قياس أليات العصبية الكامنة وراء دمج الذاكرة التي تعتمد علي النوم اثناء برامج العمل الوطنية في مرحله الطفولة
Summary
يصف هذا البروتوكول الأساليب المستخدمة لفحص أليات العصبية الكامنة وراء دمج الذاكرة التي تعتمد علي النوم اثناء القيلولة في مرحله الطفولة المبكرة. وهو يتضمن إجراءات لفحص تاثير النوم علي أداء الذاكرة السلوكية ، فضلا عن تطبيق وتسجيل كل من التصوير المتعدد الاستخدامات والتشغيل الشعاعي.
Abstract
النوم أمر بالغ الاهميه للأداء اليومي. أحدي الوظائف الهامه للنوم هي دمج الذكريات ، وهي عمليه تجعلها اقوي واقل عرضه للتدخل. أليات العصبية الكامنة وراء الاستفادة من النوم للذاكرة يمكن التحقيق باستخدام بوليسونوغرافي (بسغ). سان جيرمان هو مزيج من التسجيلات الفسيولوجية بما في ذلك إشارات من المخ (تخطيط الدماغ) ، والعينين (EOG) ، والعضلات (الفريق البيئي) التي تستخدم لتصنيف مراحل النوم. في هذا البروتوكول ، نقوم بوصف كيفيه استخدام سان جيرمان بالتزامن مع تقييمات الذاكرة السلوكية ، والتصوير ، وتقرير الوالدين لفحص دمج الذاكرة التي تعتمد علي النوم. ينصب تركيز هذا البروتوكول علي الطفولة المبكرة ، وهي فتره من الاهميه مع انتقال الأطفال من النوم الأحادي (الذي يتكون من قيلولة والنوم بين عشيه وضحيها) إلى النوم الوحيد (النوم الليلي فقط). يتم قياس اثار النوم علي أداء الذاكرة باستخدام تقييم الذاكرة تقوم عبر فترات النوم والراحة الايقاظ. ويستخدم مزيج من التصوير الشعاعي والتقرير الأصلي لتقييم إيقاعات النوم (اي وصف الأطفال بأنهم من المعتادين أو غير المعتادين). وأخيرا ، يستخدم بسغ لتوصيف مراحل النوم والصفات من تلك المراحل (مثل الترددات ووجود مغزل) خلال برامج العمل الوطنية. ميزه استخدام سان جيرمان هو انه هو الاداه الوحيدة المتاحة حاليا لتقييم جوده النوم وهندسه النوم ، مشيرا إلى حاله الدماغ ذات الصلة التي تدعم دمج الذاكرة. القيود الرئيسية من باريس سان جيرمان هي طول الوقت الذي يستغرقه لاعداد المونتاج تسجيل والتي تؤخذ عاده التسجيلات علي النوم واحد اشتري. ويمكن التغلب علي هذه القيود من خلال اشراك الشباب المشاركين في المهام تشتيت اثناء التطبيق والجمع بين سان جيرمان مع التصوير والذات/الوالدين-تقرير التدابير لتوصيف دورات النوم. معا ، يسمح هذا المزيج الفريد من الأساليب للتحقيقات في كيفيه دعم برامج العمل الوطنية للتعلم في الأطفال ما قبل المدرسة.
Introduction
نظرا لانتشار النوم في روتيننا اليومي ، من المهم ان نفهم وظيفتها. الدراسات مع هذا الهدف تتطلب قياس دقيق للنوم. بوليسونوغرافي (بسغ) هو مقياس الذهب القياسية للنوم. يسمح بسغ للقياس الموضوعي والكمي للنوم مع الدقة الزمنيه العالية ويمكن ان تكون مفيده لكل من البحوث والأغراض السريرية. باريس سان جيرمان هو مزيج من التسجيلات الفسيولوجية. في الحد الأدنى ، يتضمن المونتاج سان جيرمان التدابير التالية: التصوير الكهربي للدماغ (تخطيط الدماغ) ، التصوير الكهربي (EOG) ، والتخطيط الكهربي الكهربائي (الفريق البيئي). وتقيم هذه التدابير الإمكانيات الكهربائية من المخ والعينين والعضلات علي التوالي ، وتسمح بتصنيف مراحل النوم (انظر الشكل 1). قد يتم تضمين التدابير الأخرى ، مثل كهربي (ECG) ، والتنفس ، وقياس التاكسج النبض لتحديد وجود النوم المضطربة.
