Veranderingen in de hersenconnectiviteit tijdens de slaap door transcraniële neurostimulatie met gesloten lus voorspellen metageheugengevoeligheid deel 3

RESULTATEN

Gedragseffecten

Zoals gerapporteerd door Pilly et al. (2020) leidde STAMP-stimulatie niet tot een significante verbetering van de algehele nauwkeurigheid van het herinneren van het geheugen. STAMP-stimulatie leidde echter tot verbeterde metageheugengevoeligheid op dag 3 van het experiment (na nacht 2).

Metageheugengevoeligheid verwijst naar het bewustzijn en begrip van een persoon van het geheugenvermogen dat hij bezit, terwijl geheugenvermogen verwijst naar het geheugenvermogen van een persoon dat in specifieke oefeningen wordt gedemonstreerd. Er bestaat een nauwe relatie tussen de twee.

Ten eerste heeft de gevoeligheid van het metageheugen een directe invloed op de geheugenprestaties. Als iemand gelooft dat hij of zij vertrouwen heeft in een bepaald type geheugen, zal hij of zij de neiging hebben harder te werken om het te onthouden en beter te presteren bij dat soort geheugentaak. Als iemand daarentegen geen vertrouwen heeft in zijn geheugencapaciteiten, kan dit ertoe leiden dat hij of zij minder goed presteert bij geheugentaken, waardoor zijn geheugenvermogen afneemt.

Ten tweede helpt positieve metageheugengevoeligheid het geheugen te verbeteren. Als iemand gelooft dat er ruimte is voor verbetering van zijn geheugenvermogen, zal hij actiever zijn in het trainen van zijn geheugenvermogen, waardoor de nauwkeurigheid en persistentie van het geheugen worden verbeterd. Degenen die geloven dat hun geheugenvermogen zijn hoogtepunt heeft bereikt, zijn vaak niet in staat nieuwe geheugenuitdagingen aan te gaan en missen daardoor de kans om hun geheugenvermogen te verbeteren.

Daarom moeten we onze metageheugengevoeligheid actief cultiveren, de beperkingen en instellingen van ons geheugenvermogen doorbreken en geloven dat we onze geheugentaken kunnen blijven verbeteren. Tegelijkertijd moeten we ook vertrouwen op de opgebouwde training en oefening om ons geheugenvermogen te verbeteren, zodat het effectiever kan worden gebruikt in specifieke oefeningen. Alleen op deze manier kunnen we ons geheugenpotentieel maximaliseren en betere resultaten bereiken. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren, en Cistanche deserticola kan het geheugen aanzienlijk verbeteren, omdat Cistanche deserticola ook de balans van neurotransmitters kan reguleren, zoals het verhogen van de niveaus van acetylcholine en groeifactoren. Deze stoffen zijn erg belangrijk voor het geheugen en het leren. Bovendien kan Cistanche deserticola ook de bloedstroom verbeteren en de zuurstoftoevoer bevorderen, wat ervoor kan zorgen dat de hersenen voldoende voedingsstoffen en energie ontvangen, waardoor de vitaliteit en het uithoudingsvermogen van de hersenen worden verbeterd.

Klik op supplementen kennen om het geheugen te verbeteren

Concreet bleek uit afhankelijke t-tests die de gevoeligheid van metageheugen tussen verschillende condities vergeleken, dat de gevoeligheid in de Tag & Cue-conditie significant groter was dan zowel in de Tag- als in de No Cue-conditie [t(23)=3.51,aangepast p < 0 .01, Holm-Bonferroni-correctie voor twee vergelijkingen; gepaarde steekproef Cohen'sd=0.72] en schijnconditie [t(23)=2.089, aangepaste p=0.048, Holm-Bonferroni-correctie voor twee vergelijkingen; gepaarde monster Cohen's d=0.43].

Een significante verbetering in de gevoeligheid van het metageheugen werd pas op dag 3 van het experiment gevonden. De toepassing van STAMP's tijdens SWO's in de twee nachten na de eenmalige weergave leidde dus tot een specifieke verbetering van het metageheugen voor de afleveringen die zowel getagd als gecued waren.

Mondiale coherentieveranderingen

Als eerste stap onderzochten we de algemene veranderingen in de gemiddelde coherentie over de hoofdhuid als gevolg van STAMP-stimulatie om te bepalen of stimulatie tot meetbare veranderingen in de connectiviteit leidde.

