Erken Çocukluk Döneminde Uykuya Bağımlı Bellek Konsolidasyonunun Altında Yatan Sinirsel Mekanizmaların Ölçülmesi
Summary
Bu protokol, erken çocukluk döneminde uykuya bağlı bellek konsolidasyonunun altında yatan sinirsel mekanizmaları incelemek için kullanılan yöntemleri açıklamaktadır. Uykunun davranışsal bellek performansı üzerindeki etkisinin incelenmesine yönelik prosedürlerin yanı sıra hem polisomnografi hem de aktigrafinin uygulanması ve kaydını içerir.
Abstract
Uyku günlük işleyişi için önemlidir. Uykunun önemli bir işlevi anıların konsolidasyonudur, bu da onları daha güçlü ve parazite karşı daha az savunmasız hale getiren bir süreçtir. Hafıza için uyku yararının altında yatan nöral mekanizmalar polisomnografi (PSG) kullanılarak araştırılabilir. PSG, uyku evrelerini sınıflandırmak için kullanılan beyin (EEG), gözler (EOG) ve kaslardan (EMG) gelen sinyaller de dahil olmak üzere fizyolojik kayıtların bir kombinasyonudur. Bu protokolde, PSG’nin uykuya bağımlı bellek konsolidasyonlarını incelemek için davranışsal bellek değerlendirmeleri, aktigrafi ve üst raporla birlikte nasıl kullanılabileceğini açıklıyoruz. Bu protokolün odak noktası erken çocukluk, çocuklar bifhasik uyku (bir uyku ve gece uykusu oluşan) monophasic uyku (sadece gece uyku) geçiş olarak önemli bir dönemdir. Uykunun bellek performansı üzerindeki etkileri uyku ve uyanık istirahat dönemleri boyunca visuospatial bellek değerlendirmesi kullanılarak ölçülür. Uyku ritimlerini değerlendirmek için aktivizm ve ebeveyn raporunun bir kombinasyonu kullanılır (örneğin, çocukları alışılmış veya alışılmış olmayan nappers olarak nitelendirmek). Son olarak, PSG uyku aşamaları ve bu aşamaları (frekanslar ve iğ varlığı gibi) uyku aşamaları karakterize etmek için kullanılır. PSG kullanmanın avantajı, şu anda uyku kalitesi ve uyku mimarisi değerlendirmek için mevcut olan tek araç olmasıdır, bellek konsolidasyon destekleyen ilgili beyin durumuna işaret. PSG’nin temel sınırlamaları, kayıt montajını hazırlamak için gereken süredir ve kayıtların genellikle satın alınan bir uyku üzerinden alındığıdır. Bu sınırlamalar, genç katılımcıların uygulama sırasında dikkat dağıtıcı görevlere dahil edilmesi ve PSG’nin uyku döngülerini karakterize etmek için eylem ve öz/ebeveyn raporu önlemleri ile birleştirilmesi yle aşılabilir. Birlikte, bu benzersiz yöntem kombinasyonu, şekerlemelerin okul öncesi çocuklarda öğrenmeyi nasıl desteklediğinin araştırılmasına olanak sağlar.
Introduction
Günlük rutin uyku yaygınlığı göz önüne alındığında, onun işlevini anlamak önemlidir. Bu amaçla yapılan çalışmalar, uykunun kesin olarak ölçülmesini gerektirir. Polisomnografi (PSG) uykunun altın standart ölçüsüdür. PSG, yüksek zamansal çözünürlükte uykunun objektif, nicel ölçümüne olanak sağlar ve hem araştırma hem de klinik amaçlar için yararlı olabilir. PSG fizyolojik kayıtların bir kombinasyonudur. En azından PSG montajı aşağıdaki önlemleri içerir: elektroensefalografi (EEG), elektrookülografi (EOG) ve elektromiyografi (EMG). Bu önlemler sırasıyla beyin, göz ve kaslardan gelen elektriksel potansiyelleri değerlendirir ve uyku evrelerinin sınıflandırılmasına olanak sağlar (Bkz. Şekil 1). Elektrokardiyografi (EKG), solunum ve nabız oksimetrisi gibi diğer önlemler, düzensiz uyku varlığını belirlemek için dahil edilebilir.
