Veränderungen der Gehirnkonnektivität während des Schlafs durch transkranielle Neurostimulation mit geschlossenem Regelkreis sagen die Metagedächtnisempfindlichkeit voraus, Teil 3

ERGEBNISSE

Verhaltenseffekte

Wie von Pilly et al. (2020) führte die STAMP-Stimulation nicht zu einer signifikanten Verbesserung der allgemeinen Erinnerungsgenauigkeit. Allerdings führte die STAMP-Stimulation am dritten Tag des Experiments (nach Nacht 2) zu einer verbesserten Metaspeicherempfindlichkeit.

Metamemory-Sensibilität bezieht sich auf das Bewusstsein und das Verständnis einer Person für die Gedächtnisfähigkeit, die sie besitzt, während sich die Gedächtnisfähigkeit auf die Gedächtnisfähigkeit einer Person bezieht, die in einer bestimmten Praxis gezeigt wird. Zwischen den beiden besteht eine enge Beziehung.

Erstens wirkt sich die Metaspeicherempfindlichkeit direkt auf die Gedächtnisleistung aus. Wenn eine Person glaubt, dass sie sich auf eine bestimmte Art von Erinnerung verlassen kann, wird sie tendenziell härter daran arbeiten, sich daran zu erinnern, und bei dieser Art von Gedächtnisaufgabe bessere Leistungen erbringen. Wenn es einer Person im Gegensatz dazu an Vertrauen in ihre Gedächtnisfähigkeiten mangelt, kann dies dazu führen, dass sie bei Gedächtnisaufgaben schlechtere Leistungen erbringt und dadurch ihre Gedächtnisfähigkeit verringert wird.

Zweitens trägt eine positive Metagedächtnisempfindlichkeit zur Verbesserung des Gedächtnisses bei. Wenn eine Person glaubt, dass es Raum für eine Verbesserung ihres Gedächtnisses gibt, wird sie ihr Gedächtnis aktiver trainieren und dadurch die Genauigkeit und Beständigkeit des Gedächtnisses verbessern. Wer glaubt, dass seine Gedächtnisleistung den Höhepunkt erreicht hat, ist oft nicht in der Lage, neue Gedächtnisherausforderungen anzunehmen und verpasst so die Chance, seine Gedächtnisleistung zu verbessern.

Deshalb müssen wir unsere Meta-Gedächtnissensibilität aktiv kultivieren, die Einschränkungen und Einstellungen unserer Gedächtnisfähigkeiten aufheben und glauben, dass wir uns bei Gedächtnisaufgaben weiter verbessern können. Gleichzeitig müssen wir uns auch auf umfassendes Training und Übung verlassen, um unser Gedächtnis zu verbessern, damit es in bestimmten Übungen effektiver eingesetzt werden kann. Nur so können wir unser Gedächtnispotenzial maximieren und bessere Ergebnisse erzielen. Es ist ersichtlich, dass wir das Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche deserticola kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Cistanche deserticola auch das Gleichgewicht von Neurotransmittern regulieren kann, beispielsweise durch die Erhöhung des Acetylcholin- und Wachstumsfaktorspiegels. Diese Stoffe sind sehr wichtig für das Gedächtnis und das Lernen. Darüber hinaus kann Cistanche deserticola auch die Durchblutung verbessern und die Sauerstoffversorgung fördern, wodurch sichergestellt werden kann, dass das Gehirn ausreichend Nährstoffe und Energie erhält, wodurch die Vitalität und Ausdauer des Gehirns verbessert werden.

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Insbesondere zeigten abhängige t-Tests, die die Metaspeicherempfindlichkeit über verschiedene Bedingungen hinweg verglichen, dass die Empfindlichkeit in der Tag- und Cue-Bedingung deutlich höher war als in der Tag- und No-Cue-Bedingung [t(23)=3.51,angepasstes p < 0 .01, Holm-Bonferroni-Korrektur für zwei Vergleiche; gepaarte Stichprobe Cohen'sd=0.72] und Scheinbedingung [t(23)=2.089, angepasstes p=0.048, Holm-Bonferroni-Korrektur für zwei Vergleiche; Cohens d mit gepaarter Stichprobe=0.43].

