Måling af neurale mekanismer underliggende søvn afhængig hukommelse konsolidering under lur i den tidlige barndom

Summary

Denne protokol beskriver metoder, der anvendes til at undersøge neurale mekanismer underliggende søvn afhængig hukommelse konsolidering under lur i den tidlige barndom. Det omfatter procedurer for undersøgelse af effekten af søvn på adfærdsmæssige hukommelse ydeevne, samt anvendelse og registrering af både polysomnografi og actigrafi.

Abstract

Søvn er afgørende for daglig drift. En vigtig funktion af søvn er konsolideringen af erindringer, en proces, der gør dem stærkere og mindre sårbare over for indblanding. De neurale mekanismer, der underliggende fordelen ved søvn til hukommelsen, kan undersøges ved hjælp af polysomnografi (PSG). PSG er en kombination af fysiologiske optagelser, herunder signaler fra hjernen (EEG), øjne (EOG) og muskler (EMG), der bruges til at klassificere søvnstadier. I denne protokol beskriver vi, hvordan PSG kan bruges sammen med adfærdsmæssige hukommelses vurderinger, actigrafi og Parent-Report til at undersøge søvn afhængig hukommelses konsolidering. Fokus i denne protokol er på den tidlige barndom, en periode af betydning som børn overgang fra bifasisk søvn (bestående af en lur og natten søvn) til monofasiske søvn (natten kun søvn). Effekten af søvn på hukommelsen ydeevne måles ved hjælp af en visualisering hukommelse vurdering på tværs af perioder med søvn og vågne-hvile. En kombination af actigrafi og overordnet rapport bruges til at vurdere søvn rytmer (dvs. kendetegnende børn som sædvanligt eller ikke-sædvanligt serviet). Endelig bruges PSG til at karakterisere søvnstadier og kvaliteter af disse stadier (såsom frekvenser og tilstedeværelsen af spindler) under lur. Fordelen ved at bruge PSG er, at det er det eneste værktøj i øjeblikket til rådighed til at vurdere søvnkvalitet og søvn arkitektur, peger på den relevante hjerne tilstand, der understøtter hukommelse konsolidering. De vigtigste begrænsninger af PSG er længden af tid, det tager at forberede optagelsen montage og at optagelser typisk overtages en sove købt. Disse begrænsninger kan overvindes ved at engagere unge deltagere i distraherende opgaver under anvendelse og kombinere PSG med actigrafi og selv/forælder-rapport foranstaltninger til at karakterisere søvn cyklusser. Sammen, denne unikke kombination af metoder giver mulighed for undersøgelser af , hvordan nationale handlingsplaner støtte læring i førskolebørn.

Introduction

I betragtning af søvnens udbredelse i vores daglige rutine, er det vigtigt at forstå dens funktion. Undersøgelser med dette mål kræver præcis måling af søvn. Polysomnografi (PSG) er den gyldne standard måling af søvn. PSG giver mulighed for objektiv, kvantitativ måling af søvn med høj tidsmæssig opløsning og kan være nyttig til både forskning og kliniske formål. PSG er en kombination af fysiologiske optagelser. Som minimum omfatter en PSG montage følgende foranstaltninger: elektroencefalografi (EEG), elektrooculografi (EOG) og Elektromyografi (EMG). Disse foranstaltninger vurderer elektriske potentialer fra henholdsvis hjernen, øjnene og musklerne og giver mulighed for klassifikation af søvnstadier (Se figur 1). Andre foranstaltninger, såsom elektro kardiografi (EKG), respiration, og pulsoximetri kan inkluderes for at identificere tilstedeværelsen af uordnet søvn.

Figur 1: eksempel på elektrodeplacering og beskrivelse af aktivitet registreret via PSG. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

PSG tillader søvn at være karakteriseret i fire forskellige søvnstadier: ikke-hurtig øjenbevægelse (ikke-REM) etape 1 (nREM1; 4 − 7 Hz), ikke-REM fase 2 (nREM2; 12 − 15 Hz), og ikke-REM fase 3 (mere almindeligt kendt som Slow Wave Sleep [SWS]; 0,5 − 4 Hz), og Rapid-Eye bevægelse (REM søvn. nREM1 markerer søvn debut, og er identificeret baseret på reduceret muskeltonus i EMG omkodning og blandede amplitude EEG svingninger i forhold til Alpha observeret i hvile kølvandet. Dette efterfølges af nREM2, som kan skelnes ved tilstedeværelsen af Sleep spindler (korte byger af Sigma frekvens aktivitet; 11 − 16 Hz) og K-komplekser (enkelt langsom-bølger, der skiller sig ud fra den omgivende aktivitet) i EEG. SWS er karakteriseret ved distinkte, langsomme EEG-svingninger med høj amplitude. REM søvn er karakteriseret ved hurtig lav-amplitude oscillerende hjerneaktivitet meget lig den observerede under kølvandet. Men det, der skelner REM-søvn fra Wake er, at det også er karakteriseret ved phasic Rapid Eye bevægelser (deraf moniker REM) og muskel atonia. I løbet af en søvn bout, søvnstadier opleves cyklisk, med en hastighed på omkring 90 min/cyklus.

