Razumijevanje uloge središnje i autonomne aktivnosti tijekom spavanja u poboljšanju radnog pamćenja i epizodnog pamćenja 1. dio

U posljednjem desetljeću zabilježen je značajan napredak u identificiranju mehanizama spavanja koji podržavaju kogniciju. Većina ovih studija usredotočena je na vezu između elektrofizioloških događaja središnjeg živčanog sustava tijekom spavanja i poboljšanja u različitim kognitivnim domenama, dok su dinamičke promjene autonomnog živčanog sustava tijekom spavanja uglavnom zanemarene.

Spavanje i pamćenje usko su povezani. Dok spavamo, naš mozak obrađuje i konsolidira informacije koje smo naučili tijekom dana, pomažući nam da zapamtimo i učimo. Stoga je dobar mehanizam spavanja vrlo važan za poboljšanje našeg pamćenja.

Postoje dvije glavne faze sna: brzi pokreti očiju (REM) i brzi pokreti očiju (NREM). Ove dvije faze sna imaju različite uloge u različitim vrstama sjećanja. Tijekom faze NREM spavanja, mozak će ojačati obradu sjećanja i ubaciti važne informacije u dugoročno pamćenje kako bi ih bolje sačuvao. U REM fazi sna, mozak će pojačati našu kreativnost i maštu prisjećanjem i reorganizacijom informacija, a može doći i do blijeđenja pamćenja.

Kako bismo osigurali dobru kvalitetu sna, trebali bismo obratiti pozornost na razvoj dobrih navika spavanja. To uključuje redovito spavanje, izbjegavanje pretjerane upotrebe elektroničkih uređaja prije spavanja i održavanje ugodnog okruženja za spavanje. Osim toga, održavanje tjelesnog zdravlja vježbanjem i kontrolom prehrane također je ključno za kvalitetu sna.

Ukratko, mehanizam spavanja i pamćenje usko su povezani. Održavanjem dobrih navika spavanja i stila života možemo poboljšati kvalitetu sna, što nam pomaže u boljem održavanju pamćenja i sposobnosti učenja. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje. Cistanche deserticola može značajno poboljšati pamćenje, jer Cistanche deserticola također može regulirati ravnotežu neurotransmitera, poput povećanja razine acetilkolina i faktora rasta. Ove tvari su vrlo važne za pamćenje i učenje. Osim toga, meso također može poboljšati protok krvi i pospješiti opskrbu kisikom, što može osigurati da mozak dobije dovoljno hranjivih tvari i energije, čime se poboljšava vitalnost i izdržljivost mozga.

Kliknite znajte dodatke za jačanje pamćenja

Nedavne studije su, međutim, identificirale značajan doprinos autonomnih inputa tijekom spavanja kogniciji. Ipak, i dalje postoje znatne praznine u razumijevanju načina na koji središnji i autonomni sustav rade zajedno tijekom spavanja kako bi olakšali kognitivno poboljšanje. U ovom članku ispitujemo dokaze o neovisnoj i interaktivnoj ulozi središnjih i autonomnih aktivnosti tijekom spavanja i budnog stanja u kognitivnoj obradi. Posebno se usredotočujemo na prefrontalno-subkortikalne strukture koje podržavaju radnu memoriju i mehanizme koji leže u osnovi formiranja epizodne memorije ovisne o hipokampusu.

Naš model Slow Oscillation Switch identificira odvojene i konkurentne temeljne mehanizme koji podržavaju dvije memorijske domene na sinaptičkoj, sustavnoj i bihevioralnoj razini. Predlažemo da je spavanje natjecateljska arena u kojoj se obje domene pamćenja bore za ograničene resurse, što je eksperimentalno pokazano kada jačanje jednog sustava dovodi do funkcionalnog kompromisa u elektrofiziološkim i bihevioralnim ishodima.

Budući da ova otkrića neizbježno vode do daljnjih pitanja, predlažemo područja budućih istraživanja kako bismo bolje razumjeli kako mozak i tijelo međusobno djeluju kako bi podržali širok raspon kognitivnih domena tijekom jedne epizode sna.

Autonomni živčani sustav (ANS) podijeljen je u dvije grane, sa simpatičkom granom povezanom s mobilizacijom energije tijekom takozvanih reakcija na borbu-bijeg-zamrzavanje (1, 2) i parasimpatičkom granom povezanom s vegetativnim i restorativnim funkcijama tijekom tzv. odgovori odmor-probava (3). Te grane "rade antagonistički, sinergistički i neovisno kako bi prikupile informacije iz osjetilnih organa i koordinirale odgovore na unutarnje i vanjske zahtjeve" (4).