الشكل 1: مثال وضع القطب الكهربي ووصف النشاط المسجل عبر سان جيرمان. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
نوم. nREM1 علامات بداية النوم, ويتم تحديد استنادا إلى انخفاض لهجة العضلات في الارتداد فريق التخطيط البيئي والتذبذب السعه المختلطة قياس الدماغ بالنسبة إلى الفا لوحظ في أعقاب يستريح. ويتبع ذلك nREM2 ، والتي يمكن تمييزها بوجود مغزل النوم (رشقات ناريه قصيرة من نشاط تردد سيغما ؛ 11 − 16 هرتز) والمجمعات K (الموجات البطيءه الوحيدة التي تبرز من النشاط المحيط) في تخطيط الدماغ. يتميز هذا الطراز بتذبذبات تخطيط الدماغ عاليه التردد ذات الترددات البطيءه. ويتميز النوم REM بسرعة منخفضه السعه الذبذبات نشاط الدماغ مشابهه جدا لتلك التي لوحظت اثناء الاستيقاظ. ومع ذلك ، ما يميز REM النوم من الاستيقاظ هو انه يتميز أيضا حركات العين السريعة فيزر (التالي اللقب REM) والعضلات atonia. علي مدي نوبة النوم ، ومن ذوي الخبرة مراحل النوم دوريا ، بمعدل حوالي 90 دقيقه/دوره.
النوم يتبع أيضا إيقاع الساعة البيولوجية ، مع نوبات النوم التي تجري في دورات 24-ح. توقيت النوم والاتساق قد تؤثر علي وظيفة النوم وهي أيضا مهمة لتقييم. علي الرغم من ان سان جيرمان هو ضروري لتوصيف مراحل النوم ، فانه يستغرق وقتا طويلا لتطبيق التالي ليست مثاليه لتقييم نوبات النوم متعددة (علي سبيل المثال ، ليال متعددة من النوم ، وقيلولة والنوم بين عشيه وضحيها). لهذا ، التصوير الشعاعي مفيد. يستخدم اكتيغرافي مقياس تسارع ثلاثي المحاور ، عاده علي المعصم ، لتقدير النوم استنادا إلى غياب الحركة. علي الرغم من انه لا يمكن استخدام التصوير الشعاعي لتوصيف مراحل النوم ، فقد ثبت انه يمكن الاعتماد عليه في اكتشاف ظهور النوم وبداية الاستيقاظ (بما في ذلك تفتيت النوم أو الاستيقاظ بعد بداية النوم) في مجموعه من السكان من الرضع1 إلى كبار السن2 . كلا [بسغ] و [اكتيغرفي] مفضله طرق علي نفس/أصل-تقرير إجراءات. ومن السهل أداره تدابير الإبلاغ عن الذات/الوالدين وهي غير مكلفه نسبيا ، ولكنها تخضع أيضا للتحيز وعدم الامتثال. وأخيرا ، تجدر الاشاره إلى ان هذه الأساليب يمكن استخدامها في تركيبه للاستفادة من نقاط القوه في كل منها. مثلا, [بسغ] يستطيع كنت ضممت مع [اكتيغرفي] [و/ور] [سلف/ولي]-تقرير ان ينال كلا نوم ليل نوعيه [اس ول س] تحقق من نوم كميات أو [نوم-ويك] دورات, خصوصا علي مدد طويلة ([ا. غ.], أسابيع أو شهور).
