Inzicht in de rol van centrale en autonome activiteit tijdens de slaap bij de verbetering van het werkgeheugen en het episodisch geheugen Deel 1

De afgelopen tien jaar is er aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het identificeren van slaapmechanismen die de cognitie ondersteunen. De meeste van deze onderzoeken richten zich op het verband tussen elektrofysiologische gebeurtenissen van het centrale zenuwstelsel tijdens de slaap en verbeteringen in verschillende cognitieve domeinen, terwijl de dynamische verschuivingen van het autonome zenuwstelsel tijdens de slaap grotendeels over het hoofd worden gezien.

Slaap en geheugen zijn nauw met elkaar verbonden. Terwijl we slapen, verwerken en consolideren onze hersenen de informatie die we gedurende de dag hebben geleerd, waardoor we kunnen onthouden en leren. Daarom is een goed slaapmechanisme erg belangrijk voor het verbeteren van ons geheugen.

Er zijn twee hoofdfasen van de slaap: snelle oogbewegingen (REM) en niet-snelle oogbewegingen (NREM). Deze twee slaapfasen spelen verschillende rollen in verschillende soorten herinneringen. Tijdens de NREM-slaapfase zullen de hersenen de verwerking van herinneringen versterken en belangrijke informatie in het langetermijngeheugen injecteren om deze beter te bewaren. In de REM-slaapfase zullen de hersenen onze creativiteit en verbeeldingskracht vergroten door informatie op te roepen en te reorganiseren, en er kan ook enige geheugenvervaging optreden.

Om een ​​goede slaapkwaliteit te garanderen, moeten we aandacht besteden aan het ontwikkelen van goede slaapgewoonten. Dit omvat regelmatige slaaptijden, het vermijden van overmatig gebruik van elektronische apparaten voordat u naar bed gaat en het handhaven van een comfortabele slaapomgeving. Bovendien is het handhaven van de lichamelijke gezondheid door middel van lichaamsbeweging en dieetcontrole ook de sleutel tot de slaapkwaliteit.

Kortom, het slaapmechanisme en het geheugen zijn nauw met elkaar verbonden. Door goede slaapgewoonten en levensstijl aan te houden, kunnen we de kwaliteit van onze slaap verbeteren, waardoor we ons geheugen en leervermogen beter kunnen behouden. Het is duidelijk dat we ons geheugen moeten verbeteren. 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 vlees ook de bloedstroom verbeteren en de zuurstoftoevoer bevorderen, wat ervoor kan zorgen dat de hersenen voldoende voedingsstoffen en energie krijgen, waardoor de vitaliteit en het uithoudingsvermogen van de hersenen worden verbeterd.

Klik op supplementen kennen om het geheugen te vergroten

Recente onderzoeken hebben echter significante bijdragen van autonome inputs tijdens de slaap aan de cognitie geïdentificeerd. Toch blijven er aanzienlijke hiaten bestaan ​​in het begrip hoe centrale en autonome systemen tijdens de slaap samenwerken om cognitieve verbetering mogelijk te maken. In dit artikel onderzoeken we het bewijs voor de onafhankelijke en interactieve rol van centrale en autonome activiteiten tijdens slaap en ontwaken bij cognitieve verwerking. We concentreren ons specifiek op de prefrontale-subcorticale structuren die het werkgeheugen ondersteunen en op de mechanismen die ten grondslag liggen aan de vorming van hippocampaal-afhankelijk episodisch geheugen.

Ons Slow Oscillation Switch Model identificeert afzonderlijke en concurrerende onderliggende mechanismen die de twee geheugendomeinen ondersteunen op synaptisch, systeem- en gedragsniveau. Wij stellen voor dat slaap een competitieve arena is waarin beide geheugendomeinen strijden om beperkte hulpbronnen, experimenteel aangetoond wanneer het stimuleren van één systeem leidt tot een functionele afweging in elektrofysiologische en gedragsmatige uitkomsten.

Omdat deze bevindingen onvermijdelijk tot verdere vragen leiden, stellen wij gebieden voor toekomstig onderzoek voor om beter te begrijpen hoe de hersenen en het lichaam met elkaar omgaan om een ​​breed scala aan cognitieve domeinen tijdens een enkele slaapepisode te ondersteunen.

