Hoe gedrag de hersenen vormt en de hersenen gedrag vormen: inzichten uit geheugenontwikkeling

Voor meer informatie:ali.ma@wecistanche.com

Brongeheugenverbetert aanzienlijk tijdens de kindertijd. Men denkt dat deze verbetering nauw verband houdt met de rijping van de hippocampus. Aangezien eerdere studies voornamelijk cross-sectionele ontwerpen hebben gebruikt om de relaties tussenbrongeheugenen hippocampusfunctie, blijft het onbekend of veranderingen in de hersenen voorafgaan aan verbeteringen ingeheugenof vice versa. Om deze kloof te dichten, werd in het huidige onderzoek een versneld longitudinaal ontwerp (n=200, 100 mannen) gebruikt om 4- en 6-jarige menselijke kinderen gedurende 3 jaar te volgen. We hebben ontwikkelingsveranderingen getraceerd inbrongeheugenen intrinsieke hippocampale functionele connectiviteit en beoordeelde verschillen tussen de 4- en 6-jarige cohorten in de voorspellende relaties tussenbrongeheugenveranderingen en intrinsieke hippocampale functionele connectiviteit bij afwezigheid van een veeleisende taak. In overeenstemming met eerdere studies waren er leeftijdsgerelateerde stijgingen inbrongeheugenen intrinsieke functionele connectiviteit tussen de hippocampus en corticale regio's waarvan bekend is dat ze betrokken zijn bij geheugencodering. Nieuwe bevindingen toonden aan dat veranderingen in het geheugenvermogen vroeg in het leven de latere connectiviteit tussen de hippocampus en corticale regio's voorspelden en dat intrinsieke functionele connectiviteit van de hippocampus latere veranderingen in het brongeheugen voorspelde. Deze bevindingen suggereren dat gedragservaring en hersenontwikkeling interactieve, bidirectionele processen zijn, zodat ervaring toekomstige veranderingen in de hersenen vormt en de hersenen toekomstige gedragsveranderingen vormen. De resultaten suggereren ook dat zowel timing als locatie van belang zijn, aangezien de waargenomen effecten afhing van zowel de leeftijd van kinderen als de specifieke hersen-ROI's. Samen voegen deze bevindingen kritisch inzicht toe in de interactieve relaties tussen cognitieve processen en hun onderliggende neurologische basis tijdens de ontwikkeling.

Trefwoorden: versneld longitudinaal ontwerp; hersenontwikkeling;episodisch geheugen;hippocampale functionele connectiviteit;geheugen ontwikkeling; brongeheugen

Fengji Geng,1,3 Morgan Botdorf,2 en Tracy Riggins2

1Departement Curriculum and Learning Sciences, Zhejiang University, Zijingang Campus, Hangzhou, 310058, 2Departement Psychologie,

De Universiteit van Maryland, College Park, Maryland 20742, en 3Children's Hospital, Zhejiang University School of Medicine, National Clinical

Onderzoekscentrum voor kindergezondheid, Hangzhou, 310052

Betekenisverklaring

Cross-sectionele studies hebben aangetoond dat het vermogen om de contextuele details van eerdere ervaringen te onthouden (bijv.brongeheugen) is gerelateerd aan de ontwikkeling van de hippocampus in de kindertijd. Het is niet bekend of functionele veranderingen in de hippocampus voorafgaan aan verbeteringen ingeheugenof vice versa. Door een versneld longitudinaal ontwerp te gebruiken, ontdekten we dat vroegbrongeheugenveranderingen voorspelden latere intrinsieke hippocampale functionele connectiviteit en dat deze connectiviteit latere veranderingen in het brongeheugen voorspelde. Deze bevindingen suggereren dat gedragservaring en hersenontwikkeling interactieve, bidirectionele processen zijn, zodat ervaring toekomstige veranderingen in de hersenen vormt en de hersenen toekomstige gedragsveranderingen vormen. Bovendien varieerden deze interacties als een functie van de leeftijd en het hersengebied van kinderen, wat het belang van een ontwikkelingsperspectief benadrukt bij het onderzoeken van hersen-gedragsinteracties.

Klik om Cistanche vitamine winkel en Cistanche voor geheugen

Invoering

Het brongeheugen verbetert aanzienlijk tijdens de kindertijd (bijv. Riggins, 2014). In het bijzonder worden kinderen met de leeftijd beter in het rapporteren en onthouden van contextuele details van levenservaringen (Bauer, 2007). Deze ontwikkeling hangt nauw samen met de rijping van de hippocampus, zoals blijkt uit leeftijds- en geheugengerelateerde verschillen in de structuur en functie van de hippocampus tijdens de ontwikkeling (zie Ghetti en Bunge, 2012 voor een overzicht; Sastre et al., 2016; Tang et al., 2018; Riggins et al., 2020). Eerdere studies hebben voornamelijk cross-sectionele ontwerpen gebruikt om de relaties tussen hersen- en geheugenontwikkeling te beoordelen, waardoor echte ontwikkelingsveranderingen niet kunnen worden onderzocht en mogelijk worden beïnvloed door verstorende factoren, zoals cohorteffecten. Daarom blijft het onbekend of veranderingen in de hersenen voorafgaan aan verbeteringen in het geheugen of omgekeerd. Bovendien hebben eerdere studies zich gericht op jonge kinderen of schoolgaande kinderen, wat het vergelijken van verschillende ontwikkelingsperioden moeilijk maakt. Om deze lacunes aan te pakken, gebruikte de huidige studie een versneld longitudinaal ontwerp om 4- en 6-jarige kinderen gedurende 3 jaar te volgen. Dit ontwerp stelde ons in staat om ontwikkelingsveranderingen in intrinsieke hippocampale functionele connectiviteit (iHFC) te onderzoeken en om verschillen te beoordelen tussen de 4- en 6-jarige cohorten in de voorspellende relaties tussen brongeheugen en functionele connectiviteit (zie Fig. 1).