Şekil 1: Örnek elektrot yerleştirme ve PSG üzerinden kaydedilen faaliyet tanımı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
PSG uykunun dört farklı uyku evresine özgü olmasını sağlar: hızlı olmayan göz hareketi (REM olmayan) evre 1 (nREM1; 4−7 Hz), NON-REM stage 2 (nREM2; 12−15 Hz) ve NON-REM evre 3 (daha yaygın olarak yavaş dalga uykusu [SWS] olarak bilinir; 0.5−4 Hz) ve hızlı göz hareketi (REM) (REM) ) uyku. nREM1 işaretleri uyku başlangıcı, ve dinlendirme uyanıklık gözlenen alfa göre EMG yeniden kodlama ve karışık genlik EEG salınımları azaltılmış kas tonusu dayalı tanımlanır. Bunu, EEG’de uyku mili (sigma frekans aktivitesi kısa patlamaları; 11−16 Hz) ve K-kompleksleri (çevredeki aktiviteden göze çarpan tek yavaş dalgalar) ile ayırt edilebilen nREM2 takip eder. SWS belirgin yavaş frekanslı yüksek genlikli EEG salınımları ile karakterizedir. REM uykusu, uyandırma sırasında gözlenene çok benzeyen hızlı düşük genlikli salınımlı beyin aktivitesi ile karakterizedir. Ancak, ne uyanıklık REM uyku ayıran aynı zamanda phasic hızlı göz hareketleri ile karakterize olmasıdır (dolayısıyla takma REM) ve kas atoni. Bir uyku nöbeti boyunca, uyku aşamaları döngüsel olarak yaşanır, yaklaşık 90 dakika /döngü hızında.
Uyku da sirkadiyen ritim izler, uyku nöbetleri 24-h döngüleri yer alan ile. Uyku zamanlaması ve tutarlılık uyku fonksiyonunu etkileyebilir ve değerlendirmek için de önemlidir. PSG uyku aşamalarını karakterize etmek için gerekli olsa da, uygulamak zaman alıcıdır ve bu nedenle birden fazla uyku nöbetini değerlendirmek için ideal değildir (örn. birden fazla gece uyku, uyku ve gece uykusu). Bunun için aktigrafi faydalıdır. Aktigrafi, hareket yokluğuna bağlı olarak uykuyu tahmin etmek için tipik olarak bilekte üç eksenli ivmeölçer kullanır. Aktigrafi uyku evrelerini karakterize etmek için kullanılamasa da,1-daha büyük erişkinler arasında çeşitli popülasyonlarda uyku başlangıcını ve uyandırma başlangıcını (uyku nun başlangıcından sonra uyanma dahil) tespit etmede güvenilir olduğu gösterilmiştir2 . Hem PSG hem de aktigrafi, kendi/üst-rapor ölçüleri üzerinde tercih edilen yöntemlerdir. Öz/ebeveyn raporu önlemlerinin uygulanması kolaydır ve nispeten ucuzdur, ancak aynı zamanda önyargı ve uyumsuzluğa da tabidir. Son olarak, bu yöntemlerin her birinin güçlü yanlarından yararlanmak için birlikte kullanılabileceğini belirtmekte yarar vardır. Örneğin, PSG, hem gece uyku kalitesini nisbetan hem de uyku miktarlarının veya uyku-uyanıklık döngülerinin doğrulanmasını elde etmek için aktivizm ve/veya kendi kendine/ebeveyn raporuyla birleştirilebilir, özellikle uzun sürelerde (örn. haftalar veya aylar).
