Kuinka käyttäytyminen muokkaa aivoja ja aivot muokkaavat käyttäytymistä: Näkemyksiä muistin kehityksestä

Lisätietoja:ali.ma@wecistanche.com

Lähdemuistiparanee huomattavasti lapsuudessa. Tämän parannuksen uskotaan liittyvän läheisesti hippokampuksen kypsymiseen. Kuten aikaisemmissakin tutkimuksissa, on pääosin käytetty poikkileikkausmalleja arvioimaan välisiä suhteitalähdemuistija hippokampuksen toimintaa, ei tiedetä, edeltävätkö muutokset aivoissa parannuksiamuistitai päinvastoin. Tämän aukon korjaamiseksi nykyisessä tutkimuksessa käytettiin nopeutettua pitkittäistä suunnittelua (n=200, 100 miestä) 4-- ja 6--vuotiaiden ihmislapsien seuraamiseksi 3 vuoden ajan. Jäljitimme kehityksen muutoksialähdemuistija luontainen hippokampuksen toiminnallinen yhteys ja arvioidut erot 4-- ja 6--vuotiaiden kohortien välillä ennustavissa suhteissalähdemuistimuutokset ja luontainen hippokampuksen toiminnallinen yhteys vaativan tehtävän puuttuessa. Aiempien tutkimusten mukaisesti ikääntymiseen liittyvää nousualähdemuistija luontainen toiminnallinen liitettävyys hippokampuksen ja aivokuoren alueiden välillä, joiden tiedetään olevan mukana muistikoodauksen aikana. Uudet löydökset osoittivat, että muutokset muistikyvyssä varhaisessa elämässä ennustivat myöhempää yhteyttä hippokampuksen ja aivokuoren alueiden välillä ja että hippokampuksen sisäinen toiminnallinen yhteys ennusti myöhempiä muutoksia lähdemuistissa. Nämä havainnot viittaavat siihen, että käyttäytymiskokemus ja aivojen kehitys ovat vuorovaikutteisia, kaksisuuntaisia ​​prosesseja, jolloin kokemus muokkaa tulevia muutoksia aivoissa ja aivot muokkaavat tulevia muutoksia käyttäytymisessä. Tulokset viittaavat myös siihen, että sekä ajoituksella että sijainnilla on merkitystä, sillä havaitut vaikutukset riippuivat sekä lasten iästä että erityisistä aivojen ROI:ista. Yhdessä nämä havainnot lisäävät kriittistä käsitystä kognitiivisten prosessien ja niiden taustalla olevien neurologisten perusteiden välisistä interaktiivisista suhteista kehityksen aikana.

Avainsanat: nopeutettu pituussuuntainen suunnittelu; aivojen kehitys;episodinen muisti;hippokampuksen toiminnallinen liitettävyys;muistin kehittäminen; lähdemuisti

Fengji Geng,1,3 Morgan Botdorf,2 ja Tracy Riggins2

1Oppimis- ja oppimistieteiden laitos, Zhejiangin yliopisto, Zijingangin kampus, Hangzhou, 310058, 2Psykologian laitos,

Marylandin yliopisto, College Park, Maryland 20742, ja 3 Children's Hospital, Zhejiangin yliopiston lääketieteellinen korkeakoulu, kansallinen kliininen

Lasten terveyden tutkimuskeskus, Hangzhou, 310052

Merkityslausunto

Poikkileikkaustutkimukset ovat osoittaneet, että kyky muistaa aikaisempien kokemusten kontekstuaaliset yksityiskohdat (esim.lähdemuisti) liittyy hippokampuksen kehitykseen lapsuudessa. Ei tiedetä, edeltävätkö hippokampuksen toiminnalliset muutokset parannuksiamuistitai päinvastoin. Käyttämällä nopeutettua pitkittäistä suunnittelua havaitsimme sen aikaisinlähdemuistimuutokset ennustivat myöhempää sisäistä hippokampuksen toiminnallista yhteyttä ja että tämä yhteys ennusti myöhempiä lähdemuistin muutoksia. Nämä havainnot viittaavat siihen, että käyttäytymiskokemus ja aivojen kehitys ovat vuorovaikutteisia, kaksisuuntaisia ​​prosesseja, jolloin kokemus muokkaa tulevia muutoksia aivoissa ja aivot muokkaavat tulevia käyttäytymismuutoksia. Lisäksi nämä vuorovaikutukset vaihtelivat lasten iän ja aivoalueen funktiona, mikä korosti kehitysnäkökulman merkitystä aivojen ja käyttäytymisen vuorovaikutuksia tutkittaessa.