I simpatički i parasimpatički živčani sustav komuniciraju sa središnjim živčanim sustavom (CNS), tvoreći sustav koji se naziva središnja autonomna mreža. Središnja autonomna mreža skup je struktura središnjeg živčanog sustava, uključujući locus coeruleus (LC), hipotalamus, amigdalu, ventromedijalni prefrontalni korteks, hipokampus i talamus, koji izravno ili neizravno primaju ulazne podatke iz ANS-a i moduliraju izlaz u njega.

Živac vagus (10. kranijalni živac) sastoji se od ~80% aferentnih veza (5) koje prenose parasimpatičke/vagalne informacije od periferije do jezgre solitarnog trakta u moždanom deblu i područjima višeg reda u središnjoj autonomnoj mreži ( 6, 7). Dodatno, padajuće projekcije iz središnje autonomne mreže omogućuju dvosmjernu komunikaciju između mozga i perifernih regija (8, 9).

Kod ljudi, neinvazivna metoda za otkrivanje aktivnosti ANS-a je varijabilnost srčanog ritma (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 vremenskoj domeni i frekvencijskoj domeni. Mjere HRV-a u vremenskoj domeni uključuju 1) SD svih R–R intervala (SDNN), opću mjeru varijabilnosti otkucaja srca, i 2) korijen srednje vrijednosti kvadrata uzastopnih razlika (RMSSD), mjeru fluktuacija otkucaja srca posredovan prvenstveno živcem vagusom.

Mjere HRV-a u frekvencijskoj domeni uključuju 1) snagu visokofrekventnog HRV-a (HF-HRV: 0.15 do 0.40 Hz), pokazatelj respiratorne sinusne aritmije i parasimpatička vagalna aktivnost, i 2) snaga niskofrekventnog HRV (LF-HRV: 0.04 do 0,15 Hz), mješoviti signal iz simpatičkih i parasimpatičkih izvora. S obzirom na nesigurnost u doprinosu signala koji sadržavaju LF-HRV, u odnosu na poznato vagusno podrijetlo HF-HRV signala, istraživanja o autonomnoj aktivnosti obično se usredotočuju na HF-HRV.

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

Naš se pregled posebno usredotočuje na dokaze koji podupiru ulogu ANS-a u kognitivnim procesima tijekom budnosti i spavanja. Izvještavamo o snažnom skupu nalaza koji povezuju parasimpatičku/vagalnu aktivnost tijekom budnosti i sna 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 ovisno o spavanju, što je značajan nedostatak s obzirom na velik broj istraživanja koja povezuju spavanje s formiranjem dugoročnih sjećanja. Zatim sažimamo trenutna znanja o mehanizmima koji podupiru stvaranje dugotrajnih sjećanja tijekom spavanja.

Na temelju ove pozadine razvijamo hipotezu da su moždane mreže i neuromodulatorni sustavi tijekom spavanja koji podupiru povećanu učinkovitost WM-a i konsolidaciju hipokampalnog, epizodnog sjećanja odvojeni i konkurentni mehanizmi. Predstavljamo Slow Oscillation Switch Model, koji daje pregled načina na koji ovi mehanizmi međusobno djeluju tijekom spavanja, zajedno s novonastalim hipotezama koje je moguće provjeriti i novim linijama ispitivanja za daljnja istraživanja u ovom području.

Autonomni inputi moduliraju kogniciju

Kognitivni procesi koji se oslanjaju na inhibicionu kontrolu odozgo prema dolje u prefrontalno-subkortikalnim mrežama, poput emocionalne regulacije, kognitivne kontrole ili izvršne funkcije, povezani su s parasimpatičkom/vagalnom aktivnošću. Kognitivna kontrola ili izvršna funkcija, koordinacija mentalnih procesa i radnji prema trenutnim ciljevima i planovima primarna je funkcija prefrontalnog korteksa.

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

WM, za razliku od dugoročnog pamćenja (LTM), uključuje transformaciju memorijskih reprezentacija ili tragova i informacijski je opći, online kognitivni proces, koji se tradicionalno smatra nepromjenjivim svojstvom. Ipak, studije WM treninga pokazale su da se izvršna funkcija općenito i WM posebno mogu poboljšati (20) i da su ta poboljšanja podržana povećanom prefrontalnom učinkovitošću i automatizmom prefrontalno-subkortikalnih mreža (21, 22).

