Razumijevanje uloga centralne i autonomne aktivnosti tokom spavanja u poboljšanju radne memorije i epizodnog pamćenja 1. dio

U posljednjoj deceniji zabilježen je značajan napredak u identifikaciji mehanizama spavanja koji podržavaju spoznaju. Većina ovih studija fokusira se na vezu između elektrofizioloških događaja centralnog nervnog sistema tokom spavanja i poboljšanja u različitim kognitivnim domenima, dok su dinamičke promene autonomnog nervnog sistema tokom spavanja uglavnom zanemarene.

Spavanje i pamćenje su usko povezani. Dok spavamo, naš mozak obrađuje i konsoliduje informacije koje smo naučili tokom dana, pomažući nam da pamtimo i učimo. Stoga je dobar mehanizam za spavanje veoma važan za poboljšanje našeg pamćenja.

Postoje dvije glavne faze sna: brzi pokreti očiju (REM) i nebrzi pokreti očiju (NREM). Ove dvije faze sna igraju različite uloge u različitim vrstama sjećanja. Tokom faze NREM spavanja, mozak će ojačati obradu sjećanja i ubrizgati važne informacije u dugoročnu memoriju kako bi ih bolje sačuvao. U fazi REM spavanja, mozak će poboljšati našu kreativnost i maštu prisjećanjem i reorganizacijom informacija, a može doći i do nekog blijeđenja pamćenja.

Da bismo osigurali dobar kvalitet sna, trebamo obratiti pažnju na razvijanje dobrih navika spavanja. Ovo uključuje redovno vrijeme spavanja, izbjegavanje pretjerane upotrebe elektronskih uređaja prije spavanja i održavanje ugodnog okruženja za spavanje. Osim toga, održavanje fizičkog zdravlja kroz vježbanje i kontrolu prehrane također je ključno za kvalitet sna.

Ukratko, mehanizam spavanja i pamćenje su usko povezani. Održavajući dobre navike spavanja i način života, možemo poboljšati kvalitetu sna, pomažući nam na taj način da bolje održimo pamćenje i sposobnosti učenja. Vidi se da moramo poboljšati svoje pamćenje. Cistanche deserticola može značajno poboljšati pamćenje, jer Cistanche deserticola može regulisati i ravnotežu neurotransmitera, kao što je povećanje nivoa acetilholina i faktora rasta. Ove supstance su veoma važne za pamćenje i učenje. Osim toga, meso također može poboljšati protok krvi i promovirati isporuku kisika, što može osigurati da mozak dobije dovoljno hranjivih tvari i energije, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.

Kliknite znati suplemente za jačanje pamćenja

Međutim, nedavne studije su identifikovale značajan doprinos kognicije autonomnih inputa tokom spavanja. Ipak, ostaju značajne praznine u razumijevanju kako centralni i autonomni sistemi rade zajedno tokom spavanja kako bi olakšali kognitivno poboljšanje. U ovom članku ispitujemo dokaze o nezavisnim i interaktivnim ulogama centralnih i autonomnih aktivnosti tokom spavanja i buđenja u kognitivnoj obradi. Posebno se fokusiramo na prefrontalno-subkortikalne strukture koje podržavaju radnu memoriju i mehanizme koji su u osnovi formiranja epizodne memorije ovisne o hipokampu.

Naš model Slow Oscillation Switch identifikuje odvojene i konkurentne osnovne mehanizme koji podržavaju dva memorijska domena na sinaptičkom, sistemskom i bihevioralnom nivou. Predlažemo da je spavanje konkurentska arena u kojoj se oba memorijska domena bore za ograničene resurse, što je eksperimentalno pokazano kada jačanje jednog sistema dovodi do funkcionalnog kompromisa u elektrofiziološkim i bihevioralnim ishodima.

Kako ovi nalazi neizbježno dovode do daljnjih pitanja, predlažemo područja budućih istraživanja kako bismo bolje razumjeli kako mozak i tijelo međusobno djeluju kako bi podržali širok spektar kognitivnih domena tokom jedne epizode spavanja.

