyebevegelser (derav kallenavnet REM) og muskel atonia. I løpet av en søvn bout, søvn stadier oppleves syklisk, med en hastighet på ca 90 min/syklus.

Søvn følger også døgnrytmen, med søvnanfall som finner sted i 24-h sykluser. Søvn timing og konsistens kan påvirke søvn funksjon og er også viktig å vurdere. Selv om PSG er nødvendig for å karakterisere søvn faser, er det tidkrevende å anvende og derfor ikke ideelt for å vurdere flere søvn utbrudd (f.eks. flere netter med søvn, lur og overnatting i dvale). For dette er actigraphy gunstig. Actigraphy bruker en tri-aksial akselerometer, vanligvis på håndleddet, for å anslå søvn basert på fravær av bevegelse. Selv om actigraphy ikke kan brukes til å karakterisere søvn faser, har det vist seg å være pålitelig ved påvisning av søvn utbruddet og vekke utbruddet (inkludert søvn fragmentering eller reaktivering etter søvn utbruddet) i en rekke populasjoner fra spedbarn¹ til eldre voksne² . Både PSG og actigraphy er foretrukne metoder fremfor selv-/foreldre rapport tiltak. Selv/Parent-rapport tiltak er enkle å administrere og relativt billig, men de er også underlagt bias og manglende overholdelse. Til slutt er det verdt å merke seg at disse metodene kan brukes i kombinasjon for å kapitalisere på styrkene til hver. For eksempel kan PSG kombineres med actigraphy og/eller selv/forelder-rapport for å få både overnatting i søvnkvalitet, samt verifisering av søvn mengder eller søvn våkne sykluser, spesielt over lang tid (f.eks. uker eller måneder).

En funksjon av søvn som har fått spesiell interesse er søvn-avhengige minne konsolidering, behandling av minner som etterlater dem sterkere og mindre sårbare for interferens³. Selv om minne konsolidering kan skje under Vekking hos barn⁴ og voksne⁵, er det betydelige bevis for at konsolideringen forbedres under søvn. Tidligere forskning har gitt atferds eksempler på søvn avhengig minne konsolidering ved å sammenligne endringer i minne ytelsen etter et intervall med søvn (f.eks. 8 pm − 8 am) til endringer etter et tilsvarende intervall som er brukt våken (f.eks. 8 am − 8 PM). Hos voksne er minnene beskyttet⁶ eller enda forbedret⁷ etter et intervall på søvn, mens minnene vanligvis råtner over et tilsvarende intervall på kjølvannet. Kontroller har vært ansatt som distansere ytelse endres fra døgn påvirkninger^8,9,10. For eksempel, lignende fordeler av sove er observert når sammenlignende gjennomførelse over en midt i-dag NAP å en ekvivalent midt i-dag våkne periode⁹.

Selv om søvn var en gang antatt å reflektere en passiv prosess, bare beskytte minner fra forfall eller interferens, moderne teorier tyder på søvn spiller en mer aktiv rolle og faktisk fremmer minne^{gjennom reaktivering ,13}. Støtte for dette kommer fra observerte sammenhenger mellom atferdsmessige tiltak for minne konsolidering over søvn (endring i minnet husker etter søvn i forhold til før søvn) og bestemte aspekter ved søvn fysiologi. For mange Deklarasjons minne oppgaver, minne konsolidering er forbundet med aspekter av ikke-REM søvn, spesielt tiltak av SWS eller sove aksling funnet i nREM2 og SWS. Hvis søvn rolle var passiv beskyttelse mot interferens, ville en slik korrelasjon ikke forventes; snarere en sammenheng mellom tid sover (uavhengig av søvn scenen) og ytelse ville være forventet, som mer tid sover ville gi mer beskyttelse mot interferens¹⁴.

Ytterligere støtte for den aktive rollen SWS i minne konsolidering er tydelig i studier av målrettet minne reaktivering. I disse studiene, er et minne lært i sammenheng med en sanse stikkordet, for eksempel en lukt, og tilbakekalling av minnet er større følgende sove hvis stikkordet er re-presentert under søvn, SWS i særdeleshet¹⁵. Selv om den underliggende mekanismen er diskutert^16,17, en fremtredende teori, systemer konsolidering teori, hevder at minnene kodet i hippocampus er stabilisert i cortex skjønt hippocampus-neocortical dialog. Nærmere bestemt, kortikale langsom bølger og søvn aksling, forekommer i forbindelse med hippocampus bølger knyttet til minne reaktivering, støtte minne overføring³.