Eine signifikante Verbesserung der Metaspeicherempfindlichkeit wurde erst am dritten Tag des Experiments festgestellt. Somit führte die Anwendung von STAMPs während der SWOs in den beiden Nächten nach der One-Shot-Betrachtung zu einer spezifischen Verbesserung des Metagedächtnisses für die Episoden, die sowohl getaggt als auch mit Cues versehen waren.

Globale Kohärenzänderungen

Als ersten Durchgang untersuchten wir die Gesamtveränderungen der mittleren Kohärenz auf der gesamten Kopfhaut aufgrund der STAMP-Stimulation, um festzustellen, ob die Stimulation zu messbaren Veränderungen der Konnektivität führte.

Darüber hinaus versuchten wir, frühere Arbeiten zu replizieren und zu beurteilen, ob die Stimulation zu ähnlichen Veränderungen der Kohärenz führen würde wie das Lernen im Schlaf (Mölle et al., 2004). Frühere Arbeiten (Mölle et al., 2004) berichteten über eine Modulation der Delta-, Spindel- und Gammabandkohärenz während des Schlafs nach dem Lernen; Im Gegensatz dazu zeigten andere Arbeiten (Polanía et al., 2011) eine erhöhte Konnektivität über alle Frequenzbänder nach tDCS-Stimulation.

Daher stellten wir die Hypothese auf, dass die STAMP-Stimulation die mittlere Kohärenz im Vergleich zum Scheinzustand in den Delta-, Spindel- und Gammabändern erhöhen würde, untersuchten jedoch auch Unterschiede in anderen Bändern mit konservativen statistischen Tests.

Mittlere iCoh-Werte in allen Frequenzbändern wurden für aktive und scheinbasierte Basislinien-korrigierte Daten berechnet, um globale Konnektivitätsänderungen zu untersuchen. Daher wurden einseitige t-Tests für mittlere Kohärenzwerte in jedem Frequenzband durchgeführt und unter Verwendung einer Falscherkennungsrate von p korrigiert< 0.05 (Benjamini & Hochberg, 1995). 

Kohärenzkarten, die eine größere Konnektivität im aktiven Zustand auf der gesamten Kopfhaut zeigen, wurden visualisiert, indem der Visualisierungsschwellenwert für jedes Frequenzband auf das Maximum des Scheinzustands eingestellt wurde, wodurch im Wesentlichen der Scheinzustand subtrahiert wurde. Stimulationsinduzierte mittlere Kohärenzänderungen in verschiedenen Frequenzbändern sind in Abbildung 3 dargestellt.

Die Topographiediagramme zeigen die Kohärenz zwischen Elektrodenpaaren im aktiven Zustand, begrenzt durch die Kohärenz im Scheinzustand, während die gezeigten Boxplots mit einem Schwellenwert mittlere Kohärenzwerte über die gesamte Kopfhaut darstellen. Die Analyse der Gesamtveränderungen der Kohärenz auf der gesamten Kopfhaut ergab, dass STAMPs in mehreren Frequenzbändern zu einem signifikanten Anstieg der mittleren Kohärenz führten.

Die EEG-Kohärenz war nach STAMPs in den Theta-, Alpha- und Spindelbändern (p < 0,05) im Vergleich zur Scheinbedingung signifikant erhöht. Die mittleren Kohärenzen in den Delta-, Beta- und Gammabändern unterschieden sich zwischen den Stimulationsbedingungen nicht signifikant . Somit induzierte die STAMP-Stimulation Veränderungen in der Gehirnkonnektivität in bestimmten Frequenzbändern.

Klassifizierung und Verhaltensvorhersage

Die Ergebnisse der Klassifizierungsanalyse sind in Abbildung 4 dargestellt und in Tabelle 1 aufgeführt. Die durchschnittlichen Wichtigkeitswerte über Falten hinweg für von Boruta ausgewählte Merkmale sind auf der linken Seite dargestellt, wobei durchweg als wichtig erachtete Merkmale grün hervorgehoben sind (deutlich über dem durchschnittlichen Schattenmaximum). Über alle Falten hinweg wurde der Radius im Spindelband (12–15 Hz) durchweg als wichtigstes Merkmal ausgewählt.