Özellikle ilgi topladı uyku bir fonksiyonu uyku bağımlı bellek konsolidasyonu, onları daha güçlü vegirişimekarşı daha az savunmasız bırakır anıların işlenmesi 3 . Bellek konsolidasyonu çocuklarda uyanıklık sırasında yer alabilir rağmen4 ve yetişkinler5 ,konsolidasyon uyku sırasında geliştirilmiş olduğunu önemli kanıtlar vardır. Geçmiş araştırmalar, uyku aralığını takiben bellek performansındaki değişiklikleri karşılaştırarak uykuya bağımlı bellek konsolidasyonunun davranışsal örneklerini (örn. 8:00-08:00) uyanık geçirilen eşdeğer bir süreyi izleyen değişikliklerle karşılaştırmıştır (örn. 8:00-8 pm). Yetişkinlerde, anılarkorunur 6 hatta gelişmiş7 uyku bir süre sonra anılar genellikle uyandırma eşdeğer bir aralık üzerinde çürümeye. Kontroller sirkadiyenetkilerdenperformans değişiklikleri ayrıştırın istihdam edilmiştir 8,9,10. Örneğin, uykunun benzer yararları, gün ortası uykusundaki performansı eşdeğer bir gün ortası uyandırma süresi9ile karşılaştırırken gözlenmektedir.
Uyku bir kez pasif bir süreci yansıttığı düşünülmesine rağmen, sadece çürüme veya girişim anıları korumak, modern teoriler uyku daha aktif bir rol oynar ve aslında reaktivasyonlar11,12 ile bellek teşvik öneririz ,13. Bunun için destek uyku üzerinde bellek konsolidasyonu davranışsal önlemler arasındaki gözlenen korelasyongeliyor (uyku öncesi göre uyku dan sonra bellek hatırlama değişimi) ve uyku fizyolojisinin belirli yönleri. Birçok bildirimsel bellek görevi için bellek birleştirme, REM olmayan uykunun, özellikle nREM2 ve SWS’de bulunan SWS veya uyku iğlerinin ölçüleri ile ilişkilidir. Uykunun rolü girişime karşı pasif koruma olsaydı, böyle bir korelasyon beklenmez; uyku süresi arasında bir korelasyon (uyku evresi ne olursa olsun) ve performans beklenebilir, daha fazla zaman uykuda girişime karşı daha fazla koruma sağlayacak gibi14.
Bellek konsolidasyonunda SWS etkin rolü için ek destek hedeflenen bellek yeniden aktivasyonu çalışmalarında belirgindir. Bu çalışmalarda, bir bellek algısal bir ipucu bağlamında öğrenilir, örneğin bir koku, ve bellek hatırlama uyku sırasında yeniden sunulan eğer bellek hatırlama daha büyüktür, Özellikle SWS15. Altta yatan mekanizma tartışılan rağmen16,17, bir önemli teori, sistem konsolidasyon teorisi, hipokampus kodlanmış anılar hipokampal-neokortikal diyalog rağmen kortekste stabilize olduğunu iddia ediyor. Özellikle, kortikal yavaş dalgalar ve uyku iğleri, hafıza reaktivasyonu ile ilişkili hipokampal dalgalanmalar ile birlikte meydana gelen, bellek transferi destek3.
Geliştirme sırasında bellek konsolidasyonu uyku rolü daha az açıktır. Erken çocukluk, çocukların bifatikten (gün ortası uyku ve bir gece uyku nöbetinden oluşan) monophasik uyku düzenine geçmeye başlamasıyla özel bir ilgi çekici bir dönemdir. Son araştırmalar bu geçiş beyin olgunlaşma yansıtabilir düşündürmektedir18. Bu argüman, gece uykusunda gelişimsel değişiklikleri gösteren ampirik verilerle tutarlıdır (yani, yavaş dalga aktivitesinin topografyası) kortikal olgunlaşmanın19.