وظيفة واحده من النوم التي حصلت علي اهتمام خاص هو توطيد الذاكرة التي تعتمد علي النوم ، ومعالجه الذكريات التي تترك لهم اقوي واقل عرضه للتدخل3. علي الرغم من ان توحيد الذاكرة يمكن ان يحدث اثناء الاستيقاظ في الأطفال4 والبالغين5، وهناك أدله جوهريه علي تعزيز الدمج اثناء النوم. في البالغين ، يتم حماية الذكريات6 أو حتى تعزيز7 بعد فتره من النوم في حين ان الذكريات تسوس عاده علي مدي فتره مماثله من الاستيقاظ. وقد استخدمت عناصر التحكم التي التغييرات الأداء انفصال من التاثيرات الايقاعيه8,9,10. علي سبيل المثال ، لوحظت فوائد مماثله من النوم عند مقارنه الأداء علي قيلولة منتصف اليوم إلى ما يعادل فتره الاستيقاظ منتصف اليوم9.
علي الرغم من ان النوم كان يعتقد مره واحده لتعكس عمليه السلبي, ببساطه حماية الذكريات من الاضمحلال أو التدخل, النظريات الحديثة توحي النوم يلعب دورا أكثر نشاطا وفعلا يعزز الذاكرة من خلال أعادهالتنشيط 11,12 ،13. دعم لهذا ياتي من العلاقات الملحوظة بين الإجراءات السلوكية لدمج الذاكرة علي النوم (تغيير في استدعاء الذاكرة بعد النوم مقارنه مع قبل النوم) وجوانب محدده من فسيولوجيا النوم. بالنسبة للعديد من مهام الذاكرة التعريفية ، يقترن دمج الذاكرة بجوانب السكون غير REM ، وتحديدا قياسات السكون أو المغزل الموجودة في nREM2 و. وإذا كان دور النوم هو الحماية السلبية من التداخل ، فان هذا الارتباط لن يكون متوقعا ؛ بالأحرى ارتباط بين وقت نائمه ([رغردلس وف] نوم مرحله) وأداء كان توقعت, بما ان كثير وقت نائمه قدمت أكثر حماية من تداخل14.
ويتجلى الدعم الإضافي للدور النشط لهذه العملية في دمج الذاكرة في الدراسات المتعلقة باعاده تنشيط الذاكرة المستهدفة. في هذه الدراسات ، يتم تعلم الذاكرة في سياق جديلة الحسية ، علي سبيل المثال رائحة ، وتذكر من الذاكرة هو أكبر بعد النوم إذا كان جديلة هو أعاده عرض اثناء النوم ، وعلي وجه الخصوص15. رغم ان اليه أساسيه يكون تناقشت16,17, واحده نظرية بارزه, نظامه دمج نظرية, يجادل ان ذاكرات يرمز في الحصينة ثبتت في القشرة علي الرغم من حوار [هيبوكامبال-نيوريتيكل]. علي وجه التحديد ، والموجات البطيءه القشرية ومغزل النوم ، والتي تحدث بالتزامن مع تموجات هيبوكامبال المرتبطة باعاده تنشيط الذاكرة ، ودعم نقل الذاكرة3.
دور النوم في دمج الذاكرة اثناء التطوير اقل وضوحا. الطفولة المبكرة هي فتره من الاهتمام الخاص حيث يبدا الأطفال في الانتقال من ثنائيه الطور (تتكون من قيلولة في منتصف النهار ونوبة نوم بين عشيه وضحيها) إلى نمط نوم أحادي. وتشير البحوث الاخيره إلى ان هذا التحول قد يعكس نضوج الدماغ18. وتتسق هذه الحجة مع البيانات التجريبية التي تبين التغيرات الانمائيه في النوم بين عشيه وضحيها (اي تضاريس نشاط الموجه البطيءه) المرايا التي من نضوج القشرية19.