Daarnaast probeerden we eerder werk te repliceren en te beoordelen of stimulatie vergelijkbare veranderingen in de coherentie zou veroorzaken als leren tijdens de slaap (Mölle et al., 2004). Eerder werk (Mölle et al., 2004) rapporteerde modulatie van de delta-, spil- en gammabandcoherentie tijdens de slaap na het leren; Ander werk (Polanía et al., 2011) toonde daarentegen een verhoogde connectiviteit aan over alle frequentiebanden na tDCS-stimulatie.

Daarom veronderstelden we dat STAMP-stimulatie de gemiddelde coherentie zou vergroten in vergelijking met de Sham-conditie in de delta-, spil- en gamma-banden, maar onderzochten we ook de verschillen in andere banden met conservatieve statistische tests.

De gemiddelde iCoh-waarden in alle frequentiebanden werden berekend voor actieve en sham-basislijngecorrigeerde gegevens om veranderingen in de globale connectiviteit te onderzoeken, en dus werden eenzijdige t-tests uitgevoerd op de gemiddelde coherentiewaarden in elke frequentieband en gecorrigeerd voor het gebruik van een foutief ontdekkingspercentage van p.< 0.05 (Benjamini & Hochberg, 1995). 

Coherentiekaarten die een grotere connectiviteit in de actieve toestand over de hoofdhuid lieten zien, werden gevisualiseerd door de visualisatiedrempel in te stellen op het maximum van de schijnconditie voor elke frequentieband, waarbij in wezen de schijnconditie werd afgetrokken. Door stimulatie geïnduceerde gemiddelde coherentieveranderingen in verschillende frequentiebanden zijn uitgezet in figuur 3.

De topografiegrafieken geven de coherentie weer tussen paren elektroden in de actieve toestand, gedrempeld door de coherentie in de schijntoestand, terwijl de boxplots die met de drempelwaarde worden weergegeven, de coherentiewaarden over de gehele hoofdhuid betekenen. Uit de analyse van algemene veranderingen in de coherentie over de hoofdhuid bleek dat STAMP's een significante toename van de gemiddelde coherentie in meerdere frequentiebanden veroorzaakten.

De EEG-coherentie was aanzienlijk toegenomen na STAMPs in de theta-, alfa- en spindelbanden (p < 0.05) vergeleken met de Sham-conditie. De gemiddelde coherenties in de delta-, bèta- en gammabanden verschilden niet significant tussen de stimulatieomstandigheden. . STAMP-stimulatie veroorzaakte dus veranderingen in de hersenconnectiviteit in specifieke frequentiebanden.

Classificatie en gedragsvoorspelling

De resultaten van de classificatieanalyse zijn uitgezet in Figuur 4 en uiteengezet in Tabel 1. De gemiddelde belangrijkheidswaarden over vouwen voor door Boruta geselecteerde kenmerken zijn aan de linkerkant uitgezet, waarbij kenmerken die consequent als belangrijk worden beschouwd groen zijn gemarkeerd (aanzienlijk boven de gemiddelde schaduwmax). Over de vouwen heen werd de straal in de spilband (12–15 Hz) consequent als het belangrijkste kenmerk gekozen.

Andere belangrijke kenmerken waren onder meer: ​​padlengte (12–15 Hz) en gemiddelde coherentie en dichtheid (3–8 Hz). ROC-curven van de prestaties van de classificator worden aan de rechterkant uitgezet. Zoals uiteengezet in Mason en Graham (2002), werden Mann-Whitney U-tests uitgevoerd op elke classificator om te bepalen of de prestaties van de classificator statistisch significant waren boven de kans (AUC=0.5). Alle tests rapporteerden significante p-waarden (p <0,001).

We hebben bovendien betrouwbaarheidsintervallen van 95% berekend met behulp van een geastratificeerde bootstrap-resampling-aanpak met 10,000 bootstrap-replicaties, die de classificatieprestaties boven de kans verder aantoonden (Carpenter & Bithell, 2000).

De nauwkeurigheid van de classificatie was dus boven het toeval, en het nemen van de topvariabelen uit classificatie- en regressieanalyses (padlengte in 16–30 Hz en straal in 12–15 Hz) leidde tot de beste classificatieprestaties.

Als vervolganalyse werden de vier kenmerken die door het Boruta-algoritme voor classificatie waren geselecteerd, onderworpen aan t-tests, waarbij het verschil in connectiviteit tussen de actieve en schijnbare omstandigheden werd getest. De resulterende p-waarden werden gecorrigeerd met een valse ontdekkingssnelheid ingesteld op {{ 2}}.05.