Autonomni nervni sistem (ANS) je podijeljen u dvije grane, pri čemu je simpatička grana povezana s mobilizacijom energije tokom tzv. borba–bježi–zamrzavanje odgovora (1, 2) i parasimpatička grana povezana s vegetativnim i restorativnim funkcijama tokom tzv. odgovori odmor-svarenje (3). Ove grane „rade antagonistički, sinergistički i nezavisno da bi prikupile informacije od čulnih organa i koordinirale odgovore na unutrašnje i spoljašnje zahteve“ (4).

I simpatički i parasimpatički nervni sistem komuniciraju sa centralnim nervnim sistemom (CNS), formirajući sistem nazvan centralna autonomna mreža. Centralna autonomna mreža je skup struktura CNS-a, uključujući locus coeruleus (LC), hipotalamus, amigdalu, ventromedijalni prefrontalni korteks, hipokampus i talamus, koji, direktno ili indirektno, primaju ulazne podatke i moduliraju izlaz u ANS.

Vagusni nerv (10. kranijalni nerv) se sastoji od ∼80% aferentnih veza (5) koje prenose parasimpatičke/vagalne informacije od periferije do jezgra solitarnog trakta u moždanom stablu i područjima višeg reda u centralnoj autonomnoj mreži ( 6, 7). Dodatno, silazne projekcije iz centralne autonomne mreže omogućavaju dvosmjernu komunikaciju između mozga i perifernih regija (8, 9).

Kod ljudi, neinvazivna metoda za otkrivanje aktivnosti ANS-a je varijabilnost srčane frekvencije (HRV), koja ispituje varijabilnost između pojedinačnih otkucaja srca (R–R intervali, koji odražavaju ventrikularnu depolarizaciju) u QRS kompleksu elektrokardiograma (EKG) (10–12).

HRV se može izračunati u vremenskom i frekvencijskom domenu. Mjere HRV u vremenskom domenu uključuju 1) SD svih R-R intervala (SDNN), opću mjeru varijabilnosti srčanog ritma, i 2) srednji kvadrat uzastopnih razlika (RMSSD), mjeru fluktuacija srčane frekvencije posredovan prvenstveno vagusnim živcem.

Mjere HRV u frekvencijskom domenu uključuju 1) snagu HRV visoke frekvencije (HF-HRV: 0.15 do 0.40 Hz), indikator respiratorne sinusne aritmije i parasimpatička vagalna aktivnost, i 2) snaga HRV niske frekvencije (LF-HRV: 0.04 do 0,15 Hz), mješoviti signal iz simpatičkih i parasimpatičkih izvora. S obzirom na nesigurnost u doprinosu signala koji sadrže LF-HRV, u odnosu na poznato vagalno porijeklo HF-HRV signala, istraživanje autonomne aktivnosti teži da se fokusira na HF-HRV.

Za nedavni pregled područja mozga i neuromodulatornih sistema koji se sastoje od parasimpatičkih i simpatičkih grana, kao i njihovih inputa u područja mozga posvećena kognitivnoj obradi, vidi Whitehurst et al. (4).

Naš pregled se posebno fokusira na dokaze koji podržavaju ulogu ANS-a u kognitivnim procesima u toku budnog stanja i sna. Izvještavamo o velikom skupu nalaza koji povezuju parasimpatičku/vagalnu aktivnost tokom buđenja i spavanja s prefrontalno-subkortikalnom mrežom koja regulira kognitivnu kontrolu, izvršnu funkciju i radnu memoriju (WM). Također identificiramo značajan nedostatak dokaza za autonomnu aktivnost koja olakšava konsolidaciju pamćenja ovisnu o spavanju, što je primjetan jaz s obzirom na veliki broj istraživanja koja povezuju san s formiranjem dugoročnih sjećanja. Zatim sumiramo trenutno znanje o mehanizmima koji podržavaju formiranje dugoročnih sjećanja tokom spavanja.

Na osnovu toga, razvijamo hipotezu da su moždane mreže i neuromodulatorni sistemi tokom spavanja koji podržavaju povećanu efikasnost u WM i konsolidaciju hipokampalnih epizodnih sjećanja odvojeni i konkurentni mehanizmi. Predstavljamo model Slow Oscillation Switch Model, koji daje pregled načina na koji ovi mehanizmi interaguju tokom spavanja, zajedno sa hipotezama koje se mogu testirati i novim linijama istraživanja za dalja istraživanja u ovoj oblasti.