Het autonome zenuwstelsel (AZS) is verdeeld in twee takken, waarbij de sympathische tak geassocieerd is met energiemobilisatie tijdens zogenaamde vecht-vlucht-bevriezingsreacties (1, 2) en de parasympathische tak geassocieerd met vegetatieve en herstellende functies tijdens zogenaamde rest-digest-reacties (3). Deze takken "werken antagonistisch, synergetisch en onafhankelijk om informatie van sensorische organen te verzamelen en reacties op interne en externe eisen te coördineren" (4).

Zowel het sympathische als het parasympathische zenuwstelsel communiceren met het centrale zenuwstelsel (CZS) en vormen een systeem dat het centrale autonome netwerk wordt genoemd. Het centrale autonome netwerk bestaat uit een reeks CZS-structuren, waaronder de locus coeruleus (LC), hypothalamus, amygdala, ventromediale prefrontale cortex, hippocampus en thalamus, die, direct of indirect, input ontvangen van en output naar het AZS moduleren.

De nervus vagus (de 10e hersenzenuw) bestaat voor ongeveer 80% uit afferente verbindingen (5) die parasympathische/vagale informatie communiceren van de periferie naar de kern van het solitaire kanaal in de hersenstam en hogere orde gebieden in het centrale autonome netwerk. 6, 7). Bovendien maken aflopende projecties van het centrale autonome netwerk bidirectionele communicatie mogelijk tussen de hersenen en de perifere gebieden (8, 9).

Bij mensen is hartslagvariabiliteit (HRV) een niet-invasieve methode om AZS-activiteit te detecteren, waarbij de variabiliteit tussen individuele hartslagen (R-R-intervallen, die ventriculaire depolarisatie weerspiegelen) in het QRS-complex van het elektrocardiogram (ECG) wordt onderzocht (10–12).

HRV kan worden berekend in het tijddomein en het frequentiedomein. Tijddomeinmetingen van HRV omvatten 1) de SD van alle R-R-intervallen (SDNN), een algemene maatstaf voor de variabiliteit in de hartslag, en 2) het wortelgemiddelde van opeenvolgende verschillen (RMSSD), een maatstaf voor hartslagschommelingen voornamelijk gemedieerd door de nervus vagus.

Frequentiedomeinmetingen van HRV omvatten 1) het vermogen van hoogfrequente HRV (HF-HRV: 0.15 tot 0.40 Hz), een indicator van respiratoire sinusaritmie en parasympathische vagale activiteit, en 2) de kracht van laagfrequente HRV (LF-HRV: 0.04 tot 0,15 Hz), een gemengd signaal van zowel sympathische als parasympathische bronnen. Gezien de onzekerheid in de bijdrage van signalen die LF-HRV omvatten, in verhouding tot de bekende vagale oorsprong van het HF-HRV-signaal, heeft onderzoek naar autonome activiteit de neiging zich te concentreren op HF-HRV.

Voor een recent overzicht van de hersengebieden en neuromodulerende systemen die de parasympathische en sympathische takken omvatten, evenals hun input voor hersengebieden die zich bezighouden met cognitieve verwerking, zie Whitehurst et al. (4).

Onze beoordeling richt zich specifiek op het bewijsmateriaal dat de rol van het AZS in cognitieve processen tijdens het waken en slapen ondersteunt. We rapporteren over een robuuste reeks bevindingen die parasympathische/vagale activiteit tijdens het waken en slapen verbinden met het prefrontale-subcorticale netwerk dat de cognitieve controle, de uitvoerende functie en het werkgeheugen (WM) reguleert. We constateren ook een aanzienlijk gebrek aan bewijs voor autonome activiteit die slaapafhankelijke geheugenconsolidatie mogelijk maakt, een opmerkelijke kloof gezien de grote hoeveelheid onderzoek die slaap in verband brengt met de vorming van langetermijnherinneringen. Vervolgens vatten we de huidige kennis samen over mechanismen die de vorming van langetermijnherinneringen tijdens de slaap ondersteunen.