Weitere wichtige Merkmale waren: Pfadlänge (12–15 Hz) sowie mittlere Kohärenz und Dichte (3–8 Hz). Rechts sind die ROC-Kurven der Klassifikatorleistung dargestellt. Wie in Mason und Graham (2002) dargelegt, wurden Mann-Whitney-U-Tests für jeden Klassifikator durchgeführt, um festzustellen, ob die Leistung des Klassifikators statistisch signifikant über dem Zufallswert lag (AUC=0,5). Alle Tests ergaben signifikante p-Werte (p < 0,001).

Wir haben außerdem 95 %-Konfidenzintervalle mithilfe des astratifizierten Bootstrap-Resampling-Ansatzes mit 10 000 Bootstrap-Replikationen berechnet, was eine über dem Zufallswert liegende Klassifizierungsleistung weiter demonstrierte (Carpenter & Bithell, 2000).

Somit lag die Klassifizierungsgenauigkeit über dem Zufall, und die Verwendung der Top-Variablen aus Klassifizierungs- und Regressionsanalysen (Pfadlänge in 16–30 Hz und Radius in 12–15 Hz) führte zur besten Klassifizierungsleistung.

Als Folgeanalyse wurden die vier vom Boruta-Algorithmus zur Klassifizierung ausgewählten Merkmale t-Tests unterzogen, um den Unterschied in der Konnektivität zwischen den Bedingungen „Aktiv“ und „Schein“ zu testen. Die resultierenden p-Werte wurden mit einer Falscherkennungsrate korrigiert, die auf {{ 2}}.05.

Die korrigierten p-Werte für 12–15 Hz Pfadlänge und -radius sowie 3–8 Hz mittlere Kohärenz waren signifikant ( p=0.029); die 3–8 Hz-Dichte war auch auf einem Alpha-Signifikanzniveau signifikant ( p=0.05). Somit wurden Konnektivitätsmerkmale, die sich nach der aktiven Stimulation im Vergleich zur Scheinstimulation deutlich veränderten, von der Merkmalsauswahlpipeline gefunden. Pfadlängen- und Radiusmerkmale von vor bis nach der Stimulation waren im aktiven Zustand im Vergleich zum Scheinzustand signifikant verringert, wohingegen die mittleren Kohärenz- und Dichtemerkmale im Vergleich zum Scheinzustand signifikant erhöht waren.

Boxplots, die diese Merkmale für beide Bedingungen zeigen, sind in Abbildung S3 mit Hintergrundinformationen dargestellt. Die Ergebnisse der Verhaltensvorhersageanalyse sind in Abbildung 5 dargestellt und in Tabelle 2 aufgeführt.

Hier wurden Änderungen der neuronalen Maße nach der Stimulation als Merkmale verwendet, um Änderungen der Metamememory-Sensitivität (AUC) des Erinnerungstests sowohl für die Tag & Cue- als auch für die Sham-Bedingungen von Tag 2 bis Tag 3 vorherzusagen, um Zusammenhänge zwischen Gehirn und Verhalten zu identifizieren.

Die Wichtigkeitswerte von Boruta für graphentheoretische Merkmale sind links dargestellt. Die Pfadlänge im Betaband (16–30 Hz) wurde als äußerst wichtig für die Vorhersage von Änderungen der Metaspeicherempfindlichkeit angesehen und ist das einzige ausgewählte Merkmal. Die Beziehung zwischen der stimulationsinduzierten Änderung der 16–30-Hz-Pfadlänge und der nächtlichen Änderung der AUC-Leistung sowohl für die Aktivdaten (Tag & Cue) als auch für die Scheinbedingungen ist rechts dargestellt.

