Slaapverlies verstoort de neurale signatuur van succesvol leren Deel 1

Slaap ondersteunt geheugenconsolidatie en leren de volgende dag. Het invloedrijke 'Active Systems'-verhaal over offline consolidatie suggereert dat slaapgerelateerde geheugenverwerking de weg vrijmaakt voor nieuwe inzichten, maar empirisch bewijs ter ondersteuning van dit idee is schaars.

Met behulp van een crossover-design binnen de proefpersonen (n=30), hebben we gedrags- en elektrofysiologische indices van episodische codering beoordeeld na een nacht slapen of totaal slaapgebrek bij gezonde volwassenen (in de leeftijd van 18-25 jaar) en onderzochten of gedragsprestaties waren voorspeld door de nachtelijke consolidatie van episodische associaties van de vorige dag. Slaap ondersteunde geheugenconsolidatie en leren van de volgende dag in vergelijking met slaapgebrek.

De omvang van dit slaapgerelateerde consolidatievoordeel voorspelde echter niet significant het vermogen om na de slaap nieuwe herinneringen te vormen. Interessant genoeg veroorzaakte slaapgebrek een kwalitatieve verandering in de neurale signatuur van codering: terwijl 12-20 Hz bèta-desynchronisatie – een gevestigde marker voor succesvolle codering – werd waargenomen na de slaap, verstoorde slaapgebrek de bèta-desynchronie tijdens succesvol leren. Alles bij elkaar suggereren deze bevindingen dat effectief leren afhangt van slaap, maar niet noodzakelijkerwijs van slaapgerelateerde consolidatie.

Trefwoorden:

aan het leren; geheugen; consolidatie; bèta-desynchronisatie; slaaptekort.

Invoering

Hoe herinneren we ons gebeurtenissen uit vervlogen tijden? Het staat nu stevig vast dat slaap de consolidatie van het geheugen vergemakkelijkt; het proces waarbij zwakke en aanvankelijk labiele geheugensporen sterke en duurzame representaties worden (Gais et al. 2006; Talamini et al. 2008; Payneet al. 2012; Durrant et al. 2016; Cairney, Lindsay, et al.2018; Gaskell et al. 2018; Ashton et al. 2020; Ashton en Cairney 2021).

Terwijl oorspronkelijk werd gedacht dat slaap alleen passieve bescherming bood voor geheugenconsolidatie (dat wil zeggen door herinneringen te beschermen tegen de interferentie veroorzaakt door wakkere ervaringen), suggereert recent werk dat nieuw gevormde herinneringen actief worden versterkt tijdens de slaap (Rasch et al. 2007; Schönauer et al. 2017; Cairney , Guttesen, et al. 2018; Wang et al. 2019; Schreiner et al. 2021).

Het invloedrijke 'Active Systems'-verhaal over slaapgeassocieerde consolidatie stelt dat de reactivering van hippocampus-afhankelijke herinneringen tijdens langzame golfslaap (SWS) hun migratie naar de neocortex vergemakkelijkt voor opslag op lange termijn (Walker 2009; Born en Wilhelm 2012; Rasch en Born 2013; Klinzing et al. al. 2019).

Ter ondersteuning van deze opvatting hebben functionele neuroimaging-onderzoeken aangetoond dat nachtelijke consolidatie een verschuiving in het geheugenherstelnetwerk van de hippocampus-toneocortex ondersteunt (Takashima et al. 2009), waarbij de tijd doorgebracht in SWS de vermindering van de afhankelijkheid van het ophalen van de hippocampus voorspelt (Takashima et al. 2006; Cairney et al. 2006). 2015).

In dezelfde lijn heeft ander werk aangetoond dat slaap na het leren (in vergelijking met slaapgebrek) de functionele koppeling tussen de activiteit in de hippocampus en de prefrontale cortex bevordert wanneer het ophalen 48 uur later wordt beoordeeld (Gais et al. 2007).

Alles bij elkaar suggereren deze bevindingen dat informatieoverdracht van hippocampus naar neocorticale plaatsvindt tijdens de eerste nachten na het leren, hoewel het consolidatieproces vermoedelijk vele weken of zelfs maanden in beslag neemt (Dudai 2004; Dudai et al. 2015).

Hoewel de voordelen van slaap voor geheugenconsolidatie algemeen bekend zijn, heeft recent onderzoek aangetoond dat slaap ook het leren van hippocampusafhankelijke herinneringen de volgende dag ondersteunt.

Wanneer een nacht van slaapgebrek aan een nieuwe leermogelijkheid voorafgaat, wordt het declaratieve geheugen ernstig aangetast, zelfs na herstelslaap (Alberca-Reina et al. 2014; Kaida et al. 2015; Tempesta et al. 2016; Cousins ​​et al. 2018), wat suggereert dat een gebrek aan slaap de geheugencodering in de hippocampus verstoort. Vergeleken met een normale nachtrust verzwakt slaapgebrek de reacties van de hippocampus tijdens succesvol leren (dat wil zeggen voor herinneringen die correct worden opgeroepen in een latere ophaaltest na de herstelslaap), wat leidt tot een algehele afname van de herinneringsprestaties (Yoo et al. 2007).

Dienovereenkomstig vergemakkelijken dutjes overdag niet alleen het leren (Mander et al. 2011), maar herstellen ze ook de coderingsmogelijkheden van de hippocampus in vergelijking met een equivalente periode van waakzaamheid (Ong et al. 2020).