Søvn følger også døgnrytmen, med søvnanfald, der finder sted i 24-h cyklusser. Søvn timing og konsistens kan påvirke søvn funktion og er også vigtigt at vurdere. Selvom PSG er nødvendig for at karakterisere søvnstadier, er det tidskrævende at anvende og derfor ikke ideel til vurdering af flere søvnanfald (f. eks. flere overnatninger med søvn, lur og overnatning). Til dette, actigraphy er gavnlig. Actigraphy bruger et Tri-Axial accelerometer, typisk på håndleddet, til at estimere søvn baseret på fravær af bevægelse. Selvom actigrafi ikke kan bruges til at karakterisere søvnstadier, det har vist sig at være pålidelige til påvisning søvn debut og vågne debut (herunder søvn fragmentering eller vågne efter søvn debut) i en række populationer fra spædbørn¹ til ældre voksne² . Både PSG og actigraphy er foretrukne metoder over selv/forælder-rapport foranstaltninger. Selv/forælder-rapport foranstaltninger er nemme at administrere og relativt billig, men de er også underlagt bias og manglende overholdelse. Endelig, det er værd at bemærke, at disse metoder kan bruges i kombination til at udnytte de stærke sider af hver. For eksempel kan PSG kombineres med actigrafi og/eller selv/forælder-rapport for at opnå både overnatning søvnkvalitet samt verifikation af søvn mængder eller søvn-vågne cyklusser, især over lange varigheder (f. eks uger eller måneder).

En funktion af søvn, der har høstet særlig interesse er søvn afhængig hukommelse konsolidering, behandling af erindringer, der efterlader dem stærkere og mindre sårbar over for indblanding³. Selvom hukommelses konsolidering kan finde sted under Wake in Children⁴ og Adults⁵, er der betydelige beviser for, at konsolideringen forstærkes under søvnen. Tidligere forskning har givet adfærdsmæssige eksempler på søvn afhængig hukommelse konsolidering ved at sammenligne ændringer i hukommelsen ydeevne efter et interval af søvn (f. eks 8 PM − 8 am) til ændringer efter et tilsvarende interval brugt vågen (f. eks 8 am − 8 PM). Hos voksne er minderne beskyttet⁶ eller endda forbedret⁷ efter et interval af søvn, mens minderne typisk henfalder over et tilsvarende interval af Wake. Der er anvendt kontrol, som dissocierer præstations ændringer fra cirkadiske påvirkninger^8,9,10. For eksempel observeres lignende fordele ved søvn, når du sammenligner præstationer over en Mid-Day NAP til en tilsvarende Mid-Day Wake periode⁹.

Selv om søvn var engang menes at afspejle en passiv proces, blot beskytte erindringer fra forfald eller indblanding, moderne teorier tyder søvn spiller en mere aktiv rolle og faktisk fremmer hukommelse gennem reaktiveringer^{11,12 ,13}. Støtte til dette kommer fra observerede korrelationer mellem adfærdsmæssige foranstaltninger af hukommelse konsolidering over søvn (ændring i hukommelsen tilbagekaldelse efter søvn i forhold til før søvn) og specifikke aspekter af søvn fysiologi. For mange deklarative hukommelses opgaver er hukommelses konsolidering forbundet med aspekter af ikke-REM-søvn, specifikt målinger af SWS eller Sleep-spindler, der findes i nREM2 og SWS. Hvis søvnens rolle var passiv beskyttelse mod interferens, ville en sådan sammenhæng ikke forventes; snarere en sammenhæng mellem tid i søvn (uanset søvn fase) og ydeevne ville forventes, som mere tid i søvn ville give mere beskyttelse mod indblanding¹⁴.

Yderligere støtte til den aktive rolle SWS i hukommelsen konsolidering er tydelig i undersøgelser af målrettede hukommelse reaktivering. I disse undersøgelser, en hukommelse er lært i forbindelse med en perceptuelle cue, for eksempel en lugt, og tilbagekaldelse af hukommelsen er større efter søvn, hvis cue er re-præsenteret under søvn, SWS i særdeleshed¹⁵. Selv om den underliggende mekanisme er drøftet^16,17, en fremtrædende teori, systemer konsolidering teori, hævder, at erindringer kodet i hippocampus er stabiliseret i cortex selv hippocampal-neocortical dialog. Specifikt, kortikale langsomme bølger og sove spindler, der opstår i forbindelse med hippocampus krusninger forbundet med hukommelse reaktivering, støtte hukommelsen overførsel³.