Klikkaa Cistanche-vitamiinikauppaan ja Cistanche muistiin

Johdanto

Lähdemuisti paranee huomattavasti lapsuudessa (esim. Riggins, 2014). Erityisesti iän myötä lapset tulevat paremmin raportoimaan ja säilyttämään elämänkokemusten kontekstuaaliset yksityiskohdat (Bauer, 2007). Tämä kehitys liittyy läheisesti hippokampuksen kypsymiseen, mistä on osoituksena ikään ja muistiin liittyvät erot hippokampuksen rakenteessa ja toiminnassa eri kehitysvaiheissa (katso Ghetti ja Bunge, 2012, Sastre et al., 2016; Tang et al., 2018; Riggins et ai., 2020). Aiemmissa tutkimuksissa on käytetty pääosin poikkileikkausmalleja aivojen ja muistin kehityksen välisten suhteiden arvioimiseen, mikä ei mahdollista todellisten kehitysmuutosten tutkimista ja joihin voivat vaikuttaa hämmentävät tekijät, kuten kohorttivaikutukset. Siksi ei tiedetä, edeltävätkö muutokset aivoissa muistin paranemista vai päinvastoin. Lisäksi aiemmat tutkimukset ovat keskittyneet joko pieniin lapsiin tai kouluikäisiin lapsiin, mikä tekee eri kehityskausien vertailusta vaikeaa. Näiden aukkojen korjaamiseksi nykyisessä tutkimuksessa käytettiin nopeutettua pitkittäistä suunnittelua 4- ja 6-vuotiaiden lasten seuraamiseksi 3 vuoden ajan. Tämän suunnittelun avulla pystyimme tutkimaan kehitysmuutoksia hippokampuksen sisäisessä toiminnallisessa yhteydessä (iHFC) ja arvioimaan eroja 4-- ja 6--vuotiaiden kohorttien välillä lähdemuistin ja toiminnallisen liitettävyyden välisissä ennustavissa suhteissa (katso kuva . 1).

Aikuisilla luontaisen toiminnallisen yhteyden uskotaan heijastavan aivojen toiminnallista arkkitehtuuria, joka syntyy aivoalueiden välisen tehtävän aiheuttaman yhteisaktivaation seurauksena (Fox ja Raichle, 2007). Lasten luontaiset toiminnalliset yhteysmallit on todennäköisesti rakennettu samalla tavalla; Pitkän aikavälin muovaushypoteesi on kuitenkin ehdottanut, että nämä yhteysmallit muotoutuvat ajan myötä sekä kypsymisen että kokemuksen seurauksena (Gabard-Durnam et al., 2016). Esimerkiksi seuraamalla 4- 18- yli 2-vuotiaille, tulevaisuuden analyysit osoittivat, että tehtävän aiheuttama amygdala toiminnallinen yhteys ennusti lepotilan toiminnallisen yhteyden kaksi vuotta myöhemmin, mutta ei samanaikaisesti (Gabard-Durnam et ai., 2016). Nämä havainnot viittaavat yhteyksiin tehtäväpohjaisen aivojen aktivaation ja luontaisen toiminnallisen yhteyden välillä sekä lapsilla että aikuisilla; tällaiset assosiaatiot voivat kuitenkin vaihdella kehityksen mukaan.

Empiiriset tiedot tukevat myös kaksisuuntaisia ​​vaikutuksia aivojen ja käyttäytymisen välillä. Ensinnäkin aiemmat tutkimukset tukevat käsitystä siitä, että käyttäytymismuutokset muokkaavat tehtäväpohjaista ja luontaista toiminnallista yhteyttä (esim. Jolles et al., 2016; Clark ym., 2017; Rosenberg-Lee ym., 2018). Esimerkiksi 8-–9--vuotiailla lapsilla 8 viikon matematiikan tutorointi vahvisti iHFC:tä intraparietaaliseen sulcusin (Jolles et al., 2016). Toiseksi, empiiriset tutkimukset ovat osoittaneet, että luontainen toiminnallinen liitettävyys voi ennustaa kognitiivisten kykyjen paranemista myöhemmin kehitysvaiheessa (esim. Hoeft et al., 2011; Supekar ym., 2013; Evans et al., 2015). Esimerkiksi Supekar et ai. (2013) havaitsivat, että ennen matematiikan tutorointia mitattu iHFC ennusti suorituskyvyn parantumista tutoroinnin jälkeen keskilapsuudessa.

