Alterações na conectividade cerebral durante o sono por neuroestimulação transcraniana de circuito fechado prevêem sensibilidade à metamemória, parte 1

ABSTRATO

A metamemória envolve a capacidade de julgar corretamente a precisão de nossas memórias. A recuperação de memórias pode ser melhorada usando estimulação elétrica transcraniana (ETS) durante o sono, mas as evidências de melhorias na sensibilidade da metamemória são limitadas.

A recuperação da memória refere-se ao processo de recuperação de informações armazenadas no cérebro por vários meios quando ocorre o esquecimento da memória. Em nossa vida diária de estudo, a recuperação da memória é um elo muito importante. Pode não só nos ajudar a consolidar o conhecimento que aprendemos, mas também a melhorar a nossa memória.

A memória é a capacidade de uma pessoa de preservar e recordar informações e é inseparável da aprendizagem. Somente com uma memória forte podemos adquirir mais conhecimentos e habilidades e desempenhar um papel mais importante em nossas vidas diárias.

A recuperação da memória e a memória estão intimamente relacionadas. A recuperação da memória é quando precisamos usar determinado conhecimento, vamos pesquisá-lo e recuperá-lo, e esse processo de busca e recordação é a recuperação da memória. Se a nossa memória não for suficientemente forte, teremos dificuldade em recuperar a memória e podemos esquecer, o que afetará o nosso efeito de aprendizagem e desempenho.

Portanto, melhorar a memória não é uma questão simples, mas podemos utilizar alguns métodos e técnicas científicas para nos ajudar a melhorar a memória. Por exemplo, podemos consolidar a memória através da aprendizagem repetida, usar habilidades de associação para aprofundar ainda mais a memória ou ativar nossos cérebros de diferentes maneiras para melhorar ainda mais a memória.

Em suma, a recuperação da memória e a memória estão intimamente relacionadas. Somente quando temos uma memória forte podemos realizar melhor a recuperação da memória e obter melhores resultados de aprendizagem. Tenhamos a coragem de nos desafiar, melhorar a nossa memória através da aprendizagem e da prática contínuas e estabelecer uma base sólida para o nosso futuro. Percebe-se que precisamos melhorar a memória, e a Cistanche deserticola pode melhorar significativamente a memória porque a Cistanche deserticola é um material medicinal tradicional chinês que tem muitos efeitos únicos, um dos quais é melhorar a memória. A eficácia da Cistanche deserticola vem dos múltiplos ingredientes ativos que contém, incluindo ácido tânico, polissacarídeos, glicosídeos flavonóides, etc.

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A aplicação do tES pode melhorar a consolidação da memória dependente do sono, que junto com a metamemória requer a coordenação da atividade entre sistemas neurais distribuídos, sugerindo que o exame da conectividade funcional é importante para a compreensão desses processos.

No entanto, poucas pesquisas examinaram como as modulações de conectividade funcional se relacionam com mudanças noturnas na sensibilidade da metamemória. Aqui, desenvolvemos um método tES de curta duração em circuito fechado, bloqueado no tempo para estados superiores de oscilações contínuas de ondas lentas, para sugerir replays de memória específicos em humanos. Medimos alterações de coerência eletroencefalográfica (EEG) após pulsos de estimulação e caracterizamos alterações de rede com métricas teóricas de gráficos.

Usando técnicas de aprendizado de máquina, mostramos que o tES pulsado provocou mudanças na rede em múltiplas bandas de frequência, incluindo aumento de conectividade na banda teta e aumento de eficiência na banda do fuso. Além disso, as alterações induzidas pela estimulação no comprimento do caminho da banda beta foram preditivas de alterações noturnas na sensibilidade da metamemória.

Estas descobertas acrescentam novos conhecimentos à crescente literatura que investiga o aumento do desempenho da memória através da estimulação cerebral durante o sono e destacam a importância de examinar a conectividade funcional para explicar os seus efeitos.