Autonomni ulazi moduliraju kogniciju

Kognitivni procesi koji se oslanjaju na inhibicionu kontrolu odozgo prema dolje u prefrontalno-subkortikalnim mrežama, kao što su emocionalna regulacija, kognitivna kontrola ili izvršna funkcija, povezani su s parasimpatičkom/vagalnom aktivnošću. Kognitivna kontrola ili izvršna funkcija, koordinacija mentalnih procesa i akcija prema trenutnim ciljevima i planovima je primarna funkcija prefrontalnog korteksa.

Koordinaciju kognitivne kontrole implementiraju višestruki funkcionalni krugovi usidreni u prefrontalnom korteksu, uključujući ventromedijalni prefrontalni korteks, prednji cingularni korteks i širok spektar subkortikalnih regija (13). WM je aspekt izvršne funkcije koji podržava održavanje i manipulaciju malom količinom informacija, obično traje od nekoliko sekundi do minuta (14) i dijeli slične neuronske mehanizme sa kognitivnom kontrolom (15). Opseg ovog rada će se fokusirati na jedan aspekt izvršne funkcije, naime WM (za više informacija o emocionalnoj regulaciji, vidjeti reference 16–19).

WM, za razliku od dugotrajnog pamćenja (LTM), uključuje transformaciju memorijskih reprezentacija ili tragova i predstavlja opći informacijski, online kognitivni proces, koji se tradicionalno smatra nepromjenjivom osobinom. Ipak, studije WM obuke su pokazale da se izvršna funkcija općenito i WM posebno mogu poboljšati (20) i da su ova poboljšanja podržana povećanom prefrontalnom efikasnošću i automatizmom prefrontalno-subkortikalnih mreža (21, 22).

Istraživanja o ulozi ANS-a u kogniciji su pokazala da parasimpatička/vagalna aktivnost može biti pokazatelj stepena do kojeg prefrontalno-subkortikalni krug reguliše svoje sastavne sisteme kao odgovor na unutrašnje i eksterne zahteve. Konkretno, aktivnost u ovim inhibitornim krugovima je pozitivno povezana sa HF-HRV u mirovanju (9, 23), a pretpostavlja se da optimalno funkcioniranje ovih kola predviđa fleksibilne i prilagodljive odgovore na promjene okoline (24). Jedan istaknuti model koji ima za cilj da objasni kako je dvosmjerna komunikacija između CNS-a i ANS-a kritični prediktor adaptivnog kognitivnog uspjeha je Neurovisceralni integracijski model, koji su razvili Thayer i kolege (9, 23) (SI Dodatak, Slika S1).

Ovaj model predlaže da je HRV indeks prefrontalno-subkortikalnog inhibitornog utjecaja na širok raspon moždanih područja koja podržavaju spoznaju, emocije i fiziološku reaktivnost, uključujući izvršnu funkciju, WM, očekivanje budućih ishoda, emocionalnu regulaciju, emocionalnu reakciju na stres i periferno funkcionisanje (24).

Neurovisceralni integracijski model dobio je empirijsku podršku studija koje pokazuju odnos između HRV-a tijekom budnog stanja i izvršne funkcije. U poređenju sa osobama sa niskim HF-HRV u mirovanju (što odražava loš parasimpatički vagalni tonus tokom budnog odmora), osobe sa visokim HF-HRV pokazuju bolje performanse WM [nback zadatak (25); zadatak operativnog raspona (26)] i inhibitornu kontrolu [tj. Stroopov zadatak (27)].

Osim toga, promjene u kognitivnoj kontroli uzrokovane treningom povezane su s poboljšanjima parasimpatičke aktivnosti, a preokret je također istinit da povećanje parasimpatičke aktivnosti uzrokovano treningom također potiče kognitivno poboljšanje. Na primjer, pokazalo se da kognitivni trening (brzina obrade zasnovana na vidu) povećava HF-HRV i pojačava aktivaciju u prefrontalno-subkortikalnoj mreži (22). U ovoj studiji, starije osobe s amnestičnim blagim kognitivnim oštećenjem prošle su 6 tjedana kognitivnog treninga.