Näiden tutkimusten perusteella selvitimme, oliko lähdemuistin muutosten ja luontaisen toiminnallisen yhteyden välillä hippokampuksesta aivoalueille kaksisuuntaisia ​​vaikutuksia, joiden ilmoitettiin tukevan kontekstuaalisen tiedon koodausta (Geng et al., 2019). Käytimme nopeutettua pitkittäissuunnittelua seuraavien arvioimiseksi: (a) ikään liittyvät muutokset lähdemuistin ja iHFC:n samanaikaisissa suhteissa; (b) ennakoivat suhteet varhaisen lähdemuistin muutosten ja myöhempien iHFC:n välillä; ja (c) varhaisten iHFC:n ja myöhempien lähdemuistimuutosten väliset ennustavat suhteet (kuvio 1).

Oletimme, että varhaiset lähdemuistin lisäykset ennustavat myöhempää iHFC:tä, koska kokemuksen vaikutuksen uskotaan kertyvän ajan myötä (Gabard-Durnam et al., 2016). Kertyvien kokemusten kertymisen jokapäiväisistä muistitoiminnasta odotettiin ajavan iHFC:n kehitysmuutoksia lapsuuden aikana. Lisäksi suuremman plastisuuden vuoksi varhaisessa kehitysvaiheessa (esim. Tottenham ja Sheridan, 2010) odotimme, että muistin muutokset ennustaisivat vahvemmin myöhempää yhteyttä nuoremmalla verrattuna vanhempiin kohorttiin.

Koska aivojen yhteyksien on ehdotettu muokkaavan myöhempää käyttäytymistä (esim. Evans et al., 2015), oletimme, että iHFC ennustaisi lähdemuistikykyjen paranemista. Lisäksi, koska hippokampuksen toiminta on kypsempi keski- ja varhaislapsuudessa (Geng et al., 2019), oletimme, että yhteys kuuden vuoden iässä ennustaisi vahvemmin tulevaisuuden muistia kuin yhteys neljän vuoden iässä.

Materiaalit ja menetelmät

Osallistujat Lapset osallistuivat laajaan tutkimukseen, jossa tutkittiin muistia ja aivojen kehitystä varhaislapsuudessa ja jossa käytettiin nopeutettua pitkittäistä suunnittelua (N=200, 100 miestä) (Riggins et al., 2018; Geng et al., 2019). Tutkimuksen ensimmäinen aalto (W1) sisälsi 4- - 8-vuotiaita lapsia. 4- ja 6-vuotiaat lapset kutsuttiin takaisin kahteen seuraavaan testiaaltoon (W2 ja W3; kuva 2). Yhteensä aaltoja oli kolme, ja jokaisessa aallossa oli nuoria ja vanhoja kohortteja (nuori kohortti: W1=4 vuotta, W2=5 vuotta, W3=6 vuotta; vanha kohortti: W{{ 17}} vuotta, W2=7 vuotta, W3=8 vuotta). Taulukossa 1 on esitetty niiden lasten lukumäärä, jotka toimittivat 3, 2 tai 1 dataaaltoa lopullisiin analyyseihin kussakin kohortissa. Pääasialliset syyt neuroimaging-tietojen katoamiseen olivat se, että lapset liikkuivat liikaa, nukahtivat skannauksen aikana, kieltäytyivät menemästä skanneriin tai perheet eivät seuranneet tilannetta.