Çocuklarda gece uykuya bağımlı konsolidasyon çeşitli davranışsal gösteriler olmasına rağmen20,21 ve bebekler22, gün ortası uyku ile bellek konsolidasyonu nöral temelleri üzerinde araştırma vardır daha yeni araştırılmaya başladı. Okul öncesi çocuklarda bellekte gün ortası şekerlemelerin rolünü inceleyen çığır açan çalışmalarda, yakın zamanda öğrenilen bilgilerin anılarını korumak için şekerlemeler gösterilirken, bellek azaltıldı (~%12) çocuklar uyku aralığı23sırasında uyanık kaldı . Bu “uyku yardımı” yaşları ne olursa olsun alışkanlıkla (yani, haftada 5 veya daha fazla kez) sigara kullanan çocuklarda en büyük oldu. Uyku sırasında PSG kaydedilerek, uyku süresi boyunca bellek performansındaki değişikliğin özellikle uyku mili yoğunluğu (nREM’in dakika başına uyku mili sayısı) ile ilişkili olduğu tespit edilerek, uyku kalitesinin (miktar değil) kritik bir faktör olduğu saptandı. bellek tutmayı teşvik etmek (temsili sonuçlar bölümüne bakın).
Bu çalışma, PSG’nin gelişim sırasında uyku ve hafıza arasındaki ilişkileri keşfetmedeki önemini vurgulamaktadır. Bellek konsolidasyonu için uyku sırasında uyku makrosu( uyku aşamaları) ve mikro- (frekanslar ve iğ lerin varlığı gibi bu aşamaların nitelikleri) yapılarının karakterizasyonunun önemine işaret eder. Ayrıca uyku ritimlerini değerlendirmenin önemini vurgular (çocukları alışılmış veya alışılmış olmayan nappers olarak nitelendirme). Çalışmamız visuospatial öğrenme (ve daha yakın zamanda duygusal24 ve prosedürel25 öğrenme) şekerleme işlevini karakterize olmasına rağmen, birçok soru kalır. Örneğin, bu bulguların genellenebilirliğini değerlendirmek ve okul öncesi sınıflarda kullanılan görevleri belirli parametreleri (örn. öğrenmeye göre uyku yardımı miktarı) anlamak için değerlendirmek için diğer bildirimsel bellek görevlerini incelemek önemli olacaktır. ekolojik olarak geçerli görevler. Uyandırmanın bellek konsolidasyonu için yeterli olduğunu anlamak için ek çalışma da gerekecektir. Bu nedenle, amacımız çocuklarda uyku ve uykuya bağımlı bellek konsolidasyonu ölçme sürecini demystify etmektir. Biz genellikle gelişmekte olan okul öncesi (yaklaşık 3-4 yaş) bir bilgisayarlı visuospatial bellek görevi yanı sıra şekerleme alışkanlığı değerlendirmek için yöntemler kullanarak bildirimsel bellek üzerinde bir öğleden sonra şekerleme yararı incelemek için pratik ipuçları sağlamak PSG kullanarak aktigrafi, ebeveyn raporu ve uyku fizyolojisi kullanarak. Bu yöntemler okul öncesi çağındaki çocuklarda değişik sıklıkta uyum sağlamış olsa da, bu yöntemler herhangi bir yaş grubuna uyarlanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makalede, erken çocukluk döneminde naps sırasında bildirimsel bellek uykuya bağımlı konsolidasyon araştırmak için nasıl açıklanmaktadır. Yöntemler arasında uyku ve uyanıklık koşullarında belleğin davranışsal değerlendirmesi, uyku döngülerini değerlendirmek için aktivizm ve ebeveyn raporu ve uyku mimarisini değerlendirmek için PSG yer almaktadır. Bu benzersiz kombinasyon, hafızayı değerlendirmek, uyku döngülerini karakterize etmek ve hafızada uykunun yararının altında yatan sinir…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Maryland Üniversitesi, College Park ve Massachusetts Üniversitesi’nde Somneuro Lab Nörobilişsel Gelişim Laboratuvarı teşekkür etmek istiyorum, Amherst Bu proje ile yardım için. Finansman NIH (HD094758) ve NSF (BCS 1749280) tarafından TR ve Rs’ye sağlanmıştır. Temsili sonuçlar NIH HL111695 tarafından finanse edilmiştir.
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. |
Riferimenti
- 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).