Tegen deze achtergrond ontwikkelen we de hypothese dat de hersennetwerken en neuromodulerende systemen tijdens de slaap die een verhoogde efficiëntie in WM en de consolidatie van hippocampale, episodische herinneringen ondersteunen, afzonderlijke en concurrerende mechanismen zijn. We introduceren het Slow Oscillation Switch Model, dat een schets geeft van hoe deze mechanismen tijdens de slaap op elkaar inwerken, samen met opkomende testbare hypothesen en nieuwe onderzoekslijnen voor verder onderzoek op dit gebied.

Autonome inputs moduleren de cognitie

Cognitieve processen die afhankelijk zijn van remmende controle van bovenaf in prefrontale-subcorticale netwerken, zoals emotionele regulatie, cognitieve controle of uitvoerende functies, zijn in verband gebracht met parasympathische/vagale activiteit. Cognitieve controle of uitvoerende functie, de coördinatie van mentale processen en acties volgens huidige doelen en plannen, is een primaire functie van de prefrontale cortex.

De coördinatie van cognitieve controle wordt geïmplementeerd door meerdere functionele circuits die zijn verankerd in de prefrontale cortex, waaronder de ventromediale prefrontale cortex, de anterieure cingulaire cortex en een breed scala aan subcorticale gebieden (13). WM is een aspect van de uitvoerende functie dat het onderhoud en de manipulatie van een kleine hoeveelheid informatie ondersteunt, duurt meestal seconden tot minuten (14) en deelt vergelijkbare neurale mechanismen met cognitieve controle (15). De reikwijdte van dit artikel zal zich concentreren op één aspect van de uitvoerende functie, namelijk WM (voor meer informatie over emotionele regulatie, zie ref. 16–19).

WM omvat, in tegenstelling tot het langetermijngeheugen (LTM), de transformatie van geheugenrepresentaties of sporen en is een informatie-algemeen, online cognitief proces, dat traditioneel als een niet-wijzigbare eigenschap wordt beschouwd. Toch hebben WM-trainingsstudies aangetoond dat de uitvoerende functie in het algemeen en WM specifiek kan worden verbeterd (20) en dat deze verbeteringen worden ondersteund door verhoogde prefrontale efficiëntie en automatisering van prefrontale-subcorticale netwerken (21, 22).

Onderzoek naar de rol van het AZS in cognitie heeft aangetoond dat parasympathische/vagale activiteit een indicator kan zijn van de mate waarin het prefrontale-subcorticale circuit zijn samenstellende systemen reguleert als reactie op interne en externe eisen. Specifiek is de activiteit in deze remmende circuits positief geassocieerd met HF-HRV in rust (9, 23), en er wordt verondersteld dat een optimaal functioneren van deze circuits flexibele en adaptieve reacties op veranderingen in de omgeving kan voorspellen (24). Een prominent model dat bedoeld is om uit te leggen hoe de bidirectionele communicatie tussen CZS en AZS een kritische voorspeller is van adaptief cognitief succes is het Neurovisceral Integration Model, ontwikkeld door Thayer en collega's (9, 23) (SI-bijlage, figuur S1).

Dit model stelt voor dat HRV een index is van prefrontale-subcorticale remmende invloed op een breed scala aan hersengebieden die cognitie, emotie en fysiologische reactiviteit ondersteunen, waaronder de uitvoerende functie, WM, de verwachting van toekomstige resultaten, emotionele regulatie, emotionele reactie op stress, en perifeer functioneren (24).

Het Neurovisceral Integration Model kreeg empirische steun uit onderzoeken die de relatie aantoonden tussen HRV tijdens waakzaamheid en de uitvoerende functie. Vergeleken met individuen met een lage HF-HRV in rust (wat een slechte parasympathische vagale tonus weerspiegelt tijdens wakkere rust), vertonen individuen met een hoge HF-HRV betere WM-prestaties [nback-taak (25); operatie-span-taak (26)] en remmende controle [dwz Stroop-taak (27)].

Bovendien worden door training geïnduceerde veranderingen in cognitieve controle geassocieerd met verbeteringen in parasympathische activiteit, en de omkering is ook waar dat door training geïnduceerde toenamen in parasympathische activiteit ook cognitieve verbetering bevorderen. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat cognitieve training (op visie gebaseerde verwerkingssnelheid) de HF-HRV verhoogt en de activering in het prefrontale-subcorticale netwerk verbetert (22). In deze studie ondergingen oudere volwassenen met amnestische milde cognitieve stoornissen zes weken cognitieve training.