Bij volwassenen wordt aangenomen dat intrinsieke functionele connectiviteit de functionele architectuur van de hersenen weerspiegelt, die ontstaat als gevolg van taak-opgewekte co-activering tussen hersengebieden (Fox en Raichle, 2007). De intrinsieke functionele connectiviteitspatronen van kinderen zijn waarschijnlijk op een vergelijkbare manier geconstrueerd; de vormhypothese op de lange termijn heeft echter voorgesteld dat deze connectiviteitspatronen in de loop van de tijd worden gevormd als gevolg van zowel rijping als ervaring (Gabard-Durnam et al., 2016). Door bijvoorbeeld 4- tot 18-jarigen gedurende 2 jaar te volgen, gaven prospectieve analyses aan dat door taak opgewekte functionele amygdala-connectiviteit de functionele connectiviteit in rusttoestand 2 jaar later voorspelde, maar niet gelijktijdig (Gabard-Durnam et al., 2016). Deze bevindingen suggereren associaties tussen taakgebaseerde hersenactivatie en intrinsieke functionele connectiviteit bij zowel kinderen als volwassenen; dergelijke associaties kunnen echter per ontwikkeling verschillen.

Empirische gegevens ondersteunen ook bidirectionele invloeden tussen de hersenen en het gedrag. Ten eerste ondersteunen eerdere studies het idee dat gedragsveranderingen vorm geven aan taakgebaseerde en intrinsieke functionele connectiviteit (bijv. Jolles et al., 2016; Clark et al., 2017; Rosenberg-Lee et al., 2018). Bijvoorbeeld, bij 8- tot 9-jarige kinderen versterkte 8 weken wiskunde bijles iHFC tot intrapariëtale sulcus (Jolles et al., 2016). Ten tweede hebben empirische studies aangetoond dat intrinsieke functionele connectiviteit de winst in cognitieve vaardigheden later in de ontwikkeling kan voorspellen (bijv. Hoeft et al., 2011; Supekar et al., 2013; Evans et al., 2015). Supekar et al. (2013) ontdekten dat iHFC, gemeten vóór bijles wiskunde, prestatieverbeteringen voorspelde na bijles tijdens de middelbare kindertijd.

Op basis van deze onderzoeken hebben we onderzocht of er bidirectionele invloeden waren tussen veranderingen in het brongeheugen en intrinsieke functionele connectiviteit van de hippocampus naar hersenregio's waarvan werd gemeld dat ze het coderen van contextuele informatie ondersteunen (Geng et al., 2019). We gebruikten een versneld longitudinaal ontwerp om het volgende te beoordelen: (a) leeftijdsgerelateerde veranderingen in gelijktijdige relaties tussen brongeheugen en iHFC; (b) voorspellende relaties tussen vroege veranderingen in het brongeheugen en latere iHFC; en (c) voorspellende relaties tussen vroege iHFC en latere veranderingen in het brongeheugen (Fig. 1).

We veronderstelden dat vroege brongeheugenwinsten latere iHFC zouden voorspellen, omdat men denkt dat de impact van ervaring in de loop van de tijd toeneemt (Gabard-Durnam et al., 2016). Er werd verwacht dat het accumuleren van ervaringen met alledaagse geheugenactiviteiten tijdens de kindertijd tot ontwikkelingsveranderingen in iHFC zou leiden. Bovendien, vanwege de grotere plasticiteit in het begin van de ontwikkeling (bijv. Tottenham en Sheridan, 2010), verwachtten we dat geheugenveranderingen de latere connectiviteit in het jongere versus oudere cohort robuuster zouden voorspellen.

Omdat hersenconnectiviteit is gesuggereerd om later gedrag vorm te geven (bijv. Evans et al., 2015), veronderstelden we dat iHFC winst in brongeheugencapaciteiten zou voorspellen. Bovendien, omdat de hippocampusfunctie volwassener is tijdens de middelste versus de vroege kinderjaren (Geng et al., 2019), veronderstelden we dat connectiviteit na 6 jaar het toekomstige geheugen robuuster zou voorspellen dan connectiviteit na 4 jaar.

Materialen en methodes

Deelnemers Kinderen namen deel aan een groot onderzoek naar geheugen en hersenontwikkeling in de vroege kinderjaren, waarbij gebruik werd gemaakt van een versneld longitudinaal ontwerp (N=200, 100 mannen) (Riggins et al., 2018; Geng et al., 2019). De eerste golf (W1) van het onderzoek omvatte 4- tot 8-jarige kinderen. De 4- en 6-jarige kinderen werden uitgenodigd voor twee opeenvolgende testrondes (W2 en W3; Fig. 2). In totaal waren er drie golven, en elke golf omvatte jonge en oude cohorten (jong cohort: W1=4 jaar, W2=5 jaar, W3=6 jaar; oud cohort: W{{ 17}} jaar, W2=7 jaar, W3=8 jaar). Tabel 1 toont het aantal kinderen dat in elk cohort 3, 2 of 1 gegevensgolf heeft verstrekt voor eindanalyses. De belangrijkste redenen voor het verlies van neuroimaging-gegevens waren dat de kinderen te veel bewogen, in slaap vielen tijdens de scan, weigerden de scanner in te gaan, of de families niet opvolgden.