Den rolle søvn i hukommelsen konsolidering under udvikling er mindre klar. Tidlig barndom er en periode af særlig interesse som børn begynder at overgå fra en bifasisk (bestående af en Mid-Day lur og en overnatning søvn bout) til en monofasiske søvnmønster. Nyere forskning tyder på, at denne overgang kan afspejle hjerne modning¹⁸. Dette argument er i overensstemmelse med empiriske data viser udviklingsmæssige ændringer i natten søvn (dvs. topografi af langsom bølge aktivitet) spejle, at af kortikale modning¹⁹.

Selv om der er flere adfærdsmæssige demonstrationer af natten søvn-afhængige konsolidering i børn^20,21 og spædbørn²², forskning på neurale funda-ter af hukommelse konsolidering med Mid-dag søvn er lige begyndt at blive undersøgt. I banebrydende arbejde undersøger rollen som Mid-Day nationale handlingsplaner på hukommelse i førskolebørn, nationale handlingsplaner viste sig at beskytte erindringer af nyligt lærte oplysninger, mens hukommelsen blev reduceret (ved ~ 12%) da børn forblev vågne under NAP-intervallet²³. Denne “NAP benefit” var størst hos børn, der misligholdte sædvanligvis (dvs. 5 eller flere gange om ugen målt med actigrafi) uanset deres alder. Ved at optage PSG i løbet af NAP blev det konstateret, at ændringen i hukommelsens ydeevne på tværs af NAP-perioden var specifikt forbundet med søvn spindel tæthed (antallet af Sleep-spindler pr. minut af nREM), hvilket tyder på NAP-kvalitet (ikke kvantitet) var en kritisk faktor i fremme af hukommelses fastholdelse (Se afsnittet om repræsentative resultater).

Denne undersøgelse fremhæver betydningen af PSG i at udforske forholdet mellem søvn og hukommelse under udvikling. Det peger på vigtigheden af at karakterisere søvn makro-(søvnstadier) og mikro-(kvaliteter af disse stadier såsom frekvenser og tilstedeværelsen af spindler) strukturer under lur for hukommelse konsolidering. Det fremhæver også vigtigheden af at vurdere søvn rytmer (karakterisering af børn som sædvanligt eller ikke-sædvanligt serviet). Selv om vores arbejde har karakteriseret funktionen af nationale handlingsplaner i visuospatiale læring (og mere for nylig følelsesmæssige²⁴ og procedure²⁵ læring), mange spørgsmål tilbage. For eksempel vil det være vigtigt at undersøge andre deklarative hukommelse opgaver for at vurdere generalisering af disse resultater og til at vurdere opgaver, der anvendes i førskole klasseværelser til at forstå specifikke parametre (f. eks, mængden af NAP fordel i forhold til læring) for miljømæssigt gyldige opgaver. Yderligere arbejde vil også være nødvendigt at forstå, når Wake er tilstrækkelig til hukommelse konsolidering. Således er vores mål at afystificere processen med at måle søvn og søvn afhængig hukommelse konsolidering hos børn. Vi giver praktiske tips til at undersøge fordelen ved en eftermiddagslur på deklarativ hukommelse i typisk at udvikle førskolebørn (ca. 3 til 4 år) ved hjælp af en edb visuospatiale hukommelse opgave samt metoder til vurdering af NAP habituality bruge actigraphy, Parent-Report og NAP fysiologi ved hjælp af PSG. Selv om disse metoder blev udviklet til førskolebørn, der NAP med varierende hyppighed, disse metoder kan tilpasses til enhver aldersgruppe.

Protocol

Forud for påbegyndelse af forsknings procedurer bør der indhentes skriftligt samtykke fra forældrene, og der bør indhentes mundtlig tilladelse fra barnet til alle undersøgelsesprocedurer. Bemærk: Se figur 2 for at få en oversigt over procedurerne. Figur 2: oversigt over protokollen. Hver firkant repræsenterer en dag. <a href="https://www.jove…

Representative Results

Ved hjælp af de procedurer, der er beskrevet her, undersøgte Kurdziel og kollegaer23 søvn afhængig hukommelses konsolidering under nationale handlingsplaner for førskolebørn. Resultaterne viste børns tilbagekaldelse nøjagtighed på visuospatiale hukommelse opgave efter en lur var bedre end deres tilbagekaldelse nøjagtighed efter en tilsvarende periode, hvor de forblev vågen (dvs., hvilket betyder en “NAP fordel”, figur 4). Desuden, dem, d…

Discussion

Denne artikel beskriver, hvordan man undersøger søvn afhængig konsolidering af deklarativ hukommelse under lur i den tidlige barndom. Metoder omfatter adfærdsmæssig vurdering af hukommelse på tværs af NAP og vågne betingelser, actigrafi og forælder-rapport til at vurdere søvn cyklusser, og PSG at vurdere søvn arkitektur. Denne unikke kombination er afgørende for at vurdere hukommelse, karakterisering søvn cyklusser, og undersøge de neurale mekanismer underliggende fordelen ved søvn på hukommelsen. Repræs…

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.