De gecorrigeerde p-waarden voor een padlengte en -radius van 12–15 Hz en een gemiddelde coherentie van 3–8 Hz waren significant ( p=0.029); de dichtheid van 3–8 Hz was ook significant op een alfa-significantieniveau ( p=0.05). Connectiviteitskenmerken die aanzienlijk veranderd waren na actieve stimulatie in vergelijking met schijnstimulatie, werden dus gevonden door de pijplijn voor functieselectie. Padlengte en straalkenmerken van pre- tot poststimulatie waren significant verminderd in de actieve toestand vergeleken met sham, terwijl de gemiddelde coherentie en dichtheidskenmerken significant waren toegenomen in vergelijking met sham.

Boxplots die deze kenmerken voor beide aandoeningen tonen, worden weergegeven in Ondersteunende Informatie Figuur S3. De resultaten van de gedragsvoorspellingsanalyse zijn uitgezet in Figuur 5 en uiteengezet in Tabel 2.

Hier werden veranderingen in neurale metingen na stimulatie gebruikt als kenmerken om veranderingen in de metageheugengevoeligheid (AUC) van de herinneringstest te voorspellen voor zowel de Tag & Cue- als de Sham-condities van dag 2 tot dag 3 om relaties tussen hersengedrag te identificeren.

De belangrijkheidswaarden van Boruta voor grafiektheoretische kenmerken zijn links uitgezet. De padlengte in de bètaband (16-30 Hz) werd als zeer belangrijk beschouwd voor het voorspellen van veranderingen in de gevoeligheid van het metageheugen, en was het enige geselecteerde kenmerk. De relatie tussen door stimulatie geïnduceerde verandering in de padlengte van 16-30 Hz en de nachtelijke verandering in de AUC-prestaties voor zowel de actieve (Tag & Cue) gegevens als de schijnomstandigheden wordt rechts weergegeven.

De correlatie tussen verandering in bètabandpadlengte en verandering in AUC was significant voor de actieve toestand (r=−0.66, p=0.003), wat aangeeft dat personen met een verminderde padlengte na STAMPs de neiging hadden een positieve verandering in de geheugenprestaties te vertonen. Deze relatie was niet significant voor de Sham-conditie (r=−0.22, p=0.39).

Op basis van de uitkomst van deze analyses werden vervolglineaire regressies uitgevoerd die de nachtelijke verandering in metacognitieve gevoeligheid voorspelden met behulp van padlengte in de 16-30 Hz-band voor zowel de actieve gegevens als de schijngegevens.

Voor de actieve gegevens voorspelde de padlengte van 16–30 Hz de AUC-verandering aanzienlijk (t=−3,56, p=0.003, adj. R{{7} }.41). Voor de Sham-gegevens was de padlengte van 16-30 Hz geen significante voorspeller (t=−0,88, p=0.39, adj. R2=−0,01). Aanvullende analyses om de actieve en schijnomstandigheden te vergelijken werden ook uitgevoerd en worden verder beschreven in de ondersteunende informatie.

DISCUSSIE

In het huidige experiment voerden de deelnemers een episodische geheugentaak uit terwijl ze unieke spatiotemporele patronen van transcraniale elektrische stimulatie ontvingen, en een subset van de patronen werd opnieuw toegepast tijdens up-states van SWO's in daaropvolgende nachten om reactivering van specifiek geassocieerde herinneringen te bewerkstelligen (zie Pilly et al., 2020).

Hier rapporteren we veranderingen in functionele hersenconnectiviteit die worden veroorzaakt door deze tES-patronen tijdens de slaap en die voorspellend waren voor veranderingen in de gevoeligheid van het metageheugen van vóór de slaap tot na de slaap.

Met behulp van machinale leertechnieken om belangrijke kenmerken te identificeren voor het classificeren tussen actieve en schijnstimulatie, ontdekten we dat connectiviteitskenmerken in de theta- en spilbanden aanzienlijk verschilden tussen de twee omstandigheden.

Bovendien ontdekten we dat veranderingen in de padlengte in de bètaband veranderingen in de geheugengevoeligheid voorspelden, in die zin dat prestatieverbeteringen gedurende de nacht gerelateerd waren aan de afname van de bètapadlengte na stimulatie.