We hebben het IQ van kinderen op W1 gemeten met behulp van de subtests voor woordenschat en blokontwerp van de Wechsler Intelligence Scale for Children (Ed 4) (Wechsler, 2003) of de Wechsler Preschool and Primary Scale for Intelligence (Wechsler, 2012 ). Alle kinderen in de analyses hadden een gemiddeld tot bovengemiddeld geschat IQ. Er werd geen verschil gevonden tussen de jonge en oude cohorten in geschaalde scores op de woordenschat (jong: gemiddeld=11.07, SD=2.96; oud: gemiddeld=11.66, SD { {11}}.55; p=0.33) of blokontwerp-subtests (jong: gemiddeld=12.96, SD=2.73; oud: gemiddeld=13. 03, SD=3.00; p=0.92). Ouders meldden dat alle deelnemers gezond waren zonder enige neurologische ontwikkelingsstoornissen, neurologische aandoeningen of psychiatrische aandoeningen. Bovendien rapporteerden ouders 88,5 procent van de kinderen als rechtshandig, 6,8 procent als linkshandig, 3,7 procent als tweehandig en 1 procent als niet te bepalen.

Experimenteel ontwerp Codering. Tijdens het eerste bezoek leerden kinderen nieuwe feiten (bijv. "Een groep neushoorns wordt een crash genoemd") van een van de twee verschillende bronnen, een vrouwelijke volwassene ("Abby") en een pop met mannelijke stem ("Henry") via digitale video's (Drummey en Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Elke bron leverde 6 feiten op voor een totaal van 12 feiten. De presentatie van feiten werd geblokkeerd door de bron, waarbij kinderen eerst 6 feiten uit de ene bron leerden, gevolgd door 6 feiten uit de andere bron, en de volgorde van de blokken werd willekeurig verdeeld over de deelnemers. Er waren drie lijsten met feiten; elke lijst bestond uit unieke feiten die op alle lijsten gelijk waren (bijv. "Een groep kangoeroes wordt een menigte genoemd" of "Een groep geiten wordt een stam genoemd"). Deze lijsten werden willekeurig verdeeld over de deelnemers. Kinderen werd gevraagd aandacht te schenken aan de feiten, aangezien ze de volgende week op de feiten zouden worden getest, maar er werd niet verteld dat ze zouden worden getest op de bron van de feiten. Voorafgaand aan het experiment werd aan de kinderen gevraagd of ze de feiten kenden. Bekende feiten werden uitgesloten en werden vervangen door aanvullende nieuwe feiten uit de lijst van dezelfde bron (maar dit kwam zelden voor). Elke bron had 8 mogelijke feiten om de mogelijkheid te verklaren dat kinderen 1 of 2 van de feiten zouden kennen. Als een kind 3 of meer feiten uit één bron kende, werd het totale aantal feiten waarop het kind werd getest verminderd (maar dit was zeldzaam, n=4).

Ophalen. Tijdens het tweede bezoek werden kinderen op hun geheugen getest op de feiten en bronnen van het eerste bezoek. Kinderen werd gevraagd 22 trivia-vragen te beantwoorden en de onderzoeker te vertellen waar ze de antwoorden op die trivia-vragen hadden geleerd. Ze kregen te horen dat ze enkele van de vragen de week ervoor hadden geleerd van "Abby" of "Henry", sommige misschien buiten het laboratorium (bijvoorbeeld van een leraar of ouder), en sommige misschien niet. De kinderen leerden 6 van de 22 feiten die door "Abby" werden gepresenteerd, 6 van "Henry", 5 waren feiten die algemeen bekend waren bij kinderen (bijv. "Welke kleur heeft de lucht?"), en 5 waren feiten die kinderen normaal gesproken niet zouden weten (bijv. "Hoe heet het gekleurde deel van uw oog?"). Elke lijst met 22 feiten had twee willekeurige presentatieorders, en deze orders werden verdeeld over de deelnemers. Als kinderen zich de bron van een bepaalde vraag niet konden herinneren, werden vijf meerkeuzeopties gegeven: ouders, leraar, meisje in de video, een pop in de video, of wist / raadde het gewoon.

Het brongeheugen werd berekend als het percentage vragen waarvoor kinderen zowel het feit als de bron nauwkeurig herinnerden of herkenden van het totale aantal geleerde feiten (zie de formule hieronder). Men denkt dat deze maatstaf voor het brongeheugen de binding van feiten en bronnen weerspiegelt, wat een belangrijk aspect is van het episodisch geheugen (Miller et al., 2013; Cooper en Ritchey, 2020).

Tijdens de taakvrije scan werd de hoofdbeweging van de deelnemer in realtime gevolgd. Als een deelnemer tijdens de eerste helft van een run overmatige hoofdbeweging vertoonde (0,2 mm in elke richting), werd de scan opnieuw gestart en werd de deelnemer eraan herinnerd zo stil mogelijk te blijven.