Mittasimme lasten älykkyysosamäärää W1:llä käyttämällä sanaston ja lohkosuunnittelun osatestejä joko Wechsler Intelligence Scale for Children -asteikosta (Toim. 4) (Wechsler, 2003) tai Wechsler Preschool and Primary Scale for Intelligence -asteikosta (Wechsler, 2012). ). Kaikilla analyyseissä mukana olevilla lapsilla oli arvioitu älykkyysosamäärä keskimäärin keskimääräistä korkeammalle. Nuorten ja vanhojen kohortien välillä ei havaittu eroa sanaston skaalatuissa pisteissä (nuori: keskiarvo=11,07, SD=2,96; vanha: keskiarvo=11,66, SD { {11}}.55; p=0.33) tai lohkosuunnittelun osatestejä (nuori: keskiarvo=12.96, SD=2.73; vanha: keskiarvo=13). 03, SD=3.00; p=0.92). Vanhemmat ilmoittivat kaikkien osallistujien olevan terveitä ilman hermoston kehityshäiriöitä, neurologisia tiloja tai psykiatrisia sairauksia. Lisäksi vanhemmat ilmoittivat, että 88,5 prosenttia lapsista oli oikeakätisiä, 6,8 prosenttia vasenkätisiä, 3,7 prosenttia kaksikätisiä ja 1 prosentti ei kyetä määrittämään.

Kokeellinen suunnittelu Koodaus. Ensimmäisen vierailun aikana lapset oppivat uusia faktoja (esim. "Sarvikuonojen ryhmää kutsutaan törmäykseksi") kahdesta eri lähteestä, naispuolisesta aikuisesta ("Abby") ja miesäänisestä nukkesta ("Henry") digitaaliset videot (Drummey ja Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Jokainen lähde toimitti 6 faktaa, yhteensä 12 faktaa. Faktojen esittäminen estettiin lähteen mukaan, jolloin lapset oppivat ensin 6 faktaa yhdestä lähteestä ja sen jälkeen 6 faktaa toisesta lähteestä, ja lohkojen järjestys satunnaistettiin osallistujien kesken. Tosiasialuetteloita oli kolme; kukin luettelo koostui ainutlaatuisista faktoista, jotka olivat samankaltaisia ​​eri luetteloissa (esim. "Joukkua kenguruja kutsutaan väkijoukoksi" tai "Vuohiryhmää kutsutaan heimoksi"). Nämä listat jaettiin satunnaisesti osallistujien kesken. Lapsia pyydettiin kiinnittämään huomiota tosiasioihin, koska heitä testattaisiin tosiasioiden perusteella seuraavalla viikolla, mutta heille ei kerrottu, että heitä testattaisiin tosiasioiden lähteen perusteella. Lapsilta kysyttiin, tiesivätkö he tosiasiat ennen koetta. Tunnetut tosiasiat suljettiin pois ja korvattiin uusilla uusilla faktoilla saman lähteen luettelosta (mutta tätä tapahtui harvoin). Jokaisella lähteellä oli 8 mahdollista faktaa, jotka selittivät sen mahdollisuuden, että lapset tietäisivät yhden tai kaksi niistä. Jos lapsi tiesi vähintään kolme tosiasiaa yhdestä lähteestä, lapsen testattujen tosiasioiden kokonaismäärä pieneni (mutta tämä oli harvinaista, n=4).

Haku. Toisella käynnillä lasten muistia testattiin ensimmäisen vierailun tosiasioiden ja lähteiden varalta. Lapsia pyydettiin vastaamaan 22 triviakysymykseen ja kertomaan kokeilijalle, mistä he olivat oppineet vastaukset näihin triviakysymyksiin. Heille kerrottiin, että he olivat oppineet osan kysymyksistä viikkoa aiemmin joko "Abbylta" tai "Henryltä", osan he saattoivat oppia laboratorion ulkopuolella (esim. opettajalta tai vanhemmalta), ja joitain he eivät ehkä tienneet. Lapset oppivat 6 22:sta "Abbystä", 6 "Henryltä", 5 oli lasten yleisesti tuntemia faktoja (esim. "Minkä värinen taivas on?") ja 5 oli tosiasioita, joita lapset eivät yleensä tietäisi. (esim. "Miksi silmäsi värillistä osaa kutsutaan?"). Jokaisessa 22 tosiasian luettelossa oli kaksi satunnaista esitysjärjestystä, ja nämä järjestykset tasapainotettiin osallistujien kesken. Jos lapset eivät muistaneet tietyn kysymyksen lähdettä, annettiin viisi monivalintavaihtoehtoa: vanhemmat, opettaja, tyttö videossa, nukke videossa tai vain tiesi/arvasi.