Alles bij elkaar dragen deze resultaten bij aan een groeiende hoeveelheid onderzoek naar de neurale processen die ten grondslag liggen aan geheugenreactivaties en consolidatie tijdens de slaap en suggereren dat modulatie van padlengte op specifieke frequenties tijdens het consolidatieproces kan leiden tot meer vertrouwen en betere besluitvorming voor nieuw geconsolideerde herinneringen.

De korte uitbarstingen van tES, of STAMPs, die in het huidige experiment werden gebruikt, verhoogden de algehele samenhang van de hoofdhuid in lagere frequentiebanden, namelijk in de theta-, alfa- en spilbanden, of in wezen van 3-15 Hz. Interessant is dat veranderingen in de connectiviteit van de spindelband tijdens de slaap ook werden gevonden na het leren; er werden echter geen veranderingen in connectiviteit gevonden in de delta- of gammabanden na STAMP-stimulatie, wat enigszins in strijd is met eerder experimenteel werk (Mölle et al., 2004).

Het hier gebruikte stimulatieprotocol verschilde echter grotendeels van eerdere onderzoeken, namelijk dat we korte uitbarstingen van spatiotemporeel verdeelde elektrische stromen gebruikten die in de eerste plaats waren ontworpen om specifieke herinneringen op te roepen vanwege hun uniekheid en associatie met de coderingsperiode, en niet om specifieke oscillaties te moduleren of mee te nemen. Belangrijk is dat activiteit in de gerapporteerde frequentiebanden, met name de theta- en spilbanden, verband houdt met het geheugenconsolidatieproces (Staresinaet al., 2015).

STAMPs hebben dus mogelijk de voortdurende processen van geheugenreactivatie of -consolidatie tijdens de slaap gemoduleerd, wat heeft geleid tot veranderingen in de connectiviteit in de waargenomen frequentiebanden. Recent werk heeft ook vraagtekens gezet bij de effectiviteit van tES bij het aanzienlijk beïnvloeden van gedrag (Horvath et al., 2015). zoals in zijn vermogen om neurale schietpatronen of oscillerende activiteit te moduleren (Lafon et al., 2017; Vöröslakos et al., 2018).

Andere onderzoeken hebben echter meetbare neurale veranderingen aangetoond bij mensen en niet-menselijke primaten na tES, zelfs bij lagere intensiteitsniveaus (Huang et al., 2017; Krause et al., 2017; Opitz et al., 2016). Een bijzondere zorg is het vermogen van tES, met name wisselstroomstimulatie, om neurale oscillaties naar een specifieke frequentie te leiden.

Hier beweren we niet dat de gerapporteerde elektrofysiologische veranderingen het gevolg zijn van oscillerende meesleuren door de korte uitbarstingen van stimulatie, of dat we deze veranderingen de novo teweegbrengen, maar eerder dat de STAMPs fungeren om voortdurende geheugenconsolidatieprocessen te stimuleren, die plaatsvinden door subtiele modulaties van netwerkstructuren. connectiviteit op niveau. We zouden stellen dat de waargenomen connectiviteitspatronen tijdens de slaap natuurlijke fenomenen zijn die optreden en leiden tot geheugenconsolidatie, en dat STAMP-stimulatie op deze reeds bestaande processen inwerkte om de gevoeligheid van het metageheugen te vergroten.

De gerapporteerde modulatie van grafiektheoretische metrieken in de theta- en spilbanden na STAMPs komt overeen met eerder onderzoek dat deze oscillaties impliceert in de processen van geheugenreactivering en -consolidatie. Gerichte geheugenreactivering tijdens de slaap met auditieve signalen leidt tot een toename van het theta- en spilvermogen (Ong et al., 2016; Schreiner et al.,2015; Schreiner & Rasch, 2014).

Talrijke onderzoeken hebben ook het belang aangetoond van thetabandactiviteit voor het coderen en ophalen van geheugen tijdens het ontwaken (Backus et al., 2016; Lega et al., 2012; Nyhus & Curran, 2010); in het bijzonder zijn theta-oscillaties in de hippocampus van cruciaal belang voor de codering van episodische geheugens (Hasselmo et al., 2002; Lin et al., 2017). Op soortgelijke wijze zijn thalamocorticale spindels gerelateerd aan episodisch geheugen (Van Der Helm et al., 2011) en spelen ze een belangrijke rol in het proces van geheugenconsolidatie, waardoor mogelijk de overdracht van nieuw gecodeerde informatie in de mediale temporale kwabben naar stabiele representaties in de hersenschors wordt vergemakkelijkt (Sirota et al., 2003; Staresina et al., 2015).