Voorbewerking van beeldvormingsgegevens In de analyses werden alle 210 verzamelde fMRI-beelden in rusttoestand opgenomen, aangezien de eerste vier volumes werden weggegooid voordat de gegevens werden verzameld vanwege de instabiliteit van het initiële MR-signaal en de aanpassing van de deelnemer. De voorbewerking omvatte de volgende stappen. Eerst werden plaktijdcorrectie, hoofdbewegingscorrectie en afvlakking uitgevoerd met behulp van DPABI 1.3 (Yan et al., 2016). Vervolgens werd een onafhankelijke componentenanalyse uitgevoerd op afgevlakte gegevens met behulp van MELODIC, een FSL-toolbox, om artefactgerelateerde componenten te verwijderen (Geng et al., 2019). Na het verwijderen van alle artefactgerelateerde componenten, werden hersenextractie, normalisatie en filtering uitgevoerd. Volgens de procedure voorgesteld door Tillman et al. (2018) werd hersenextractie op T1-gewogen beeld afzonderlijk uitgevoerd in zes toolboxen: de Advanced Normalization Tools, AFNI, FSL, BSE, ROBEX en SPM8 om gegevens van hoge kwaliteit te garanderen. De voxels die door ten minste vier gereedschapskisten werden geëxtraheerd, werden in het hersenmasker opgenomen. Advanced Normalization Tools werden gebruikt om co-registratie en normalisatie uit te voeren. Statistische analyses werden uitgevoerd in AFNI (Cox, 1996). Tijdelijke banddoorlaatfiltering (0.01-0.1 Hz) en ruimtelijke afvlakking met een 5 mm FWHM Gauss-kernel werden uitgevoerd in AFNI op genormaliseerde gegevens.

Individuele zaadgebieden (bilaterale anterieure en posterieure hippocampus) werden afgeleid van de structurele scan met Freesurfer 5.1 (Fischl, 2012) en bewerkt met behulp van de Automatic Segmentation Adapter Tool (Wang et al., 20 11). De hippocampus werd verdeeld in voorste en achterste segmenten met behulp van handmatige identificatie van standaard anatomische oriëntatiepunten. De top van de oom diende als de grens tussen de voorste en achterste hippocampus (Duvernoy, 2005; Weiss et al., 2005). De beoordelaars waren blind voor de leeftijd en het geslacht van de deelnemers. Betrouwbaarheid voor identificatie van deze oriëntatiepunten gaf een overeenkomst van 94,60 procent aan binnen 1 slice en 99,99 procent overeenkomst binnen 2 slices. De intraclasscorrelatiecoëfficiënten waren hoog en varieerden van 0,897 tot 0,985. Wanneer er onenigheid was tussen beoordelaars over de juiste plaklocatie, werd de plak van de meer ervaren beoordelaar gebruikt.

Correlaties tussen de tijdreeksen van de individuele zaadgebieden (bilaterale voorste en achterste hippocampus) en die van de hele hersenen werden berekend om individuele functionele connectiviteitskaarten in rusttoestand te genereren. Vervolgens werd Fisher's r-naar-z-transformatie gebruikt om r-kaarten om te zetten in z-kaarten om normaal verdeelde waarden van de connectiviteitskaarten te verkrijgen. De z-waarden werden geëxtraheerd uit 6 ROI's: inferieure/superieure pariëtale lobule (IPL/SPL), inferieure occipitale gyrus (IOG), linker inferieure temporale gyrus (ITG), linker inferieure frontale gyrus (IFG), spoelvormige gyrus en orbitale frontale gyrus (OFG) (afb. 3). Deze hersengebieden werden gedefinieerd volgens eerder onderzoek, waaruit bleek dat 4- tot 8-jarige kinderen een grotere activatie vertoonden in deze gebieden tijdens het coderen voor items (dwz afbeeldingen van dieren en objecten) die ze vervolgens herinnerden met juiste bronnen dan die met onjuiste bronnen (dwz afbeeldingen van stripfiguren) (voor details, zie Geng et al., 2019). De activeringsverschillen suggereren dat deze zes hersengebieden van cruciaal belang zijn voor het coderen van contextuele informatie. Daarom werden deze regio's gekozen als ROI's in de huidige studie.

Statistische analyses Lineaire gemengde modellen werden gebruikt gezien hun vermogen om ongebalanceerde en onvolledige longitudinale gegevens te verwerken. In SPSS 20.0 is met name een reeks modellen met vaste effecten uitgevoerd om de associaties tussen leeftijd, brongeheugen en iHFC te testen. Eerst werden leeftijdsgerelateerde veranderingen in het brongeheugen beoordeeld. Vervolgens werden de relaties tussen leeftijd, brongeheugen en iHFC voor elke ROI geanalyseerd om de veranderingen in gelijktijdige relaties te beoordelen. Vervolgens werden de modellen gebruikt om te onderzoeken of eerdere veranderingen in het brongeheugen latere iHFC met elke ROI voorspelden en of eerdere functionele connectiviteit met elke ROI latere veranderingen in het brongeheugen voorspelde.