RESUMO DO AUTOR

Numerosos estudos demonstraram uma ligação clara entre o sono e a memória, ou seja, as memórias são consolidadas durante o sono, levando a representações mais estáveis ​​e duradouras.

Mostramos anteriormente que marcar episódios com padrões específicos de estimulação cerebral durante a codificação e reproduzir esses padrões durante o sono pode melhorar esse processo de consolidação para melhorar a confiança e a tomada de decisões de memórias (metamemória).

Aqui, estendemos este trabalho para examinar as mudanças cerebrais no nível da rede que ocorrem após a estimulação durante o sono e que predizem melhorias na metamemória. Usando métodos teóricos de grafos e de aprendizado de máquina, descobrimos que mudanças induzidas por estimulação no comprimento do caminho da banda beta previram melhorias durante a noite na metamemória.

Esta nova descoberta lança nova luz sobre os mecanismos neurais de consolidação da memória e sugere aplicações potenciais para melhorar a metamemória.

INTRODUÇÃO

O cérebro tem a notável capacidade de transformar encontros e episódios breves, mesmo encontros "únicos", em memórias duradouras. Isso ocorre por meio de um processo conhecido como consolidação de memória, no qual memórias em estado lábil são reproduzidas durante o sono e convertidas em representações mais estáveis. No entanto, a recuperação bem sucedida de memórias envolve processos de controle e tomada de decisão, e mesmo as memórias que são consolidadas durante o sono podem ser difíceis de recordar ou recuperar com pouca confiança na sua veracidade (Koriat & Goldsmith,1996).

A sensibilidade da metamemória, ou a capacidade de um indivíduo de julgar a precisão de suas memórias com confiança, desempenha um papel crítico no uso de nossas memórias. Por exemplo, uma testemunha ocular de um crime pode ter codificado com sucesso detalhes críticos do episódio, mas pode não ter confiança na sua memória, levando a decisões incorretas (Luus & Wells, 1994; Memonet al., 2003; Sporer et al., 1995). .

Assim, melhorar não apenas a recuperação da memória, mas também a sensibilidade da metamemória é de importância crítica. Aqui, investigamos a melhora da sensibilidade com uma intervenção enquanto os indivíduos dormiam. Durante o sono, conjuntos neuronais que representam memórias previamente codificadas são reativados tanto no hipocampo quanto nas áreas neocorticais (Euston et al., 2007; Ji & Wilson, 2007; Nádasdyet al., Sirota et al., 2003;

As repetições de memória são observadas predominantemente durante o sono de ondas lentas, particularmente durante as fases positivas, ou estados positivos, da oscilação contínua de 0 0,5–1,2 Hz (Lee & Wilson, 2002; Mölle & Born, 2011). As reativações de padrões neuronais específicos de codificação são acompanhadas por atividade oscilatória tálamo-cortical de 12 a 15 Hz, conhecida como fusos, bem como explosões de alta frequência de curta duração no hipocampo chamadas ondulações (De Gennaro & Ferrara, 2003; Mölleet al., 2006).

A intrincada coordenação de repetições, fusos e ondulações é essencial para facilitar a consolidação de memórias em armazenamento de longo prazo ou para transferir memórias do hipocampo para o neocórtex (McClelland et al., 1995; McGaugh, 2000; Rasch & Born, 2013; Staresina et al., 2015).

A consolidação de memórias pode não só facilitar a sua recuperação posterior, mas também pode estar relacionada com a confiança futura do indivíduo nelas; nomeadamente, a consolidação pode fortalecer memórias e melhorar a aprendizagem (Walker & Stickgold, 2004), e a confiança nas memórias está relacionada com a fidelidade da memória (Dallenbach, 1913).

Assim, direcionar o processo de consolidação com uma intervenção poderia beneficiar não apenas o sucesso da recuperação, mas também a sensibilidade da metamemória. Na última década, os pesquisadores investigaram cada vez mais maneiras de impulsionar os processos de consolidação da memória por meio de manipulações externas. Estes estudos de intervenção demonstraram que a consolidação da memória dependente do sono pode ser melhorada de duas maneiras.