Die Korrelation zwischen der Änderung der Betaband-Pfadlänge und der Änderung der AUC war für den aktiven Zustand signifikant (r=−0.66, p=0.003), Dies deutet darauf hin, dass Personen mit verringerter Weglänge nach STAMPs tendenziell eine positive Veränderung der Gedächtnisleistung zeigten. Dieser Zusammenhang war für die Scheinbedingung (r=−0,22, p=0,39) nicht signifikant.

Basierend auf den Ergebnissen dieser Analysen wurden nachfolgende lineare Regressionen durchgeführt, um die Änderung der metakognitiven Empfindlichkeit über Nacht anhand der Pfadlänge im 16–30-Hz-Band sowohl für die aktiven Daten als auch für die Scheindaten vorherzusagen.

Für die aktiven Daten sagte eine Pfadlänge von 16–30 Hz die AUC-Änderung signifikant voraus (t=−3,56, p=0.003, adj. R{{7} }.41). Für die Scheindaten war die Weglänge von 16–30 Hz kein signifikanter Prädiktor (t=−0,88, p=0,39, adj. R2=−0,01). Zusätzliche Analysen zum Vergleich der Aktiv- und Scheinbedingungen wurden ebenfalls durchgeführt und sind in den Hintergrundinformationen ausführlicher beschrieben.

DISKUSSION

Im vorliegenden Experiment beschäftigten sich die Teilnehmer mit einer episodischen Gedächtnisaufgabe, während sie einzigartige räumlich-zeitliche Muster transkranieller elektrischer Stimulation erhielten, und eine Teilmenge der Muster wurde während der Hochphasen von SWOs in den folgenden Nächten erneut angewendet, um die Reaktivierung spezifischer assoziierter Erinnerungen auszulösen (siehe Pilly et al., 2020).

Hier berichten wir über Veränderungen der funktionellen Gehirnkonnektivität, die durch diese tES-Muster während des Schlafs hervorgerufen werden und die Veränderungen der Metagedächtnisempfindlichkeit von vor bis nach dem Schlaf vorhersagen.

Mithilfe maschineller Lerntechniken zur Identifizierung wichtiger Merkmale für die Klassifizierung zwischen aktiver und Scheinstimulation haben wir festgestellt, dass sich die Konnektivitätsmerkmale im Theta- und Spindelband zwischen den beiden Bedingungen erheblich unterscheiden.

Darüber hinaus fanden wir heraus, dass Änderungen der Pfadlänge im Betaband Veränderungen der Gedächtnisempfindlichkeit vorhersagten, da Leistungssteigerungen über die Nacht mit einer Abnahme der Betapfadlänge nach der Stimulation zusammenhingen.

Zusammengenommen tragen diese Ergebnisse zu einer wachsenden Zahl von Forschungsarbeiten bei, die die neuronalen Prozesse untersuchen, die der Gedächtnisreaktivierung und -konsolidierung während des Schlafs zugrunde liegen, und legen nahe, dass die Modulation der Pfadlänge bei bestimmten Frequenzen während des Konsolidierungsprozesses zu höherem Vertrauen und besserer Entscheidungsfindung für neu konsolidierte Erinnerungen führen kann.

Die im aktuellen Experiment verwendeten kurzen tES- oder STAMP-Ausbrüche erhöhten die Gesamtkohärenz der Kopfhaut in niedrigeren Frequenzbändern, nämlich im Theta-, Alpha- und Spindelband, also im Wesentlichen von 3–15 Hz. Interessanterweise wurden auch nach dem Lernen Veränderungen in der Spindel-Band-Konnektivität während des Schlafs festgestellt; Allerdings wurden nach der STAMP-Stimulation keine Veränderungen in der Konnektivität im Delta- oder Gammaband festgestellt, was etwas im Widerspruch zu früheren experimentellen Arbeiten steht (Mölle et al., 2004).

Das hier verwendete Stimulationsprotokoll unterschied sich jedoch stark von früheren Studien – wir verwendeten nämlich kurze Ausbrüche räumlich-zeitlich verteilter elektrischer Ströme, die aufgrund ihrer Einzigartigkeit und Verbindung mit der Kodierungsperiode in erster Linie dazu gedacht waren, bestimmte Erinnerungen hervorzurufen, und nicht, um bestimmte Schwingungen zu modulieren oder mitzureißen. Wichtig ist, dass die Aktivität in den gemeldeten Frequenzbändern, insbesondere den Theta- und Spindelbändern, mit dem Gedächtniskonsolidierungsprozess zusammenhängt (Staresina et al., 2015).