Zoals gesuggereerd in de inleiding, kost het tijd voordat gedrags- en hersenveranderingen elkaar vormen. Daarom hebben we de relaties tussen geheugenveranderingen tussen W1 en W2 en functionele connectiviteit op W3 geanalyseerd (figuur 1). Bovendien hebben we de relaties berekend van functionele connectiviteit op W1 tot geheugenveranderingen tussen W1 en W3 (figuur 1). Een andere praktische reden waarom de geheugenveranderingsintervallen verschillend waren tussen de twee voorspellingsanalyses, was dat er geen significante verandering was in het brongeheugen tussen W2 en W3 in het oude cohort. [Een andere interessante vraag is hoe veranderingen in het brongeheugen verband houden met veranderingen in iHFC; in de huidige steekproef was er echter te veel gegevensverlies vanwege beweging om veranderingen in iHFC binnen de twee cohorten te onderzoeken. Daarom worden enkelvoudige tijdpuntgegevens gebruikt voor functionele connectiviteitsanalyses.]

Continue covariaten (leeftijd, gemiddelde FD, verandering in brongeheugen en iHFC) in deze modellen werden gestandaardiseerd voor de volledige steekproef. Akaike's Informatiecriterium werd gebruikt om modellen van hoofdeffecten te vergelijken met modellen die zowel hoofd- als interactieve effecten bevatten. Modellen met de laagste Akaike's Information Criterion-waarde werden geselecteerd als het best passende model. Gezien de matige steekproefomvang (zie tabel 1) en het beperkte aantal ROI, werden correcties voor meerdere vergelijkingen niet toegepast. Als interacties met cohort (jong versus oud) werden waargenomen, werd de relatie tussen brongeheugenmetingen en iHFC opnieuw geschat voor elk cohort door de covariaten voor elke groep afzonderlijk te standaardiseren en de modelparameters opnieuw te schatten.

Resultaten

Gedragsresultaten

Er waren 194 kinderen die gegevens aanleverden voor gedragsanalyses (tabel 1). Om de prestaties van het brongeheugen te voorspellen, pasten modellen met vaste effecten, waaronder leeftijd, cohort (jong versus oud) en een leeftijdscohortinteractie beter dan het model dat alleen hoofdeffecten bevatte. Leeftijd was positief gerelateerd aan de prestaties van het brongeheugen (b=0.051, SE=0.023, t(353)= 2.281, p=0.023), en er was een significante interactie tussen leeftijd en cohort (b=-0.075, SE=0.031, t(353) {{17 }} 2.423, p=0.016). Toen deze interactie werd onderzocht, toonden de resultaten aan dat leeftijdsgerelateerde veranderingen in het brongeheugen groter waren in het jonge versus oude cohort (p, 0,001 versus p=0,028; Fig. 4). Er werden geen verschillen waargenomen tussen de 6--jarige kinderen uit het jonge cohort die werden getest op W3 en de 6--jarige kinderen uit het oude cohort die werden getest op W1 (p. 0.90). Daarnaast hebben we getest of er verschillen waren in het brongeheugen tussen leeftijdsgroepen in elk cohort. Alle vergelijkingen tussen leeftijdsgroepen bereikten significantie, met uitzondering van het verschil tussen 7 en 8 jaar (p=0.24).

Leeftijdgerelateerde veranderingen in gelijktijdige relaties tussen brongeheugen en functionele connectiviteit Vaste effecten van de lineaire gemengde modellen omvatten subregio, leeftijd en brongeheugen als onafhankelijke variabelen en iHFC als de afhankelijke variabele. Gemiddelde FD werd ook in het model opgenomen vanwege de marginaal significante relatie tussen leeftijd en gemiddelde FD zoals hierboven vermeld. De modellen met hoofdeffect hadden een betere pasvorm dan de modellen met interactie met leeftijdsbrongeheugen. Er waren significante hoofdeffecten van leeftijd bij het voorspellen van de connectiviteit tussen de hippocampus en linker IPL/SPL, IOG, linker ITG, linker IFG, spoelvormige gyrus en OFG. Met name, naarmate de leeftijd toenam, nam ook iHFC toe (Fig. 5). Het belangrijkste effect van brongeheugen was niet significant voor de connectiviteit tussen de hippocampus en een eventuele ROI.

Bovendien waren er verschillen in de connectiviteit tussen anterieure versus posterieure hippocampus en spoelvormig, linker ITG, IOG, OFG en linker IPL/SPL (tabel 3). In alle regio's behalve OFG was de connectiviteit groter voor de achterste vergeleken met de voorste hippocampus. In IFG was er een trending verschil in hippocampale functionele connectiviteit (anterieur, posterieur; tabel 3).

Voorspellende relaties tussen brongeheugenveranderingen van W1 naar W2 en functionele connectiviteit bij W3

Vaste effecten van de lineair gemengde modellen omvatten subregio (anterieur versus posterior), cohort (jong versus oud) en brongeheugenverandering (gedefinieerd als de verschillen in brongeheugen tussen W1 en W2). De gemiddelde FD werd niet in de modellen opgenomen omdat er geen verschil was in de bewegingsparameters (gemiddelde FD, absolute beweging en gegevenslengte) tussen jonge en oude cohorten (blz. 0.60). De modellen die de cohort-brongeheugenveranderingsinteractie bevatten, resulteerden in een betere modelpassing voor linker IFG en OFG. Daarentegen pasten de hoofdeffectmodellen beter bij de andere vier ROI's. Veranderingen in het brongeheugen tussen W1 en W2 waren positief gerelateerd aan W3 hippocampale functionele connectiviteit met linker IPL / SPL, IOG, linker ITG en spoelvormige gyrus (Tabel 4; Fig. 6).