Het samenspel van verschillende hersenritmes is geïdentificeerd als een sleutelmechanisme dat de communicatie tussen de hippocampus en de neocortex reguleert tijdens slaapgerelateerde geheugenverwerking.

Langzame oscillaties(<1 Hz electroencephalography [EEG] activity) have been causally linked to overnight memory retention (Marshall et al. 2006; Ngo et al. 2013; Ong et al. 2016; Perl et al. 2016; Leminen et al. 2017; Papalambros et al. 2017) and are thought to play a central role in the reactivation and reorganization of hippocampus-dependent memories (Walker 2009; Born and Wilhelm 2012; Rasch and Born 2013; Klinzing et al. 2019). 

Deltagolven (1–4 Hz) zijn daarentegen betrokken bij het vergeten via processen van synaptische renormalisatie (Genzel et al. 2014) en er wordt gedacht dat ze interageren met langzame oscillaties om de balans tussen geheugenconsolidatie en verzwakking te reguleren (Kim et al. 2019).

Intrigerend genoeg zijn neurale oscillaties die betrokken zijn bij nachtelijke geheugenverwerking ook in verband gebracht met nieuw leren in de hippocampus, wat suggereert dat deze processen afhankelijk zijn van overlappende mechanismen.

Het selectief onderdrukken van langzame golfactiviteit (SWA;0.5–4 Hz) via een akoestische verstoringsbenadering schaadt bijvoorbeeld de declaratieve geheugencodering en vermindert coderingsgerelateerde activiteit in de hippocampus (Van Der Werf et al.2009). Omgekeerd verbetert het verbeteren van de SWA door middel van elektrische stimulatie de codering van hippocampusafhankelijke herinneringen, maar niet van niet-hippocampale procedurele vaardigheden (Antonenko et al. 2013).

Het vergroten van langzame oscillaties via auditieve stimulatie leidt tot vergelijkbare effecten, waarbij de omvang van de langzame oscillatieverbetering zowel activatie van de hippocampus als gedragsprestaties bij het coderen voorspelt (Ong et al.2018). In welke mate geheugenprocessen, gemedieerd door slapende hersenritmes, bijdragen aan de leermogelijkheden van de volgende dag, moet nog rechtstreeks worden onderzocht in empirisch onderzoek.

In dit vooraf geregistreerde onderzoek (osf.io/78dja) hebben we de hypothese getest dat de mate waarin individuen nieuwe herinneringen consolideren tijdens de slaap hun vermogen voorspelt om de volgende dag nieuwe informatie te coderen, en dat SWA (0.5–4 Hz) bijdraagt ​​aan deze relatie.

In een crossover-design tussen proefpersonen werden gezonde jonge volwassenen getraind in een visueel-ruimtelijke geheugentaak vóór een nacht met ofwel EEG-gecontroleerde slaap of totale slaapgebrek, en werden ze de volgende ochtend getest.

Daarna werden de deelnemers getraind in een nieuwe taak met gepaarde geassocieerden, maar werden ze pas 48 uur later getest (waardoor herstelslaap mogelijk werd gemaakt in de toestand van slaapgebrek). De ophaalprestaties op de visueel-ruimtelijke geheugen- en gepaarde-associates-tests leverden dus onafhankelijke statistieken op van respectievelijk nachtelijke consolidatie en leren op de volgende dag.

We kozen voor deze specifieke geheugentaken omdat ze beide afhankelijk zijn van de hippocampus (Eichenbaum 2004; Konkel en Cohen 2009) en het Active Systems-framework zich primair bezighoudt met de nachtelijke consolidatie van hippocampus-afhankelijke herinneringen (Walker 2009; Born en Wilhelm 2012; Rasch en Born 2013; Klinzing et al. 2019).

Bovendien heeft eerder werk consequent aangetoond dat de consolidatie van zowel visueel-ruimtelijke als gekoppelde herinneringen wordt versterkt door nachtelijke slaap (Cairney, Lindsay, et al. 2018; Ashtonet al. 2020; Ashton en Cairney 2021).

We redeneerden dat het optimaal was om twee conceptueel verschillende taken te gebruiken, omdat dit ervoor zou zorgen dat elke potentiële relatie tussen consolidatie van de ene dag op het andere en het leren van de volgende dag niet zou worden beïnvloed door retroactieve of proactieve inmenging.

By comparing overnight sleep and sleep deprivation, we could also investigate how protracted wakefulness affects the neural correlates of learning. Specifically, EEG recordings were acquired during paired-associates learning to test the hypothesis that sleep deprivation disrupts theta (4–8 Hz) and gamma (>40 Hz) synchronisatie, die itembinding in episodisch geheugen ondersteunt (Summerfield en Mangels 2005; Osipova et al. 2006; Köster et al. 2018; Henin et al. 2019).

Bovendien onderzochten we in een verkennende analyse het effect van slaapgebrek op de bèta-desynchronisatie van 12-20 Hz, een gevestigde indicator voor succesvol leren (Hanslmayret al. 2009, 2011, 2012, 2014; Griffiths et al. 2016).

Inzicht in de manier waarop slaapstoornissen het leren en het geheugen belemmeren, wordt steeds belangrijker in de moderne samenleving, waar veel mensen er niet in slagen regelmatig voldoende slaap te krijgen (Bonnet en Arand 1995; Stranges et al. 2012; Becker et al. 2018).

For more information:1950477648nn@gmail.com