Mätning av neurala mekanismer bakom sömn beroende minnes konsolidering under tupplurar i tidig barndom

Summary

Detta protokoll beskriver metoder som används för att undersöka Neurala mekanismer underliggande sömn beroende minne konsolidering under tupplurar i tidig barndom. Den innehåller förfaranden för att undersöka effekten av sömn på beteendemässiga minnesprestanda, samt tillämpning och inspelning av både polysomnografi och actigraphy.

Abstract

Sömn är avgörande för den dagliga driften. En viktig funktion i sömnen är konsolideringen av minnen, en process som gör dem starkare och mindre sårbara för störningar. De neurala mekanismerna bakom fördelen med sömn för minne kan undersökas med hjälp av polysomnografi (PSG). PSG är en kombination av fysiologiska inspelningar inklusive signaler från hjärnan (EEG), ögon (EOG), och muskler (EMG) som används för att klassificera sömn stadier. I det här protokollet beskriver vi hur PSG kan användas tillsammans med beteendemässiga minnes bedömningar, actigraphy och Parent-Report för att undersöka sömn beroende minnes konsolidering. Fokus för detta protokoll är på tidig barndom, en period av betydelse som barn övergången från BiPhasic sömn (bestående av en tupplur och övernattning sova) till monofasisk sömn (endast övernattning). Effekterna av viloläge på minnesprestanda mäts med hjälp av en visuospatial minne bedömning över perioder av sömn och wakeful-rest. En kombination av actigraphy och förälder rapport används för att bedöma sömn rytmer (dvs., karakterisera barn som vanliga eller icke-vanliga blödare). Slutligen används PSG för att karakterisera sömn stadier och kvaliteter i dessa stadier (t. ex. frekvenser och närvaron av spindlar) under tupplurar. Fördelen med att använda PSG är att det är det enda verktyg som för närvarande är tillgängliga för att bedöma sömnkvalitet och sömn arkitektur, pekar på relevanta hjärntillstånd som stöder minne konsolidering. De viktigaste begränsningarna i PSG är hur lång tid det tar att förbereda inspelnings montage och att inspelningar normalt tas över en sömn köpt. Dessa begränsningar kan övervinnas genom att engagera unga deltagare i distraherande uppgifter under ansökan och kombinera PSG med actigraphy och Self/förälder-rapportåtgärder för att karakterisera sömncykler. Tillsammans möjliggör denna unika kombination av metoder utredningar om hur tupplurar stöder inlärning i förskolebarn.

Introduction

Givet sömnens prevalens i vår dagliga rutin, är det viktigt att förstå dess funktion. Studier med detta mål kräver exakt mätning av sömn. Polysomnografi (PSG) är det guld-standart mäter av sömn. PSG möjliggör objektiva, kvantitativa mätningar av sömn med hög temporala upplösning och kan vara användbara för både forskning och kliniska ändamål. PSG är en kombination av fysiologiska inspelningar. Ett PSG-montage omfattar minst följande åtgärder: elektroencefalografi (EEG), elektrooculografi (EOG) och Elektromyografi (EMG). Dessa åtgärder bedömer elektriska potentialer från hjärnan, ögonen och musklerna respektive, och möjliggör klassificering av sömn stadier (se figur 1). Andra åtgärder, såsom elektrokardiografi (EKG), andning, och pulsoximetri kan inkluderas för att identifiera närvaron av oordnad sömn.

Figur 1: exempel på elektrodplacering och beskrivning av aktivitet som registrerats via PSG. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

PSG gör att sömnen kan karakteriseras i fyra distinkta sömn stadier: icke-snabb ögonrörelse (icke-REM) steg 1 (nREM1; 4 − 7 Hz), icke-REM-steg 2 (nREM2; 12 − 15 Hz) och icke-REM-steg 3 (mer allmänt känd som Slow wave sleep [SWS]; 0,5 − 4 Hz) och snabb-ögonrörelse (REM sömn. nREM1 markerar insomnande, och identifieras baserat på minskad muskeltonus i EMG omkodning och blandad amplitud EEG-svängningar i förhållande till alfa observeras i vila vakna. Detta följs av nREM2, som kan särskiljas genom närvaron av sömn spindlar (korta skurar av Sigma frekvens aktivitet, 11 − 16 Hz) och K-komplex (enstaka långsamma vågor som sticker ut från den omgivande aktiviteten) i EEG. SWS kännetecknas av distinkta långsamma frekvenser med hög amplitud EEG-svängningar. REM-sömn kännetecknas av snabb låg amplitud oscillatoriska hjärnaktivitet mycket likt den som observerats under Wake. Emellertid, vad som skiljer REM-sömn från Wake är att det också kännetecknas av phasic snabba ögonrörelser (därav monikern REM) och muskel Atonia. Under loppet av en sömn bout, sömn stadier upplevs cykliskt, med en hastighet av ca 90 min/cykel.