Er waren significante interacties tussen cohort- en brongeheugenverandering die intrinsieke functionele connectiviteit voorspelden van de hippocampus naar linker IFG en OFG (tabel 4). Om deze interacties te onderzoeken, werden de fixed effects-modellen gebruikt om elk cohort afzonderlijk te beoordelen. In het jonge cohort waren veranderingen in het brongeheugen significant gerelateerd aan iHFC met linker IFG en OFG (b=0.109, SE=0.025, t( 73)=4.341, p , 0.001; b=0.068, SE=0.022, t(73)=3.117, p=0 .003). In het oude cohort waren deze associaties echter niet duidelijk (p-waarden .0,20). Daarom vormden gedragsverbeteringen in het brongeheugen alleen in het jonge cohort later intrinsieke functionele connectiviteit tussen de hippocampus en deze corticale regio's (figuur 7). Bovendien hebben we de bovenstaande analyses opnieuw uitgevoerd met brongeheugen op W1 en W2 opgenomen in de modellen om de relaties tussen veranderingen in het brongeheugen en latere functionele connectiviteit van de hippocampus te testen. Alle resultaten bleven hetzelfde, behalve dat het belangrijkste effect van veranderingen in het brongeheugen in linker IPL/SPL en IOG niet significant werd (p=0.18; p=0.11). Bovendien vertoonde de achterste hippocampus een grotere connectiviteit met spoelvormig, linker ITG, IOG en linker IPL / SPL dan de voorste hippocampus. Het verschil in OFG en linker IFG bereikte geen significantie (tabel 3).

Voorspellende relaties tussen functionele connectiviteit op W1 en brongeheugenveranderingen van W1 naar W3

Modellen met vaste effecten omvatten iHFC op W1 en cohort (jong versus oud) als onafhankelijke variabelen en verandering van brongeheugen van W1 naar W3 als de afhankelijke variabele. De gemiddelde FD werd niet in het model opgenomen omdat deze niet significant verschilde tussen cohorten (p. 0.70). Voor linker ITG en fusiform pasten de interactiemodellen beter. Voor de andere ROI's pasten de hoofdeffectmodellen beter, maar leverden ze geen significante bevindingen op.

De interacties tussen cohort en iHFC in linker ITG en spoelvormige gyrus voorspelden significant verandering in het brongeheugen (tabel 5). Om de interacties te onderzoeken, werden modellen met vaste effecten gebruikt om de relaties in elk cohort afzonderlijk te testen. In het oudere cohort was iHFC met linker ITG en spoelvormige gyrus gerelateerd aan verandering in het brongeheugen (b=–0.{{10}}}90, SE=0 .024, t(60)=3.76, p , 0.001; b=0.086, SE=0.029, t(60)= 2.998, p=0.004). Deze associatie werd echter niet waargenomen in het jonge cohort (p. 0,80). Daarom voorspelden alleen in het oude cohort functionele connectiviteit tussen de hippocampus en linker ITG en spoelvormige gyrus latere verbeteringen in het brongeheugen (Fig. 7).

Discussie

Deze studie gebruikte een versneld longitudinaal ontwerp om de voorspellende relaties tussen brongeheugenveranderingen en iHFC in de kindertijd te onderzoeken. Ten eerste vonden we leeftijdsgerelateerde verhogingen van de prestaties van het brongeheugen, ter ondersteuning van eerdere onderzoeken naar leeftijdsgerelateerde verschillen in brongeheugen in deze leeftijdsgroep (Drummey en Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Ten tweede gaven de resultaten aan dat iHFC binnen het geheugennetwerk toenam in de kindertijd, wat consistent is met eerdere cross-sectionele onderzoeken die vergelijkbare associaties aantoonden tussen leeftijd en hippocampale functionele connectiviteit (Blankenship et al., 2017; Geng et al., 2019). Ten slotte gaven de resultaten aan dat veranderingen in geheugenprestaties latere functionele connectiviteit voorspelden en vroege functionele connectiviteit latere veranderingen in het brongeheugen voorspelde.

Veranderingen in het brongeheugen voorspelden latere functionele connectiviteit van de hippocampus