Istraživanje uloge ANS-a u kogniciji pokazalo je da parasimpatička/vagalna aktivnost može biti pokazatelj stupnja do kojeg prefrontalno-subkortikalni krug regulira svoje sastavne sustave kao odgovor na unutarnje i vanjske zahtjeve. Konkretno, aktivnost u ovim inhibicijskim krugovima pozitivno je povezana s HF-HRV u mirovanju (9, 23), a pretpostavlja se da optimalno funkcioniranje tih krugova predviđa fleksibilne i prilagodljive odgovore na promjene u okolišu (24). Jedan istaknuti model koji ima za cilj objasniti kako je dvosmjerna komunikacija između CNS-a i ANS-a kritični prediktor adaptivnog kognitivnog uspjeha je model neurovisceralne integracije koji su razvili Thayer i kolege (9, 23) (SI dodatak, slika S1).

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

Model neurovisceralne integracije dobio je empirijsku potporu u studijama koje pokazuju odnos između HRV tijekom budnosti i izvršne funkcije. U usporedbi s pojedincima s niskim HF-HRV u mirovanju (što odražava loš parasimpatički vagalni tonus tijekom budnog mirovanja), pojedinci s visokim HF-HRV pokazuju bolju izvedbu WM [nback zadatak (25); zadatak raspona operacija (26)] i inhibitorna kontrola [tj. Stroop zadatak (27)].

Osim toga, treningom izazvane promjene u kognitivnoj kontroli povezane su s poboljšanjima parasimpatičke aktivnosti, a također je istina da treningom izazvana povećanja parasimpatičke aktivnosti također potiču 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 odrasle osobe s amnestičkim blagim kognitivnim oštećenjem prošle su 6 tjedana kognitivnog treninga.

U usporedbi s kontrolama, starije odrasle osobe u skupini koja je aktivno trenirala pokazale su povećan HF-HRV i smanjenu prefrontalno-strijatalnu povezanost tijekom zadatka, što ukazuje na učinkovitu prefrontalno-supkortikalnu autonomnu regulaciju. Slični rezultati zabilježeni su kod zdravih sudionika (28). Nadalje, zabilježeno je da povećanje HF-HRV u mirovanju putem aerobnog treninga paralelno poboljšava performanse WM (27).

U ovoj studiji, sudionici su nasumično raspoređeni u grupu za aerobni trening i grupu za detrening (smanjeno stanje vježbanja), s HF-HRV i WM u mirovanju izmjerenim prije i nakon intervencije vježbanja. Nakon intervencije, skupina za aerobni trening pokazala je veću izvedbu HF-HRV i WM u usporedbi s kontrolnom grupom koja nije trenirala, što ukazuje na vezu između jačanja parasimpatičkog/vagalnog funkcioniranja i WM mreža putem srčane vježbe.

Jedan potencijalni mehanizam za to kako vagalna/parasimpatička aktivnost može koristiti prefrontalnoj funkciji i WM je preko modulacije norepinefrina (NE). Posljednjih 20 godina istraživanja pokazalo je da uz tradicionalnu priču da je primarni neuromodulator vagalne aktivnosti acetilkolin (ACh), vagalni aferenti također moduliraju razine NE u mozgu. Živac vagus predstavlja glavnu komponentu parasimpatičkog živčanog sustava, a aktivirajuća uzlazna vlakna živca vagusa posreduju djelovanje NE na mozak (29, 30).

Završeci aferentnih vagalnih prijenosa nalaze se izravno unutar jezgre solitarnog trakta, koji prenose informacije do struktura koje reguliraju kogniciju višeg reda kao što su amigdala, hipokampus i frontalni korteks putem polisinaptičkog puta iz LC-a. Iako je ACh primarni neurotransmiter u perifernim sinapsama vagusnog živca, nakon što se informacija proširi do LC, NE postaje primarni neuromodulator koji posreduje sinaptičku komunikaciju u CNS-u.