علي الرغم من ان هناك العديد من المظاهرات السلوكية بين عشيه وضحيها تعزيز النوم تعتمد في الأطفال20,21 والرضع22, البحوث علي الأسس العصبية لدمج الذاكرة مع منتصف النهار النوم هي مجرد بداية للتحقيق. وفي العمل الرائد الذي يدرس دور البرامج الوطنية لمنتصف النهار في الذاكرة لدي الأطفال في مرحله ما قبل المدرسة ، أظهرت البرامج الوطنية انها تحمي ذكريات المعلومات المستفادة مؤخرا ، بينما انخفضت الذاكرة (بنسبه ~ 12 ٪) عندما بقي الأطفال مستيقظا خلال فتره قيلولة23. وكانت هذه “فائده القيلولة” أكبر في الأطفال الذين كانوا يعانون من العادة (اي 5 مرات أو أكثر في الأسبوع مقيسا بالتصوير) بغض النظر عن أعمارهم. عن طريق تسجيل سان جيرمان خلال قيلولة ، تم العثور علي التغيير في أداء الذاكرة عبر فتره قيلولة لتكون مرتبطة علي وجه التحديد مع كثافة المغزل النوم (عدد مغزل النوم في الدقيقة الواحدة من nREM) ، مما يوحي نوعيه قيلولة (وليس كميه) كان عاملا حاسما في تعزيز الاحتفاظ بالذاكرة (راجع قسم النتائج التمثيلية).
تسلط هذه الدراسة الضوء علي اهميه باريس سان جيرمان في استكشاف العلاقات بين النوم والذاكرة اثناء التطوير. ويشير إلى اهميه توصيف النوم الكلي-(مراحل النوم) والصغرى-(صفات تلك المراحل مثل الترددات ووجود المغزل) الهياكل اثناء برامج العمل الوطنية لدمج الذاكرة. كما يسلط الضوء علي اهميه تقييم إيقاعات النوم (وصف الأطفال بأنهم من المعتادين أو غير المعتادين). وعلي الرغم من ان عملنا اتسم بوظيفة البرامج الوطنية في التعلم تقوم (وفي الاونه الاخيره العاطفية24 والاجرائيه25 التعلم) ، لا تزال هناك اسئله كثيره. فعلي سبيل المثال ، سيكون من المهم دراسة مهام الذاكرة التعريفية الأخرى لتقييم القابلية العامة لهذه النتائج وتقييم المهام المستخدمة في الفصول الدراسية قبل المدرسية لفهم بارامترات محدده (مثلا ، مقدار الفائدة التي تعود علي برامج العمل الوطنية بالنسبة للتعلم) مهام صالحه إيكولوجيا. سيكون العمل الإضافي ضروريا أيضا لفهم متى يكون التنبيه كافيا لدمج الذاكرة. التالي ، فان هدفنا هو الغموض في عمليه قياس النوم وتقويه الذاكرة التي تعتمد علي النوم لدي الأطفال. نحن نقدم نصائح عمليه لدراسة فائده قيلولة بعد الظهر علي الذاكرة المصرح بها في مرحله ما قبل المدرسة النامية عاده (ما يقرب من 3 إلى 4 سنوات من العمر) باستخدام مهمة الذاكرة تقوم المحوسبة ، فضلا عن أساليب لتقييم المساكن قيلولة باستخدام التصوير الشعاعي ، تقرير الوالدين ، والفيزيولوجيا قيلولة باستخدام سان جيرمان. وعلي الرغم من ان هذه الأساليب قد وضعت للأطفال في سن ما قبل المدرسة الذين قيلولة بوتيرة متفاوتة ، فان هذه الأساليب يمكن ان تتكيف مع اي فئة عمريه.