Primeiro, as reativações da memória podem ser desencadeadas durante o sono, reexpondo os indivíduos a sinais sensoriais externos, como odores ou sons que estavam presentes durante a codificação (Antony et al., 2012; Oudiette & Paller, 2013; Schreiner & Rasch, 2014; Rasch et al., 2012; Oudiette & Paller, 2013; Schreiner & Rasch, 2014; Rasch et al. , 2007; Essa reativação de dicas pode levar a benefícios na lembrança de itens específicos previamente associados às dicas.

Em segundo lugar, vários estudos demonstraram que a aplicação de estimulação elétrica transcraniana (ETS) em frequências específicas no cérebro durante o sono pode potencializar processos eletrofisiológicos endógenos, levando à facilitação da consolidação da memória e ao subsequente reconhecimento ou recordação (Ketz et al., 2018; Ladenbauer et al. , 2016, 2017; Lustenberger et al., 2016;

Esses estudos demonstraram um aumento geral no desempenho de recuperação de memória após ET durante o sono. É importante ressaltar que esse benefício para a memória relacionado à estimulação poderia ser potencialmente devido a alterações específicas de frequência na conectividade funcional entre regiões do cérebro (Krause et al., 2017).

Para resumir, pesquisas anteriores indicam que a recuperação de memórias pode ser fortalecida através da neuroestimulação durante o sono, e sugeririam potencialmente que os indivíduos também teriam maior sensibilidade à metamemória, ou maior correlação na precisão e confiança para suas decisões de memória, para esses episódios.

Na verdade, algumas pesquisas demonstraram uma relação entre sono saudável e ininterrupto e julgamentos de metamemória intactos (Dauratet al., 2010). No entanto, este pode não ser o caso, uma vez que outras pesquisas demonstraram dissociações entre decisões de primeira ordem (julgamentos de reconhecimento) e decisões de segunda ordem (julgamentos de confiança; Del Cul et al., 2009; Hebart et al., 2016; Rounis et al., 2009; Hebart et al., 2016; Rounis et al., 2009; Hebart et al., 2016; Rounis et al. al., 2010).

Isto é importante, pois a confiança da memória pode diminuir com o tempo (Shapira & Pansky, 2019), levando a erros nos relatórios de memória e a uma tomada de decisão mais deficiente.

Foi demonstrado que a estimulação neural do córtex pré-frontal melhora o monitoramento da memória para questões de conhecimento geral (Chua & Ahmed, 2016; Chua et al., 2017), e a estimulação teta-burst para deprimir a atividade do córtex frontopolar influenciou os julgamentos metacognitivos (Ryals et al. , 2016), sugerindo que as técnicas de teste podem ser eficazes para melhorar e manter a sensibilidade da memória para novos episódios codificados de uma só vez.

Na verdade, trabalhos recentes em nosso laboratório mostraram que padrões únicos de modulação de amplitude espaço-temporal (STAMPs) de tES podem ser usados ​​para aumentar a consolidação do sono e a sensibilidade de julgamentos de memórias episódicas específicas adquiridas em realidade virtual imersiva (Pilly et al., 2020).

Neste artigo, estendemos o trabalho anterior sobre a reativação da memória, investigando mudanças na conectividade funcional seguindo padrões de tES de curta duração (ou seja, STAMPs) durante o sono.

Foi demonstrado anteriormente que a conectividade funcional é afetada pela ET durante a vigília (Polanía et al., 2011, 2012), bem como pela consolidação da memória durante o sono (Mölleet al., 2004). Além disso, acredita-se que a consolidação de memórias no cérebro seja um processo de nível sistêmico, na medida em que é apoiado por uma combinação de comunicação de curto e longo alcance através das estruturas cerebrais (Staresina et al., 2015).