U poređenju sa kontrolama, starije odrasle osobe u grupi aktivnog treninga pokazale su povećanu HF-HRV i smanjenu prefrontalno-striatnu povezanost tokom zadatka, sugerirajući efikasnu prefrontalno-subkortikalnu autonomnu regulaciju. Slični rezultati su prijavljeni i kod zdravih učesnika (28). Nadalje, zabilježeno je povećanje HF-HRV u mirovanju putem aerobnog treninga uz paralelna poboljšanja u WM performansama (27).

U ovoj studiji, učesnici su nasumično raspoređeni u grupu za aerobni trening i grupu za detrening (smanjeno stanje vježbanja), s HF-HRV i WM u mirovanju mjerenim prije i nakon intervencije vježbanja. Nakon intervencije, grupa aerobnog treninga pokazala je veće performanse HF-HRV i WM u poređenju sa kontrolnom grupom za detrening, što sugerira vezu između jačanja parasimpatičkog/vagalnog funkcioniranja i WM mreže putem srčanih vježbi.

Jedan potencijalni mehanizam za to kako vagalna/parasimpatička aktivnost može imati koristi od prefrontalne funkcije i WM je kroz modulaciju norepinefrina (NE). Posljednjih 20 godina istraživanja su pokazala da uz tradicionalnu priču da je primarni neuromodulator vagalne aktivnosti acetilholin (ACh), vagalni aferenti također moduliraju nivoe NE u mozgu. Vagusni nerv predstavlja glavnu komponentu parasimpatičkog nervnog sistema, a aktivacija uzlaznih vlakana vagusnog nerva posreduju u delovanju NE na mozak (29, 30).

Terminali aferentnih vagalnih transmisija su direktno unutar jezgra solitarnog trakta, koji prenose informacije strukturama koje reguliraju spoznaju višeg reda kao što su amigdala, hipokampus i frontalni korteks preko polisinaptičkog puta iz LC. Iako je ACh primarni neurotransmiter u perifernim sinapsama vagusnog živca, kada se informacija propagira do LC, NE postaje primarni neuromodulator koji posreduje sinaptičku komunikaciju u CNS-u.

LC ima dva načina paljenja, fazni i tonički, koji utiču na prefrontalnu funkciju. Tonično aktiviranje povezano je sa stresom ili uzbuđenjem, dok je fazno paljenje povezano sa odgovorima na novost i spoznaju višeg reda (31). Fazičke i toničke aktivacije su nezavisne, sa faznom aktivnošću optimizovanom pri umerenom nivou tonične aktivnosti (32), dok povišeni tonički pražnjenje može umanjiti fazni pražnjenje (33). Kod primata, fazna aktivacija NE neurona LC-a u vremenu sa kognitivnim pomacima mogla bi izazvati ili olakšati dinamičku reorganizaciju ciljnih neuronskih mreža, omogućavajući brzu adaptaciju ponašanja na promjenjive imperative okoline (34).

Nadalje, nedavno je pokazano da fazna optogenetska aktivacija LC štiti od štetnih tau efekata ljudskog pravougaonika i kognitivnog pada, dok aktivacija tonik-LC-a koja izaziva stres pogoršava njegove efekte (35, 36). Konkretno, u studiji koju su proveli Omoluabi et al. (36), miševima je ubrizgan zamršeni tau, a njihovi LC neuroni su aktivirani bilo u faznim ili toničkim obrascima. Otkrili su da je fazna stimulacija spasila miševe od bihevioralnih i LC deficita, dok je tonička stimulacija dovela do pogoršanja simptoma.

Nadalje, studije na glodavcima i majmunima su pokazale da optimalna ekscitatorno-inhibicijska ravnoteža prefrontalnog NE, koju održavaju različiti adrenergički receptori, (npr. 1 i pre- i postsinaptički 2), ima važan povoljan utjecaj na performanse WM (37, 38) . Eksperimentalno povećanje koncentracije NE u prefrontalnom korteksu poboljšava učinak inhibicije odgovora kod glodara i ljudi (39, 40).