Protocol
Representative Results
Discussion
توضح هذه المقالة كيفيه التحقق من دمج تعتمد علي السكون الذاكرة التصريحية اثناء برامج العمل الوطنية في مرحله الطفولة المبكرة. وتشمل الأساليب التقييم السلوكي للذاكرة عبر قيلولة والظروف مستيقظا ، والتصوير والأصل-تقرير لتقييم دورات النوم ، و سان جيرمان لتقييم العمارة النوم. هذا المزيج الفري?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود أصحاب البلاغ ان يشكروا مختبر التنمية العصبية في جامعه ميريلاند ، وكليه بارك ، ومختبر الأعصاب في جامعه ماساتشوستس ، امهيرست للحصول علي المساعدة في هذا المشروع. وقدم التمويل من قبل المعاهد القومية للصحة (HD094758) و NSF (بكس 1749280) إلى TR و RS. تم تمويل النتائج التمثيلية من قبل المعاهد القومية للصحة HL111695.
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. |
References
- Sadeh, A., Acebo, C., Seifer, R., Aytur, S., Carskadon, M. A. Activity-based assessment of sleep-wake patterns during the 1st year of life. Infant Behavioral Development. 18 (3), 329-337 (1998).
- Sadeh, A., Urbach, D., Lavie, P. Actigraphically-based automatic bedtime sleep-wake scoring: Validity and clinical applications. Journal Ambulatory Monitoring. 2 (3), 209-216 (1989).
- Rasch, B., Born, J. About sleep’s role in memory. Physiological Reviews. 93, 681-766 (2013).
- Werchan, D. M., Gómez, R. L. Wakefulness (not sleep) promotes generalization of word learning in 2.5-year-old children. Child Development. 85 (2), 429-436 (2014).
- Wang, J. Y., Weber, F. D., Zinke, K., Inostroza, M., Born, J. More effective consolidation of episodic long-term memory in children than adults-unrelated to sleep. Child Development. 89 (5), 1720-1734 (2018).
- Sonni, A., Spencer, R. M. C. Sleep protects memories from interference in older adults. Neurobiology of Aging. 36 (7), 2272-2281 (2015).
- Marshall, L., Helgadóttir, H., Mölle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
- Baran, B., Wilson, J., Spencer, R. M. C. REM-dependent repair of competitive memory suppression. Experimental Brain Research. 203 (2), 471-477 (2010).
- Diekelmann, S., Born, J. The memory function of sleep. Nature Reviews Neuroscience. 11 (2), 114-126 (2010).
- Stickgold, R. Sleep dependent memory consolidation. Nature. 437 (27), 1272-1278 (2005).
- Dudai, Y., Karni, A., Born, J. The consolidation and transformation of memory. Neuron. 88 (1), 20-32 (2010).
- Feld, G. B., Born, J. Sculpting memory during sleep: concurrent consolidation and forgetting. Current Opinion in Neurobiology. 44, 20-27 (2017).
- Staresina, B. P., et al. Hierarchical nesting of slow oscillations, spindles and ripples in the human hippocampus during sleep. Nature Neuroscience. 18 (11), 1679-1686 (2015).
- Ellenbogen, J. M., Payne, J. D., Stickgold, R. The role of sleep in declarative memory consolidation: passive, permissive, active or none?. Current Opinion Neurobiology. 16 (6), 716-722 (2006).
- Oudiette, D., Paller, K. A. Upgrading the sleeping brain with targeted memory reactivation. Trends in Cognitive Sciences. 17 (3), 142-149 (2013).
- Yonelinas, A. P., Ranganath, C., Ekstrom, A. D., Wiltgen, B. J. A contextual binding theory of episodic memory: systems consolidation reconsidered. Nature Reviews Neuroscience. 20, 364-375 (2019).
- Antony, J. W., Schapiro, A. C. Active and effective replay: systems consolidation reconsidered again. Nature Reviews Neuroscience. , (2019).
- Lam, J., Mahone, E. M., Mason, T., Scharf, S. M. The effects of napping on cognitive function in preschoolers. Journal of Developmental & Behavioral Pediatrics. 32 (2), 90-97 (2011).
- Kurth, S., Ringli, M., Geiger, A., Lebourgeois, M., Jenni, O. G., Huber, R. High-density sleep electroencephalogram study. Journal of Neuroscience. 30 (40), 13211-13219 (2010).