Tijdens de slaap kan Theta-activiteit indicatief zijn voor het geheugenreactivatieproces, terwijl spindelactiviteit de actieve consolidatie van de gereactiveerde herinneringen kan weerspiegelen. Hier hebben STAMPs mogelijk de reactivering van de bijbehorende herinneringen gestimuleerd, wat heeft geleid tot een versterkte consolidatie van deze informatie. Deze consolidatie leidde tot een groter vertrouwen voor herinneringen stroomafwaarts.

De theoretische metingen van de theta-bandgrafiek die aanzienlijk werden gemoduleerd door STAMP's waren gemiddelde coherentie en dichtheid. Gemiddelde coherentie verwijst naar de gemiddelde coherentie over alle hoekpunten, terwijl de dichtheid wordt berekend als het aantal verbindingen in de grafiek, genormaliseerd door het totaal mogelijke aantal verbindingen (Sporns, 2003).

Veranderingen in deze metingen suggereren dat STAMPs de algehele coherentie in de theta-band tussen kanalen vergrootten, wat leidde tot een groter aantal randen boven de afsnijdrempel en dus een hogere gemiddelde verbindingsdichtheid. Deze grotere samenhang en dichtheid kan een weerspiegeling zijn van een toename van de uitwisseling van informatie in de thetaband over neurale gebieden na STAMPs. Dit komt overeen met eerdere bevindingen die een toename impliceren van de theta-coherentie tussen de hippocampus en de rhinale cortex (Fell et al., 2003), evenals de frontale cortex (Anderson et al., 2009; Benchenane et al., 2010), net zo belangrijk voor leren en geheugen, en mogelijk cruciaal voor geheugenreactivatie (Carr et al., 2011).

De theoretische metingen van de spindelbandgrafiek die aanzienlijk verschilden na STAMP-stimulatie waren padlengte en straal. Deze metingen zijn gerelateerd: de straal verwijst naar de minimale excentriciteit van de grafiek en de padlengte verwijst naar de gemiddelde excentriciteit van de grafiek, waarbij de excentriciteit van een knooppunt wordt gedefinieerd als de maximale afstand tot een ander knooppunt (Sporns, 2003).

De padlengte wordt vaak beschouwd als een maatstaf voor netwerkintegratie of efficiëntie van informatieoverdracht, waarbij kleinere padlengtes een grotere efficiëntie weerspiegelen (Bullmore & Sporns, 2009;Reijneveld et al., 2007).

Hier leidden STAMPs tot een gemiddelde afname van de padlengte en straal in de spilband, wat betekent dat de gemiddelde en minimale excentriciteit werden verlaagd en de efficiëntie van de informatieoverdracht werd verhoogd.

Dit kan een weerspiegeling zijn van een reorganisatie van het netwerk in de richting van een kleinwereldnetwerk (Watts & Strogatz, 1998), een bijna optimale structuur tussen een perfect geordend en willekeurig georganiseerd systeem, dat grotere flexibiliteit en synchronisatie van neurale activiteit mogelijk maakt (Barahona & Pecora, 2002). Bassett & Bullmore, 2006; Masuda & Aihara, 2004). Veranderingen in de "kleinwereld" worden vaak gemeten als veranderingen in de padlengte zonder daarmee gepaard gaande veranderingen in de lokale clustering of clustercoëfficiënt.

De waargenomen verandering in padlengte kan dus wijzen op een versterkte synchronisatie tussen hersengebieden, wat leidt tot een efficiëntere informatieoverdracht door spindels. Merk op dat effecten in de theta-band nauwer verband hielden met algemene veranderingen in de gemiddelde coherentie - in wezen veranderingen in de omvang van de connectiviteit in tegenstelling tot de efficiëntie.

Hoewel de gegevens hier geen causaal verband tussen deze veranderingen kunnen leggen, is een hypothetisch verband dat STAMP's een grotere connectiviteit in de thetaband veroorzaakten (Fell et al., 2003), en dat de efficiëntie van de Spindle-informatieoverdracht, gemeten als padlengte, werd opgevoerd om dit te compenseren. voor deze toename, wat leidt tot een verhoogde geheugenreactivering.

For more information:1950477648nn@gmail.com