Somit könnten STAMPs die laufenden Prozesse der Gedächtnisreaktivierung oder -konsolidierung während des Schlafs moduliert haben, was zu Veränderungen in der Konnektivität in den beobachteten Frequenzbändern geführt hat. Neuere Arbeiten haben auch die Wirksamkeit von tES bei der signifikanten Beeinflussung des Verhaltens in Frage gestellt (Horvath et al., 2015). wie in seiner Fähigkeit, neuronale Feuermuster oder Oszillationsaktivität zu modulieren (Lafon et al., 2017; Vöröslakos et al., 2018).

Andere Studien haben jedoch messbare neuronale Veränderungen bei Menschen und nichtmenschlichen Primaten nach tES gezeigt, selbst bei niedrigeren Intensitätsniveaus (Huang et al., 2017; Krause et al., 2017; Opitz et al., 2016). Ein besonderes Problem ist die Fähigkeit von tES, insbesondere der Wechselstromstimulation, neuronale Schwingungen auf eine bestimmte Frequenz zu bringen.

Hier behaupten wir nicht, dass die berichteten elektrophysiologischen Veränderungen auf oszillierendes Mitreißen der kurzen Stimulationsstöße zurückzuführen sind oder dass wir diese Veränderungen de novo induzieren, sondern vielmehr, dass die STAMPs dazu dienen, laufende Gedächtniskonsolidierungsprozesse anzukurbeln, die durch subtile Modulationen des Netzwerks erfolgen Konnektivität auf -Ebene. Wir würden argumentieren, dass die beobachteten Konnektivitätsmuster während des Schlafs natürliche Phänomene sind, die auftreten und zur Gedächtniskonsolidierung führen, und dass die STAMP-Stimulation auf diese bereits bestehenden Prozesse einwirkte, um die Empfindlichkeit des Metagedächtnisses zu steigern.

Die berichtete Modulation graphentheoretischer Metriken in den Theta- und Spindelbändern nach STAMPs steht im Einklang mit früheren Untersuchungen, die diese Oszillationen mit den Prozessen der Gedächtnisreaktivierung und -konsolidierung in Verbindung bringen. Eine gezielte Reaktivierung des Gedächtnisses während des Schlafs mit akustischen Hinweisen löst einen Anstieg der Theta- und Spindelleistung aus (Ong et al., 2016; Schreiner et al., 2015; Schreiner & Rasch, 2014).

Zahlreiche Studien haben auch die Bedeutung der Theta-Band-Aktivität für die Kodierung und den Abruf des Gedächtnisses im Wachzustand gezeigt (Backus et al., 2016; Lega et al., 2012; Nyhus & Curran, 2010); Insbesondere Theta-Oszillationen im Hippocampus sind entscheidend für die Kodierung des episodischen Gedächtnisses (Hasselmo et al., 2002; Lin et al., 2017). In ähnlicher Weise stehen thalamokortikale Spindeln mit dem episodischen Gedächtnis in Zusammenhang (Van Der Helm et al., 2011) und spielen eine wichtige Rolle im Prozess der Gedächtniskonsolidierung, indem sie möglicherweise die Übertragung neu kodierter Informationen in den medialen Temporallappen auf stabile Darstellungen in der Großhirnrinde erleichtern (Sirota). et al., 2003; Staresina et al., 2015).

Während des Schlafs kann die Theta-Aktivität ein Hinweis auf den Gedächtnisreaktivierungsprozess sein, während die Spindelaktivität möglicherweise die aktive Konsolidierung der reaktivierten Erinnerungen widerspiegelt. Hier könnten STAMPs die Reaktivierung der zugehörigen Erinnerungen ausgelöst haben, was zu einer verstärkten Konsolidierung dieser Informationen geführt hat. Diese Konsolidierung führte zu einem verbesserten Vertrauen in die nachgelagerten Erinnerungen.