Isto é provavelmente semelhante à metamemória, já que a pesquisa mostrou que a conectividade entre uma rede distribuída de áreas cerebrais, incluindo o córtex frontal, o precuneus e o hipocampo, apoia a memória e os julgamentos metacognitivos (Baird et al., 2013; Molenberghs et al., 2016; Morales et al., 2018; Ren et al., 2018;

Assim, é fundamental compreender como as mudanças na conectividade funcional se relacionam com esse processo; entretanto, até o momento, até o momento, nenhum estudo examinou como as mudanças na conectividade funcional devido à estimulação durante o sono podem afetar ou estar relacionadas à consolidação da memória e aos processos de tomada de decisão.

Para examinar as mudanças na conectividade funcional, usamos medidas de coerência EEG (Nunez, 1995), especificamente a parte imaginária da coerência (Nolte et al., 2004), e extraímos características de conectividade dos dados de coerência com análises teóricas de grafos (Bullmore & Sporns , 2009; Esportes, 2003).

Esta abordagem modela a conectividade funcional do cérebro como um gráfico interconectado e permite a exploração da relação entre estrutura e função da rede.

Embora estivéssemos interessados ​​nas mudanças de conectividade na banda Spindle, expandimos a análise para incluir várias outras bandas de frequência, já que a atividade em muitas bandas espectrais tem sido relacionada a processos de memória (Hanslmayr & Staudigl, 2014; Hanslmayr et al., 2012; Lisman & Jensen, 2013). Em seguida, empregamos técnicas baseadas em aprendizado de máquina para determinar os importantes recursos teóricos dos grafos para discriminar entre condições de estimulação ativa e simulada, bem como prever mudanças noturnas no comportamento da memória episódica.

Desta forma, fornecemos novos insights sobre modulações na conectividade funcional após tES pulsada que estão relacionadas a mudanças na sensibilidade da metamemória para memórias episódicas específicas.

MATERIAIS E MÉTODOS

Os participantes relatados neste artigo são o mesmo grupo de participantes de Pilly et al.(2020). Eles receberam breves padrões espaço-temporais únicos de tES (ou seja, STAMPs) durante a codificação de informações episódicas, metade dos quais foram reaplicados durante estados ascendentes de oscilações de ondas lentas (SWOs) durante as noites subsequentes para sinalizar a reativação das memórias associadas específicas (condição ativa).

Em outro momento, os mesmos indivíduos também realizaram a tarefa de memória sem estimulação cerebral (condição Sham).

Portanto, estávamos interessados ​​não apenas nas mudanças na conectividade funcional que diferiam entre as condições de estimulação Ativa e Sham, mas também nas mudanças de conectividade após os STAMPs que estavam relacionadas a mudanças na recordação de memórias episódicas específicas do pré para o pós-sono.

Participantes

Um total de 30 participantes saudáveis ​​completaram o experimento, que foram recrutados por meio de folhetos espalhados pelo campus da Universidade do Novo México e pela comunidade vizinha e receberam compensação monetária após a conclusão do estudo.

Destes, seis participantes foram excluídos das análises devido a falha do equipamento para estimular durante uma noite ativa ou ao não cumprimento das instruções da tarefa.

Os dados de EEG do sono de mais seis participantes não puderam ser usados ​​para calcular medidas de conectividade funcional devido a artefatos excessivos, levando à inclusão de N=18 participantes na análise e relatório final. Todos os participantes assinaram o consentimento informado para participar do estudo, que foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional de Chesapeake.

Todos os participantes eram falantes nativos de inglês, tinham audição e visão normais ou corrigidas para normais e não tinham histórico de distúrbio neurológico ou psiquiátrico, ou abuso de drogas.

Paradigma e Procedimento Comportamental
Um esboço do procedimento experimental é apresentado na Figura 1. O experimento foi composto por um período de aclimatação para treinar os participantes e deixá-los dormir no laboratório, seguido de duas noites experimentais envolvendo aprendizado e testes.