Veranderingen in het brongeheugen vroeg in het leven voorspelden latere intrinsieke connectiviteit tussen de hippocampus en corticale regio's bij afwezigheid van een taak, wat suggereert dat gedrag latere functionele connectiviteit vormde. Specifiek, bij alle kinderen, voorspelden veranderingen in het geheugen intrinsieke connectiviteit van de hippocampus naar spoelvormig, verlieten ITG, IOG en verlieten IPL/SPL 1 jaar later. Bovendien, binnen het jongere cohort, voorspelden vroege geheugenveranderingen ook hippocampale functionele connectiviteit met linker IFG en OFG. In analyses die leeftijdsgerelateerde veranderingen in gelijktijdige relaties beoordeelden, was het geheugenvermogen echter niet gerelateerd aan iHFC. Deze bevindingen ondersteunen het idee dat levenservaring de hersenen tijdens de ontwikkeling vormt, een idee dat ook door andere bevindingen wordt ondersteund (Fox en Raichle, 2007; Gabard-Durnam et al., 2016). Het is bijvoorbeeld aangetoond dat taak-opgewekte functionele connectiviteit 2 jaar later functionele connectiviteit in rusttoestand voorspelt, maar niet gelijktijdig (Gabard-Durnam et al., 2016). Bovendien, zoals gesuggereerd door het interactieve specialisatieraamwerk, interpreteerden we de bevindingen om aan te tonen dat veranderingen in het geheugen vroeg in het leven de functionele integratie binnen het hippocampale geheugennetwerk kunnen stimuleren en dat dit proces tijd nodig heeft om zich te ontvouwen (Johnson, 2011; Poppenk et al., 2013). Met andere woorden, vroege geheugenwinst kan de geleidelijke verfijning van het hippocampale geheugennetwerk in de loop van de tijd weerspiegelen, wat uiteindelijk leidt tot verbeterde iHFC, zelfs tijdens de afwezigheid van een specifieke taak. Dit komt overeen met eerder onderzoek in andere cognitieve domeinen die aantoonden dat rekenkundige training veroorzaakte veranderingen in hippocampus-pariëtale connectiviteit in de middenkindertijd (Rosenberg-Lee et al., 2018).

Functionele connectiviteit van de hippocampus voorspelde latere veranderingen in het brongeheugen

Connectiviteit van de hippocampus naar spoelvormig en ITG voorspelde geheugenveranderingen 2 jaar later. Dit gold echter alleen voor het oudere cohort, zodat iHFC met spoelvormig en verliet ITF na 6 jaar geheugenveranderingen voorspelde 2 jaar later. Deze bevindingen ondersteunen de bewering dat activiteit in de hersenen ook gedrag kan vormen, en suggereren dat functionele integratie binnen het hippocampale geheugennetwerk toekomstige ontwikkelingswinsten in het geheugenvermogen bij kinderen vanaf 6 jaar kan voorspellen. Deze bevinding komt overeen met eerdere onderzoeken die suggereren dat eerdere iHFC door interventie geïnduceerde gedragsveranderingen in typische en atypische ontwikkelingspopulaties kan voorspellen (Hoeft et al., 2011; Supekar et al., 2013). Daarom suggereert onze studie dat de interactie tussen hersen- en gedragsontwikkeling op jonge leeftijd niet eenrichtingsverkeer is, maar een wederzijds proces: gedragsveranderingen geven vorm aan toekomstige hersenactiviteit en hersenactiviteit vormt toekomstige gedragsveranderingen.

Timing-effecten in de interactie tussen gedrags- en hersenontwikkeling

Onze resultaten suggereren dat timing van belang is in termen van de interacties tussen de hersenen en gedragsontwikkeling. In het bijzonder, hoewel eerdere geheugenveranderingen latere hippocampale connectiviteit met bepaalde corticale regio's in zowel jonge als oude cohorten voorspelden, waren alleen binnen het jongere cohort vroege geheugenveranderingen gerelateerd aan de functionele connectiviteit van de hippocampus naar linker IFG en OFG. Daarentegen voorspelde vroege functionele connectiviteit met fusiform en linker ITG significant latere geheugenveranderingen in het oudere cohort. We stellen twee mogelijke verklaringen voor deze timingverschillen voor. Ten eerste kunnen deze bevindingen het gevolg zijn van bekende verschillen in de omvang van leeftijdsgerelateerde veranderingen in de ontwikkeling van het brongeheugen tijdens de kindertijd. In overeenstemming met eerdere gedragsstudies die een versnelde veranderingssnelheid in het brongeheugen suggereren vóór het zesde levensjaar (Riggins, 2014), geeft de huidige studie aan dat geheugenveranderingen voor het 4-tot-6-jarige cohort groter waren. aanzienlijk dan voor het 6-tot-8-jarige cohort. Grotere geheugenveranderingen kunnen grotere veranderingen in de hersenen veroorzaken. Dit kan helpen verklaren waarom eerdere geheugenveranderingen in het jongere cohort de connectiviteit tussen de hippocampus en IFG en OFG voorspelden.