Die theoretischen Maße des Theta-Band-Graphen, die durch STAMPs signifikant moduliert wurden, waren mittlere Kohärenz und Dichte. Die mittlere Kohärenz bezieht sich auf die durchschnittliche Kohärenz über alle Eckpunkte, während die Dichte als Anzahl der Verbindungen im Diagramm berechnet wird, normalisiert durch die mögliche Gesamtzahl der Verbindungen (Sporns, 2003).

Änderungen dieser Maße lassen darauf schließen, dass STAMPs die Gesamtkohärenz im Theta-Band zwischen Kanälen erhöhten, was zu einer größeren Anzahl von Kanten über dem Cutoff-Schwellenwert und damit zu einer höheren durchschnittlichen Verbindungsdichte führte. Diese größere Kohärenz und Dichte spiegelt möglicherweise einen Anstieg des Informationsaustauschs im Thetaband über neuronale Bereiche nach STAMPs wider. Dies steht im Einklang mit früheren Erkenntnissen, die auf eine Zunahme der Theta-Kohärenz zwischen dem Hippocampus und dem rhinalen Kortex (Fell et al., 2003) sowie dem frontalen Kortex (Anderson et al., 2009; Benchenane et al., 2010) schließen lassen Lernen und Gedächtnis und möglicherweise entscheidend für die Reaktivierung des Gedächtnisses (Carr et al., 2011).

Die theoretischen Maße des Spindelbanddiagramms, die sich nach der STAMP-Stimulation deutlich unterschieden, waren Weglänge und Radius. Diese Maße hängen zusammen: Der Radius bezieht sich auf die minimale Exzentrizität des Diagramms und die Pfadlänge bezieht sich auf die durchschnittliche Exzentrizität des Diagramms, wobei die Exzentrizität eines Knotens als der maximale Abstand zu jedem anderen Knoten definiert ist (Sporns, 2003).

Die Pfadlänge wird oft als Maß für die Netzwerkintegration oder Effizienz der Informationsübertragung angesehen, wobei kleinere Pfadlängen eine höhere Effizienz widerspiegeln (Bullmore & Sporns, 2009; Reijneveld et al., 2007).

Hier führten STAMPs zu einer durchschnittlichen Verringerung der Pfadlänge und des Radius im Spindelband, was bedeutet, dass die durchschnittliche und minimale Exzentrizität verringert und die Effizienz der Informationsübertragung erhöht wurde.

Dies spiegelt möglicherweise eine Neuorganisation des Netzwerks hin zu einem Small-World-Netzwerk (Watts & Strogatz, 1998) wider, einer nahezu optimalen Struktur zwischen einem perfekt geordneten und zufällig organisierten System, die eine größere Flexibilität und Synchronisierung neuronaler Aktivität ermöglicht (Barahona & Pecora, 2002). ; Bassett & Bullmore, 2006; Masuda & Aihara, 2004). Änderungen der „Kleinweltlichkeit“ werden häufig als Änderungen der Weglänge ohne gleichzeitige Änderungen der lokalen Clusterbildung oder des Clusterkoeffizienten gemessen.

Daher könnte die beobachtete Änderung der Pfadlänge auf eine verstärkte Synchronisierung zwischen Gehirnbereichen hindeuten, was zu einer effizienteren Informationsübertragung durch Spindeln führt. Beachten Sie, dass Effekte im Theta-Band enger mit Gesamtänderungen der mittleren Kohärenz zusammenhängen – im Wesentlichen Änderungen der Größe der Konnektivität im Gegensatz zur Effizienz.

Während die hier vorliegenden Daten keinen Kausalzusammenhang zwischen diesen Änderungen belegen können, besteht ein hypothetischer Zusammenhang darin, dass STAMP eine größere Konnektivität im Theta-Band verursachte (Fell et al., 2003) und die Effizienz der Spindelinformationsübertragung, gemessen als Pfadlänge, zum Ausgleich erhöht wurde Dies führt zu einer erhöhten Reaktivierung des Gedächtnisses.

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