A noite de aclimatação serviu apenas para permitir que os participantes se acostumassem a dormir no laboratório, e os dados de EEG não foram registrados ou analisados ​​nesse período. Os participantes codificaram informações na primeira noite experimental. A tarefa de memória consistiu na visualização de episódios de realidade virtual administrados com um headset HTC Vive VR, seguido de vários testes de recuperação de memória sobre detalhes dos episódios.

Os participantes codificaram 14 vinhetas de realidade virtual, cada uma com duração de cerca de um minuto, retratando uma série de eventos com dois ou mais personagens realizando alguma ação em torno de um complexo de apartamentos. Uma vinheta adicional mais longa foi usada para treinar os participantes durante o período de aclimatação. Os participantes foram testados em sua memória para as vinhetas em cinco sessões de teste administradas ao longo de 48 horas com uma tarefa computadorizada não VR construída no MATLAB.

Para cada vinheta, foram construídos 10 itens de teste que consistiam em afirmações Verdadeiro/Falso sobre aspectos específicos da vinheta. Cada uma das cinco listas de teste continha 28 itens, 2 para cada vinheta. Os participantes relataram se as afirmações do teste eram Verdadeiras/Falsas, bem como a confiança em sua lembrança em uma escala de 1 a 10. Os participantes dormiram no laboratório em cada uma das três noites.

O procedimento consistiu em quatro sessões experimentais e uma sessão de aclimatação. Na sessão de aclimatação, os participantes assistiram a uma longa vinheta de prática, responderam às perguntas do teste prático e depois dormiram no laboratório. Na primeira sessão experimental seguinte (Sessão 1), os participantes codificaram os estímulos experimentais.

Metade dos participantes recebeu testes únicos com SELOS únicos durante a visualização das vinhetas (condição Ativa), enquanto a outra metade não recebeu qualquer estimulação (condição Sham). Os participantes receberam a condição de estimulação oposta durante duas noites experimentais adicionais separadas por cerca de 1 semana. Depois de completar o procedimento de visualização da vinheta, os participantes fizeram seu primeiro teste de recuperação de memória e depois dormiram durante a noite no laboratório. Esta noite, e não a noite de aclimatação, foi considerada a “Noite 1”.

Os participantes da condição Ativa receberam metade dos STAMPs durante a noite para sinalizar a consolidação de memórias específicas durante a noite. Em contraste, os participantes na condição Sham não receberam estimulação durante a noite. Observe que este desenho de estudo nos permitiu comparar o desempenho da memória para episódios que receberam estimulação STAMP durante a codificação e sono (Tag & Cue) com episódios que receberam estimulação apenas na codificação (Tag & No Cue). Para as análises de conectividade, focamos nas condições Tag & Cue e Sham (sem codificação ou estimulação do sono).

Depois que os participantes acordaram, eles fizeram um segundo teste de memória e a sessão experimental foi concluída. A segunda sessão experimental (Sessão 2) ocorreu à noite após a primeira sessão. e recebeu outro teste de memória depois de acordar.

Este segundo período de sono no laboratório foi considerado “Noite 2”. Os participantes ativos do grupo mais uma vez receberam SELOS durante a noite. O teste de memória final foi administrado mais tarde, naquela noite. Para a condição de estimulação oposta (Sessões 3 e 4), os participantes visualizaram um novo conjunto de 14 vinhetas e foram administrados testes de recuperação de memória correspondentes durante 2 dias. Desta forma, o experimento foi uma manipulação dentro dos sujeitos, com as condições Ativa e Simulada ocorrendo com aproximadamente 1 semana de intervalo.

A atribuição da ordem das condições de estimulação (Ativo primeiro vs. Sham primeiro), bem como a atribuição de vinhetas, foram contrabalançadas entre os participantes. As análises relatadas neste artigo concentram-se na Noite 2, onde foram encontrados os maiores efeitos comportamentais da estimulação STAMP (ver Pilly et al., 2020, para mais detalhes).

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