Sömnen följer också dygnsrytmen, med sömn anfall som äger rum i 24-h cykler. Sömn timing och konsistens kan påverka sömn funktionen och är också viktiga att bedöma. Även om PSG är nödvändigt att karakterisera sömn stadier, är det tidskrävande att tillämpa och därför inte idealisk för att bedöma flera sömn anfall (t. ex. flera nätter av sömn, tupplurar och övernattning sömn). För detta är actigraphy fördelaktigt. Actigraphy använder en Tri-axial accelerometer, typiskt på handleden, för att uppskatta sömnen baserat på frånvaron av rörelse. Även om actigraphy inte kan användas för att karakterisera sömn stadier, det har visat sig vara tillförlitlig på att upptäcka insomnande och vakna debut (inklusive sömnfragmentering eller vakna efter insomnande) i en rad populationer från spädbarn¹ till äldre vuxna² . Både PSG och actigraphy är föredragna metoder över själv/förälder-rapportåtgärder. Själv/förälder-rapportåtgärder är lätta att administrera och relativt billig, men de är också föremål för bias och bristande efterlevnad. Slutligen, det är värt att notera att dessa metoder kan användas i kombination för att kapitalisera på styrkor av varje. Till exempel kan PSG kombineras med actigraphy och/eller själv/förälder-rapport för att få både övernattning sömnkvalitet samt verifiering av sömn mängder eller sömn-vakna cykler, särskilt över långa varaktigheter (t. ex., veckor eller månader).

En funktion av sömn som har samlat särskilt intresse är sömn beroende minne konsolidering, bearbetning av minnen som lämnar dem starkare och mindre sårbara för störningar³. Även om minne konsolidering kan ske under Wake i barn⁴ och vuxna⁵, det finns betydande bevis för att konsolideringen förbättras under sömnen. Tidigare forskning har gett beteendemässiga exempel på sömn beroende minne konsolidering genom att jämföra förändringar i minnet prestanda efter ett intervall av sömn (t. ex., 8 PM − 8 am) till förändringar efter en motsvarande intervall tillbringade vaken (t. ex., 8 am − 8 PM). Hos vuxna, minnen är skyddade⁶ eller till och med förbättrats⁷ efter ett intervall av sömn medan minnen typiskt förfall över ett motsvarande intervall av vakna. Kontroller har använts som separerar prestanda förändringar från cirkadiska influenser^8,9,10. Till exempel observeras liknande förmåner av sömn när du jämför prestanda över en Mid-Day NAP till en motsvarande mitt på dagen vakna period⁹.

Även om sömnen en gång var tänkt att återspegla en passiv process, helt enkelt skydda minnen från förfall eller störningar, föreslår moderna teorier sova spelar en mer aktiv roll och faktiskt främjar minne genom reactivations^{11,12 ,13}. Stöd för detta kommer från observerade korrelationer mellan beteendemässiga åtgärder för minne konsolidering över sömn (förändring i minnet minns efter sömn jämfört med före sömn) och specifika aspekter av sömnfysiologi. För många deklarativa minne uppgifter, minne konsolidering är associerad med aspekter av icke-REM-sömn, särskilt åtgärder av SWS eller Sleep spindlar finns i nREM2 och SWS. Om sömn roll var passivt skydd från störningar, skulle en sådan korrelation inte förväntas; snarare en korrelation mellantid sovande (oavsett sömn skede) och prestanda skulle förväntas, eftersom mer tid att sova skulle ge mer skydd från störningar¹⁴.

Ytterligare stöd för den aktiva rollen för SWS i minnet konsolidering är tydligt i studier av riktade minne reaktivering. I dessa studier, är ett minne lärt sig i samband med en perceptuell Cue, till exempel en lukt, och återkallande av minnet är större efter sömn om Cue är åter presenteras under sömnen, SWS särskilt¹⁵. Även om den bakomliggande mekanismen diskuteras^16,17, en framstående teori, system konsoliderings teori, hävdar att minnen kodade i hippocampus stabiliseras i cortex men Hippocampus-neokortikala dialog. Specifikt, kortikala långsamma vågor och sömn spindlar, som förekommer i samband med Hippocampus krusningar i samband med minne reaktivering, stödja minnes överföring³.