LC ima dva načina paljenja, fazni i tonički, koji utječu na prefrontalnu funkciju. Toničko aktiviranje povezano je sa stresom ili uzbuđenjem, dok je fazno aktiviranje povezano s odgovorima na novost i kogniciju višeg reda (31). Fazička i tonička aktivacija su neovisne, s fazičkom aktivnošću optimiziranom na umjerenoj razini tonične aktivnosti (32), dok povišeno toničko pražnjenje može narušiti fazno pražnjenje (33). U primata, fazna aktivacija NE neurona LC-a u vremenu s kognitivnim pomacima mogla bi izazvati ili olakšati dinamičku reorganizaciju ciljnih neuronskih mreža, dopuštajući brzu prilagodbu ponašanja promjenjivim imperativima okoliša (34).

Nadalje, nedavno je pokazano da fazna optogenetička aktivacija LC-a štiti od štetnih učinaka tau pravokutnika kod ljudi i kognitivnog pada, dok aktivacija toničnog-LC-a koja izaziva stres pogoršava njegove učinke (35, 36). Naime, u studiji koju su proveli Omoluabi i sur. (36), miševima je ubrizgan tangled tau, a njihovi LC neuroni su aktivirani bilo u faznim ili toničkim obrascima. Otkrili su da je fazna stimulacija spasila miševe od poremećaja ponašanja i LC-a, dok je tonična stimulacija dovela do pogoršanja simptoma.

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

Ovo istraživanje naglašava ulogu povećane inhibicijske funkcije tijekom ometajućih stanja koja služe posebno za WM (41), a nemaju koristi za hipokampalno pamćenje (42). Zanimljivo je da 2 adrenergički receptori preferirano 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 oštećuju funkciju WM (38).

Slika koja se pojavljuje je da različite vrste adrenergičkih receptora mogu igrati ulogu u optimizaciji ukupne ekscitatorno-inhibitorne ravnoteže u prefrontalnom korteksu. Konkretno, NE upravlja fiziološkim funkcijama 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 toničko aktiviranje i aktivnost 1 receptora, oštećujući WM dok održava druge funkcije , kao što su budnost i pozornost (46).

Kod ljudi je uzročna veza između vagalnih inputa koji moduliraju aktivnost LC–NE i kognitivnih domena koje podržava prefrontalni korteks utvrđena studijama koje aktivno manipuliraju vagalnim tonusom pomoću stimulacije vagalnog živca (VNS) ili neinvazivne transkutane stimulacije vagusnog živca (tVNS). VNS aktivira fazno paljenje neurona u LC-u i povećava razine NE u prefrontalno-subkortikalnim mrežama, uključujući neokorteks, hipokampus, amigdalu i druge dijelove mozga s aferentnim projekcijama iz LC-a (33, 47-49).

U jednoj studiji, pacijenti liječeni invazivnim VNS-om obavljali su kognitivne zadatke s uključenom ili isključenom stimulacijom. Pacijenti su pokazali poboljšanu izvedbu WM-a tijekom razdoblja uključivanja stimulacije u usporedbi s razdobljima isključenja stimulacije (50). Nedavno je tVNS pokazao slične učinke kognitivnoj kontroli (51). U ovoj studiji, zdravi sudionici izveli su inhibicijski kontrolni (Go/NoGo) zadatak s aktivnom tVNS ili lažnom stimulacijom.

U NoGo stanju koje je zahtijevalo kognitivnu inhibiciju, tVNS je rezultirao značajno smanjenom amplitudom frontalnih N2 potencijala povezanih s događajima, biomarkera za zahtjevnu kognitivnu kontrolu, što sugerira da tVNS može dovesti do učinkovitije neuralne obrade s manje resursa potrebnih uz uspješnu frontalnu inhibicionu kontrolu. Slični učinci tVNS-a prikazani su u drugoj studiji (52) u kojoj je tVNS povećao frontalnu središnju theta aktivnost, za koju se smatra da odražava prolaznu aktivaciju prefrontalnog korteksa u situacijama koje zahtijevaju povećanu izvršnu kontrolu radnji.

S obzirom na to da vagalna stimulacija pojačava fazni LC-NE i da se parasimpatička aktivnost prirodno povećava tijekom spavanja bez brzih pokreta očiju (NREM), primamljivo je pretpostaviti da povećanje fazične LC-NE aktivnosti s prirodnim pojačanjem vagalne parasimpatičke aktivnosti tijekom spavanja može biti jedan mehanizam kojim se regulira prefrontalna funkcija i povećava kapacitet WM-a.

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

For more information:1950477648nn@gmail.com