Rollen til søvn i minnet konsolidering under utvikling er mindre klart. Tidlig barndom er en periode med spesiell interesse som barn begynner å overgangen fra en bifasisk (bestående av en midt på dagen lur og en overnatter sove bout) til en monofasisk sove mønster. Nyere forskning tyder på at denne overgangen kan gjenspeile hjernens modning¹⁸. Dette argumentet er konsistent med empiriske data som viser utviklingsmessige endringer i natts søvn (dvs. topografi langsom bølge aktivitet) speil som av kortikale modning¹⁹.

Selv om det er flere atferdsmessige demonstrasjoner av natten sove-avhengige konsolidering hos barn^20,21 og spedbarn²², forskning på neural grunnlaget minne konsolidering med midt på dagen søvn er bare begynner å bli undersøkt. I banebrytende arbeid undersøker rollen midt på dagen lurer på minnet i førskolebarn, lur ble vist å beskytte minner fra nylig lært informasjon, mens minnet ble redusert (av ~ 12%) når barna oppholdt våken under lur intervall²³. Denne “lur fordel” var størst inne barn hvem napped fast (i.e., 5 eller flere timene per uke idet målt med actigraphy) uten hensyn til deres alderen. Ved å spille inn PSG under lur, ble endringen i minne ytelsen over lur perioden funnet å være spesielt assosiert med søvn spindel tetthet (antall søvn aksling per minutt av REM), antyder NAP kvalitet (ikke kvantitet) var en kritisk faktor i å fremme minne bevaring (se delen med representative resultater).

Denne studien fremhever betydningen av PSG i å utforske forholdet mellom søvn og minne under utvikling. Det peker på viktigheten av karakteriserer søvn makro-(sove stadier) og mikro-(kvaliteter av disse stadiene som frekvenser og tilstedeværelsen av aksling) strukturer under lur for minne konsolidering. Det fremhever også viktigheten av å vurdere søvn rytmer (karakteriserer barn som vanlig eller ikke-vanlig nappers). Selv om vårt arbeid har preget funksjonen til lur i Tilegning læring (og mer nylig emosjonelle²⁴ og prosessuelle²⁵ læring), mange spørsmål gjenstår. For eksempel vil det være viktig å undersøke andre Deklarasjons minne oppgaver for å vurdere generalizability av disse funnene og for å vurdere oppgaver som brukes i førskole klasserom for å forstå spesifikke parametre (for eksempel mengde NAP fordel i forhold til læring) for økologisk gyldige oppgaver. Ytterligere arbeid vil også være nødvendig å forstå når kjølvannet er tilstrekkelig for minne konsolidering. Derfor er vårt mål å avmystifisere prosessen med å måle søvn-og søvn avhengig minne konsolidering hos barn. Vi gir praktiske tips for å undersøke nytten av en ettermiddag lur på Deklarasjons minne i typisk utvikle førskolebarn (ca 3 til 4 år) ved hjelp av en datastyrt Tilegning minne oppgave samt metoder for vurdering lur habituality ved hjelp av actigraphy, overordnet rapport og NAP-fysiologi ved hjelp av PSG. Selv om disse metodene ble utviklet for førskolealder barn som lur med varierende frekvens, kan disse metodene tilpasses alle aldersgrupper.

Protocol

Før begynnelsen noen forsknings prosedyrer, skriftlig samtykke bør innhentes fra den overordnede og verbale samtykke bør innhentes fra barnet for alle studie prosedyrer. Merk: se figur 2 for en oversikt over prosedyrene. Figur 2: oversikt over protokollen. Hver firkant representerer én dag. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60200/602…

Representative Results

Ved hjelp av prosedyrene som er beskrevet her, Kurdziel og kolleger23 undersøkt søvn-avhengige minne konsolidering under lur i førskolebarn. Resultatene viste barnas tilbakekalling nøyaktighet på Tilegning minne oppgaven etter en lur var bedre enn deres tilbakekalling nøyaktighet etter en tilsvarende periode der de forble våken (dvs. betegner en “lur fordel”, Figur 4). Videre har de som tilbrakte dagen før i kjølvannet tilstanden ikke komm…

Discussion

Denne artikkelen beskriver hvordan du undersøker søvn avhengig konsolidering av forklarende minne under lur i tidlig barndom. Metoder inkluderer atferds vurdering av hukommelse over lur og våken forhold, actigraphy og foreldre-rapport for å vurdere søvn sykluser, og PSG å vurdere søvn arkitektur. Denne unike kombinasjonen er avgjørende for å vurdere hukommelse, karakteriserer søvn sykluser, og undersøke de nevrale mekanismer underliggende fordel for søvn på minne. Representative resultater tyder på at læri…

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.