Vergeleken met de controlegroep vertoonden oudere volwassenen in de actieve trainingsgroep een verhoogde HF-HRV en een verminderde prefrontale-striatale connectiviteit tijdens de taak, wat duidt op een efficiënte prefrontale-subcorticale autonome regulatie. Soortgelijke resultaten werden gerapporteerd bij gezonde deelnemers (28). Bovendien is gemeld dat het verhogen van de HF-HRV in rust via aërobe training parallelle verbeteringen in de WM-prestaties veroorzaakt (27).

In dit onderzoek werden deelnemers willekeurig toegewezen aan een aerobe trainingsgroep en een detrainingsgroep (verminderde inspanningsconditie), waarbij de HF-HRV en WM in rust werden gemeten voor en na de inspanningsinterventie. Na de interventie vertoonde de aerobe trainingsgroep betere HF-HRV- en WM-prestaties vergeleken met de detraining-controlegroep, wat een verband suggereert tussen de versterking van het parasympathische/vagale functioneren en WM-netwerken via hartoefeningen.

Een mogelijk mechanisme voor hoe vagale/parasympathische activiteit de prefrontale functie en WM ten goede kan komen, is via de modulatie van noradrenaline (NE). De afgelopen twintig jaar van onderzoek hebben aangetoond dat, naast het traditionele verhaal dat de primaire neuromodulator van vagale activiteit acetylcholine (ACh) is, vagale afferenten ook NE-niveaus in de hersenen moduleren. De nervus vagus vertegenwoordigt het hoofdbestanddeel van het parasympathische zenuwstelsel, en activerende vezels van de nervus vagus bemiddelen de werking van NE op de hersenen (29, 30).

De uiteinden van de afferente vagale transmissies bevinden zich direct in de kern van het eenzame kanaal, die informatie overbrengen naar structuren die cognitie van hogere orde reguleren, zoals de amygdala, hippocampus en frontale cortex via een polysynaptische route van de LC. Hoewel ACh de primaire neurotransmitter is in de perifere synapsen van de nervus vagus, wordt NE, zodra de informatie zich naar de LC voortplant, de primaire neuromodulator die de synaptische communicatie in het centrale zenuwstelsel bemiddelt.

De LC heeft twee schietmodi, fasisch en tonisch, die de prefrontale functie beïnvloeden. Tonisch vuren is in verband gebracht met stress of opwinding, terwijl fasisch vuren in verband is gebracht met reacties op nieuwigheden en cognitie van hogere orde (31). Fasische en tonische activeringen zijn onafhankelijk, waarbij de fasische activiteit wordt geoptimaliseerd bij een gematigd niveau van tonische activiteit (32), terwijl verhoogde tonische ontlading de fasische ontlading kan belemmeren (33). Bij primaten zou fasische activering van NE-neuronen van de LC in de tijd met cognitieve verschuivingen een dynamische reorganisatie van neurale doelnetwerken kunnen uitlokken of vergemakkelijken, waardoor snelle gedragsaanpassing aan veranderende omgevingsvereisten mogelijk wordt gemaakt (34).

Bovendien is onlangs aangetoond dat fasische optogenetische activering van LC beschermt tegen schadelijke menselijke rechthoek-tau-effecten en cognitieve achteruitgang, terwijl stress-inducerende tonische LC-activering de effecten ervan verergert (35, 36). Concreet blijkt uit het onderzoek van Omoluabi et al. (36) muizen werden geïnjecteerd met verwarde tau, en hun LC-neuronen werden geactiveerd in fasische of tonische patronen. Ze ontdekten dat fasische stimulatie muizen redde van gedrags- en LC-tekorten, terwijl tonische stimulatie tot verergerde symptomen leidde.

Bovendien hebben onderzoeken bij knaagdieren en apen aangetoond dat een optimaal excitatoir-remmend evenwicht van prefrontale NE, in stand gehouden door verschillende adrenerge receptoren (bijv. 1 en pre- en postsynaptische 2), een belangrijke gunstige invloed heeft op de WM-prestaties (37, 38). . Experimenteel verhogen van de NE-concentraties in de prefrontale cortex verbetert de responsremmingsprestaties bij knaagdieren en mensen (39, 40).