Ovo istraživanje naglašava ulogu povećane inhibitorne funkcije tokom ometajućih stanja koja služe posebno za WM (41) dok nemaju koristi za pamćenje hipokampusa (42). Zanimljivo je da 2 adrenergička receptora prvenstveno povećavaju prefrontalni NE i održavaju njegovu optimalnu ekscitatorno-inhibitornu ravnotežu, što zauzvrat poboljšava prefrontalnu funkciju (43–45), dok 1 receptori nadjačavaju aktivnost 2 receptora i narušavaju funkciju WM (38).

Slika koja se pojavljuje je da različiti tipovi adrenergičkih receptora mogu igrati ulogu u optimizaciji ukupne ekscitatorno-inhibitorne ravnoteže u prefrontalnom korteksu. Konkretno, NE orkestrira fiziološke funkcije koje prebacuju mozak i tijelo iz stanja bez stresa, u kojem fazna LC aktivnost uključuje 2 receptora i povećava prefrontalnu WM funkciju, u stresno stanje koje stimulira aktiviranje tonika i aktivnost 1 receptora, narušavajući WM dok održava druge funkcije. , kao što su budnost i pažnja (46).

Kod ljudi, uzročna veza između vagalnih inputa koji moduliraju aktivnost LC-NE i kognitivnih domena koje podržava prefrontalni korteks ustanovljena je studijama koje su aktivno manipulirale tonusom vagusa koristeći stimulaciju vagalnog živca (VNS) ili neinvazivnu transkutanu stimulaciju vagusnog živca (tVNS). VNS aktivira fazno aktiviranje neurona u LC i povećava nivoe NE u prefrontalno-subkortikalnim mrežama, uključujući neokorteks, hipokampus, amigdalu i druge dijelove mozga s aferentnim projekcijama iz LC (33, 47–49).

U jednoj studiji, pacijenti liječeni invazivnim VNS-om obavljali su kognitivne zadatke uz uključenu ili isključenu stimulaciju. Pacijenti su pokazali poboljšane performanse WM tokom perioda stimulacije u poređenju sa periodima stimulacije bez (50). Nedavno je tVNS pokazao slične efekte kao i kognitivna kontrola (51). U ovoj studiji, zdravi učesnici su izvršili zadatak inhibitorne kontrole (Go/NoGo) s aktivnom tVNS ili lažnom stimulacijom.

U stanju NoGo koje je zahtijevalo kognitivnu inhibiciju, tVNS je rezultirao značajno smanjenom amplitudom frontalnih potencijala vezanih za N2 događaje, biomarkera za zahtjevnu kognitivnu kontrolu, sugerirajući da tVNS može dovesti do efikasnije neuronske obrade sa manje potrebnih resursa za uspješnu frontalnu inhibitornu kontrolu. Slični efekti tVNS-a su demonstrirani u drugoj studiji (52) u kojoj je tVNS povećao frontalnu srednju theta aktivnost, za koju se smatra da odražava prolaznu aktivaciju prefrontalnog korteksa u situacijama koje zahtijevaju povećanu izvršnu kontrolu akcija.

S obzirom na to da stimulacija vagusa pojačava fazni LC–NE i da je parasimpatička aktivnost prirodno povećana tokom spavanja bez brzih pokreta očiju (NREM), primamljivo je pretpostaviti da povećanje fazne LC–NE aktivnosti s prirodnim povećanjem parasimpatičke aktivnosti vagusa tokom spavanja može biti jedan mehanizam kojim se regulira prefrontalna funkcija i povećava WM kapacitet.

Uzeto zajedno, fazni LC–NE tokom spavanja može doprinijeti povećanju WM kapaciteta kroz nekoliko mogućih mehanizama, uključujući reorganizaciju neuronskih reprezentacija, eliminaciju tau i/ili povećanje fazne aktivnosti LC–NE 2 receptora zajedno s prefrontalnom funkcijom. U isto vrijeme, tonik LC–NE izazvan stresom ometa san kao i prefrontalnu funkciju. Sljedeći dio će pregledati nalaze o odnosu između sna i aktivnosti ANS-a.

For more information:1950477648nn@gmail.com