Als alternatief kan het verschil in timing het gevolg zijn van bekende verschillen in ontwikkelingsveranderingen in de hippocampus tijdens de kindertijd. Studies bij mensen en dieren geven consequent aan dat het geheugennetwerk van de hippocampus rond het zesde levensjaar een significante ontwikkeling doormaakt (Serres, 2001; Lavenex en Lavenex, 2013). Daarom kunnen 4-6 jaar een gevoelige periode zijn voor de ontwikkeling van de hippocampus, gekenmerkt door grotere plasticiteit (Tottenham en Sheridan, 2010). Deze claim is consistent met het argument dat het vormgeven van functionele architectuur bijzonder uitgesproken kan zijn tijdens ontwikkelingsperioden waarin neurale systemen het meest plastisch zijn en vatbaar voor omgevingsinput (Bick en Nelson, 2017). Nadat de gevoelige periode is afgelopen, kan het meer volwassen hippocampale geheugennetwerk beginnen met het stimuleren van ontwikkelingsveranderingen in geheugencapaciteiten. Dit kan verklaren waarom iHFC alleen gedragsveranderingen voorspelde in het oudere cohort. Daarom speculeren we dat pas nadat de hersenen een bepaalde rijpingsdrempel hebben bereikt, de functie ervan betrouwbaar en consistent gedrag kan voorspellen. De timingeffecten kunnen ook afhangen van de specifieke hersengebieden die functionele connectiviteit met de hippocampus vertonen. Vroege geheugenveranderingen van 4 tot 5 jaar voorspelden functionele connectiviteit tussen hippocampus en prefrontale regio's (IFG en OFG) na 6 jaar. In het oudere cohort werd functionele connectiviteit op 8-jarige leeftijd echter niet voorspeld door gedragsveranderingen van 6 tot 7 jaar. Daarentegen voorspelde iHFC alleen in het oudere cohort geheugenveranderingen 2 jaar later, en dit was specifiek voor het spoelvormige en ITG. Deze bevindingen zijn misschien vanwege de verschillende ontwikkelingstrajecten van deze neurale regio's. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat de ontwikkeling van de hersenen verloopt in een hiërarchische volgorde van sensorische naar associatie-cortices naar regio's die belangrijk zijn voor cognitieve functies (Gogtay et al., 2004; Shaw et al., 2008). IFG en OFG zijn regio's die geassocieerd zijn met cognitie van een hogere orde die later rijpen dan sensorische of associatieregio's. De bevindingen van de huidige studie komen dus overeen met het idee dat prefrontale regio's, zoals IFG en OFG, minder volwassen zijn, en daarom meer plastisch, in het jongere versus oudere cohort. Dit komt ook overeen met eerdere onderzoeken die aangeven dat een verhoogde functionele koppeling van de hippocampus met de PFC verband houdt met de ontwikkeling van geheugencapaciteiten (Qin et al., 2014). De huidige bevindingen breiden dit werk uit en suggereren dat 4-6 jaar een gevoelige periode kan zijn voor de functionele integratie tussen de hippocampus en de frontale regio's. Fusiform en ITG zijn daarentegen gerelateerd aan visuele verwerking en rijpen eerder dan prefrontale regio's. Een dergelijke vroege rijping zou ten grondslag kunnen liggen aan het vermogen van spoelvormig en ITG om gedragsveranderingen te voorspellen.

Sterke punten en beperkingen

Het huidige onderzoek heeft een aantal sterke punten. Door een versneld longitudinaal ontwerp te gebruiken, hebben we ontwikkelingsveranderingen in brongeheugen, iHFC en relaties daartussen getraceerd. Met dit ontwerp konden we ook timingverschillen testen door twee cohorten kinderen te vergelijken. Door ons te concentreren op een voorgestelde gevoelige periode voor de ontwikkeling van brongeheugen, konden we onderzoeken hoe het geheugennetwerk van de hippocampus wordt verfijnd binnen dit belangrijke ontwikkelingsvenster en hoe het zich verhoudt tot verbeteringen in het geheugen.

Deze studie heeft ook beperkingen. Vanwege de beperkte steekproefomvang konden we niet onderzoeken hoe veranderingen in functionele connectiviteit in de loop van de tijd verband houden met geheugen. Vanwege de steekproefomvang hebben we er ook voor gekozen om geen volledige hersenanalyses uit te voeren en in plaats daarvan te vertrouwen op ROI's die zijn afgeleid van een taakgebaseerd onderzoek met kinderen uit hetzelfde longitudinale onderzoek. Er kunnen dus ook bevindingen bestaan ​​met extra hersenregio's, die niet zijn opgenomen in de huidige set ROI's. Bovendien werden de ROI's gedefinieerd in een taak met alleen beeldmateriaal. Daarentegen werd het brongeheugen in deze studie gemeten in een taak waarbij zowel beeldmateriaal als verbaal materiaal betrokken was. Het is niet bekend of verschillende hersengebieden zouden worden geactiveerd om contextuele informatie te coderen door visuele versus verbale modaliteiten te gebruiken. Ten slotte, hoewel een deel van de kinderen in de steekproef taakgebaseerde fMRI-gegevens leverde om ROI's te definiëren, hadden we niet genoeg taakgebaseerde MRI-gegevens om ontwikkelingsrelaties tussen de taakgebaseerde hippocampale functionele connectiviteit en de connectiviteit gemeten zonder een veeleisende taak te beoordelen. opgelegd.

Concluderend concentreerde onze studie zich op de mechanismen die verband houden met ontwikkelingsveranderingen in het brongeheugen en het onderliggende hippocampale netwerk tussen 4 en 8 jaar oud. Resultaten geven aan dat gedragservaring en hersenveranderingen interactieve processen zijn, zodat ervaring veranderingen in de hersenen vormt en de hersenen veranderingen in gedrag vormen. Bovendien ondersteunen en breiden onze bevindingen eerdere onderzoeken naar hersenontwikkeling uit door aan te tonen dat timing van belang is in termen van gedragsveranderingen die de hersenconnectiviteit vormen, en dergelijke timingverschillen zijn ook afhankelijk van welke hersenregio's erbij betrokken zijn. Samen voegen deze bevindingen een kritisch inzicht toe in de ontwikkeling van brongeheugen in de vroege kinderjaren en dragen ze bij aan de groeiende hoeveelheid literatuur die de interactieve en ingewikkelde relaties tussen cognitieve processen en hun neurologische bases in de zich ontwikkelende hersenen documenteert.