Deze hoeveelheid onderzoek benadrukt de rol van een verhoogde remmende functie tijdens afleidende omstandigheden die specifiek WM ten goede komen (41), terwijl er geen voordeel is voor het hippocampale geheugen (42). Interessant is dat 2 adrenerge receptoren bij voorkeur de prefrontale NE verhogen en het optimale excitatorische-remmende evenwicht behouden, wat op zijn beurt de prefrontale functie verbetert (43-45), terwijl 1 receptoren de activiteit van 2 receptoren overschrijven en de WM-functie aantasten (38).

Het beeld dat naar voren komt is dat verschillende soorten adrenerge receptoren een rol kunnen spelen bij het optimaliseren van het algehele exciterende-remmende evenwicht in de prefrontale cortex. Concreet orkestreert NE fysiologische functies die de hersenen en het lichaam van een niet-gestresste toestand, waarin fasische LC-activiteit 2 receptoren aanspreekt en de prefrontale WM-functie verhoogt, naar een gestresste toestand brengen die tonisch vuren en 1 receptoractiviteit stimuleert, waardoor WM wordt aangetast terwijl andere functies behouden blijven. , zoals alertheid en aandacht (46).

Bij mensen is een causaal verband gelegd tussen vagale inputs die de LC-NE-activiteit moduleren en cognitieve domeinen die worden ondersteund door de prefrontale cortex door onderzoeken die actief de vagale tonus manipuleren met behulp van vagale zenuwstimulatie (VNS) of niet-invasieve transcutane nervus vagusstimulatie (tVNS). VNS activeert fasische neuronvuren in de LC en verhoogt de NE-niveaus in de prefrontale-subcorticale netwerken, waaronder de neocortex, hippocampus, amygdala en andere delen van de hersenen met afferente projecties van LC (33, 47-49).

In één onderzoek voerden patiënten die werden behandeld met invasieve VNS cognitieve taken uit met stimulatie aan of uit. Patiënten vertoonden verbeterde WM-prestaties tijdens de stimulatie-aan-perioden vergeleken met de stimulatie-uit-perioden (50). Meer recentelijk heeft tVNS vergelijkbare effecten laten zien als cognitieve controle (51). In deze studie voerden gezonde deelnemers een remmende controletaak (Go/NoGo) uit met actieve tvS of schijnstimulatie.

In de NoGo-conditie die cognitieve remming vereiste, resulteerde tVNS in een aanzienlijk verminderde amplitude van frontale N2-gebeurtenisgerelateerde potentiëlen, een biomarker voor veeleisende cognitieve controle, wat suggereert dat tVNS kan leiden tot efficiëntere neurale verwerking met minder middelen die nodig zijn met succesvolle frontale remmende controle. Soortgelijke effecten van tVNS zijn aangetoond in een ander onderzoek (52) waarin tVNS de theta-activiteit op de frontale middellijn verhoogde, vermoedelijk een weerspiegeling van voorbijgaande activering van de prefrontale cortex in situaties die een verhoogde uitvoerende controle over acties vereisen.

Gegeven dat vagale stimulatie de fasische LC-NE verbetert, en dat de parasympathische activiteit van nature toeneemt tijdens de slaap met niet-snelle oogbewegingen (NREM), is het verleidelijk om te veronderstellen dat een toename van de fasische LC-NE-activiteit met de natuurlijke toename van de vagale parasympathische activiteit tijdens de slaap kan leiden tot een toename van de fasische LC-NE-activiteit. kan één mechanisme zijn waardoor de prefrontale functie wordt gereguleerd en de WM-capaciteit wordt vergroot.

Alles bij elkaar genomen zou fasische LC-NE tijdens de slaap kunnen bijdragen aan een verhoogde WM-capaciteit via verschillende mogelijke mechanismen, waaronder het reorganiseren van neurale representaties, de eliminatie van tau en/of het verhogen van de fasische activiteit van LC-NE 2-receptoren samen met de prefrontale functie. Tegelijkertijd is de door stress geïnduceerde tonische LC-NE verstorend voor zowel de slaap als de prefrontale functie. In het volgende deel worden de bevindingen over de relatie tussen slaap en AZS-activiteit besproken.

For more information:1950477648nn@gmail.com