- Backhaus, J., Hoeckesfeld, R., Born, J., Hohagen, F., Junghanns, K. Immediate as well as delayed post learning sleep but not wakefulness enhances declarative memory consolidation in children. Neurobiology of Learning and Memory. 89 (1), 76-80 (2008).
- Wilhelm, I., Diekelmann, S., Born, J. Sleep in children improves memory performance on declarative but not procedural tasks TT – Bei Kindern verbessert Schlaf die Gedächtnisleistung für deklarative aber nicht für prozedurale Aufgaben. Learning and Memory. 15 (5), 373-377 (2008).
- Seehagen, S., Konrad, C., Herbert, J. S., Schneider, S. Timely sleep facilitates declarative memory consolidation in infants. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (5), 1625-1629 (2015).
- Kurdziel, L., Duclos, K., Spencer, R. M. C. Sleep spindles in midday naps enhance learning in preschool children. Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America. 110 (43), 17267-17272 (2013).
- Kurdziel, L. B. F., Kent, J., Spencer, R. M. C. Sleep-dependent enhancement of emotional memory in early childhood. Scientific Reports. 8 (12609), 1-10 (2018).
- Desrochers, P. C., Kurdziel, L. B. F., Spencer, R. M. C. Delayed benefit of naps on motor learning in preschool children. Experimental Brain Research. 234 (3), 763-772 (2016).
- Maldonado, C. C., Bentley, A. J., Mitchell, D. A pictorial sleepiness scale based on cartoon faces. Sleep. 27 (3), 541-548 (2004).
- Stern, R. A., Arruda, J. E., Hooper, C. R., Wolfner, G. D., Morey, C. E. Visual analogue mood scales to measure internal mood state in neurologically impaired patients: Description and initial validity evidence. Aphasiology. 11 (1), 59-71 (1997).
- Plihal, W., Born, J. Effects of early and late nocturnal sleep on indicators of procedural and declarative memory. Journal of Cognitive Neuroscience. 9 (4), 534-547 (1997).
- Donohue, K. C., Spencer, R. M. C. Continuous re-exposure to environmental sound cues during sleep does not improve memory for semantically unrelated word pairs. Journal of Cognitive Education and Psychology. 10 (2), 167-177 (2015).
- Wilson, J. K., Baran, B., Pace-Schott, E. F., Ivry, R. B., Spencer, R. M. C. Sleep modulates word-pair learning but not motor sequence learning in healthy older adults. Neurobiology of Aging. 33 (5), 991-1000 (2012).
- Wamsley, E. J., et al. Reduced sleep spindles and spindle coherence in schizophrenia: Mechanisms of impaired memory consolidation?. Biological Psychiatry. 71 (2), 154-161 (2012).
- Mölle, M., Bergmann, T. O., Marshall, L., Born, J. Fast and slow spindles during the sleep slow oscillation: Disparate coalescence and engagement in memory processing. Sleep. 34 (10), 1411-1421 (2011).
- Acebo, C., et al. Sleep/wake patterns derived from activity monitoring and maternal report for healthy 1- to 5-year-old children. Sleep. 28 (12), 1568-1577 (2005).
- Acebo, C., et al. Estimating sleep patterns with activity monitoring in children and adolescents: How many nights are necessary for reliable measures?. Sleep. 22 (1), 95-103 (1999).
- Geiger, A., et al. The sleep EEG as a marker of intellectual ability in school age children. Sleep. 34 (2), 181-189 (2011).
- Wagner, U., Gais, S., Born, J. Emotional memory formation is enhanced across sleep intervals with high amounts of rapid eye movement sleep. Learning and Memory. 8, 112-119 (2001).
- Gómez, R. L., Bootzin, R. R., Nadel, L. Naps promote abstraction in language-learning infants. Psychological Science. 17 (8), 670-674 (2006).
- Konrad, C., Herbert, J. S., Schneider, S., Seehagen, S. Gist extraction and sleep in 12-month-old infants. Neurobiology of Learning and Memory. 134, 216-220 (2016).