Rollen som sömn i minnet konsolidering under utvecklingen är mindre tydlig. Tidig barndom är en period av särskilt intresse som barn börjar övergå från en bifasisk (bestående av en mitt på dagen tupplur och en övernattning sova bout) till en monofasisk sömnmönster. Ny forskning tyder på att denna övergång kan återspegla hjärnans mognad¹⁸. Detta argument är förenligt med empiriska data som visar utvecklingsmässiga förändringar i nattsömn (dvs topografi av Slow wave aktivitet) speglar som av kortikal mognad¹⁹.

Även om det finns flera beteendemässiga demonstrationer av övernattning sömn beroende konsolidering hos barn^20,21 och spädbarn²², forskning på neurala underbyggnad av minne konsolidering med Mid-Day Sleep är just börjat undersökas. I banbrytande arbete undersöker roll Mid-Day tupplurar på minne i förskolebarn, tupplurar visades att skydda minnen av nyligen lärt information, medan minnet reducerades (av ~ 12%) När barn stannade vakna under NAP-intervallet²³. Detta “NAP Benefit” var störst hos barn som nappade vanligtvis (dvs 5 eller fler gånger per vecka mätt med actigraphy) oavsett ålder. Genom att registrera PSG under NAP konstaterades att förändringen i minnesprestanda över NAP-perioden var specifikt förknippad med sömn spindel täthet (antalet sömn spindlar per minut av nREM), vilket tyder på att NAP-kvalitet (inte kvantitet) var en kritisk faktor för främja minneslagring (se avsnittet representativa resultat).

Denna studie belyser betydelsen av PSG i att utforska relationerna mellan sömn och minne under utvecklingen. Det pekar på vikten av att karakterisera Sleep Macro-(Sleep stadier) och mikro-(kvaliteter av dessa stadier såsom frekvenser och närvaron av spindlar) strukturer under tupplurar för minne konsolidering. Det belyser också vikten av att bedöma sömn rytmer (karakterisera barn som vanliga eller icke-vanliga blödare). Även om vårt arbete har präglat funktionen av tupplurar i visuospatial inlärning (och mer nyligen känslomässiga²⁴ och processuella²⁵ lärande), många frågor kvarstår. Det kommer till exempel att vara viktigt att undersöka andra deklarativa minnes uppgifter för att bedöma generalizabilityen av dessa fynd och att bedöma uppgifter som används i för skolans klassrum för att förstå specifika parametrar (t. ex. mängden NAP-förmån i förhållande till inlärning) för ekologiskt giltiga uppgifter. Ytterligare arbete kommer också att vara nödvändigt att förstå när Wake är tillräckligt för minne konsolidering. Således, vårt mål är att avmystifiera processen att mäta sömn och sömn-beroende minne konsolidering hos barn. Vi ger praktiska tips för att undersöka nyttan av en eftermiddag tupplur på deklarativt minne i typiskt utveckla förskolebarn (cirka 3 till 4 års ålder) med hjälp av en datoriserad visuospatial minne uppgift samt metoder för att bedöma NAP habituality använda actigraphy, förälder-rapport, och NAP fysiologi med hjälp av PSG. Även om dessa metoder har utvecklats för förskoleåldern barn som tupplur med varierande frekvens, dessa metoder kan anpassas till någon åldersgrupp.

Protocol

Innan något forsknings förfarande inleds bör skriftligt medgivande inhämtas från föräldern och muntligt medgivande inhämtas från barnet för alla studie förfaranden. Anm.: se figur 2 för en översikt över procedurerna. Figur 2: översikt över protokoll. Varje ruta representerar en dag. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60200…

Representative Results

Med hjälp av de förfaranden som beskrivs här, Kurdziel och kollegor23 undersökt sömn beroende minne konsolidering under tupplurar i förskolebarn. Resultaten visade barnens återkallande noggrannhet på visuospatial minne uppgift efter en tupplur var bättre än deras återkallande noggrannhet efter en liknande period under vilken de förblev vaken (dvs., betecknar en “NAP-förmån”, figur 4). Dessutom, de som tillbringade föregående dag i k…

Discussion

Den här artikeln beskrivs hur du undersöker sömn beroende konsolidering av deklarativt minne under tupplurar i tidig barndom. Metoder inkluderar beteendemässig bedömning av minne över NAP och vakna villkor, actigraphy och förälder-rapport för att bedöma sömncykler, och PSG att bedöma sömn arkitektur. Denna unika kombination är avgörande för att bedöma minne, karakterisera sömncykler, och undersöka de neurala mekanismerna bakom fördelen med sömn på minnet. Representativa resultat tyder på att inlär…

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.