Lähdemuisti laskettiin niiden kysymysten osuutena, joiden osalta lapset muistivat tai tunnistivat tarkasti sekä tosiasian että lähteen opittujen tosiasioiden kokonaismäärästä (katso alla oleva kaava). Tämän lähdemuistin mittarin uskotaan heijastavan tosiasioiden ja lähteiden sitoutumista, mikä on tärkeä osa episodista muistia (Miller et al., 2013; Cooper ja Ritchey, 2020).

Tehtävättömän skannauksen aikana osallistujan pään liikettä seurattiin reaaliajassa. Jos osallistuja osoitti liiallista pään liikettä (.2 mm mihin tahansa suuntaan) minkä tahansa lenkin ensimmäisen puoliskon aikana, skannaus aloitettiin uudelleen ja osallistujaa muistutettiin pysymään mahdollisimman paikallaan.

Kuvaustietojen esikäsittely Analyyseihin otettiin mukaan kaikki 210 kerättyä levossa olevaa fMRI-kuvaa, koska ensimmäiset neljä tilavuutta hylättiin ennen tiedonkeruuta alkuperäisen MR-signaalin ja osallistujien mukautumisen epävakauden vuoksi. Esikäsittely sisälsi seuraavat vaiheet. Ensin viipaleen aikakorjaus, pään liikkeen korjaus ja tasoitus suoritettiin DPABI 1.3:lla (Yan et al., 2016). Sen jälkeen suoritettiin riippumaton komponenttianalyysi tasoitetuille tiedoille käyttämällä MELODICia, FSL-työkalupakkia, artefakteihin liittyvien komponenttien poistamiseksi (Geng et al., 2019). Kun kaikki esineisiin liittyvät komponentit oli poistettu, suoritettiin aivojen uuttaminen, normalisointi ja suodatus. Tillmanin et ai. ehdottaman menettelyn mukaisesti. (2018), T1-painotetun kuvan aivopoisto suoritettiin erikseen kuudessa työkalulaatikossa: Advanced Normalization Tools, AFNI, FSL, BSE, ROBEX ja SPM8 tietojen korkean laadun varmistamiseksi. Vähintään neljällä työkalulaatikolla poimitut vokselit sisällytettiin aivomaskiin. Advanced Normalization Tools -työkaluja käytettiin yhteisrekisteröinnin ja normalisoinnin suorittamiseen. Tilastolliset analyysit suoritettiin AFNI:ssä (Cox, 1996). Temporaalinen kaistanpäästösuodatus (0.01-0,1 Hz) ja spatiaalinen tasoitus 5 mm:n FWHM Gaussian-ytimellä suoritettiin AFNI:ssä normalisoiduille tiedoille.

Yksittäiset siemenalueet (kaksipuolinen anterior ja posterior hippokampus) johdettiin rakenteellisesta skannauksesta käyttämällä Freesurfer 5.1:tä (Fischl, 2012) ja muokattiin käyttämällä Automatic Segmentation Adapter Tool -työkalua (Wang et al., 20 11). Hippokampus jaettiin etu- ja takaosaan käyttämällä tavallisten anatomisten maamerkkien manuaalista tunnistamista. Setähuippu toimi rajana anteriorisen ja posteriorisen hippokampuksen välillä (Duvernoy, 2005; Weiss et al., 2005). Arvioijat olivat sokeita osallistujien iän ja sukupuolen suhteen. Näiden maamerkkien tunnistamisen luotettavuus osoitti 94,60 prosentin yhtäpitävyyttä 1 siivussa ja 99,99 prosentin yhtäpitävyyttä 2 siivussa. Luokan sisäiset korrelaatiokertoimet olivat korkeat ja vaihtelivat välillä 0,897-0,985. Kun arvioijien välillä oli erimielisyyttä oikean viipaleen sijainnista, käytettiin kokeneemman arvioijan siivua.

Yksittäisten siemenalueiden (kahdenvälisen anterior ja posterior hippocampus) ja koko aivojen aikasarjojen väliset korrelaatiot laskettiin yksilöllisten lepotilan toiminnallisten yhteyskarttojen luomiseksi. Myöhemmin Fisherin r-to-z-muunnoksia käytettiin r-karttojen muuntamiseen z-kartoiksi, jotta saataisiin normaalisti jakautuneet liitäntäkarttojen arvot. Z-arvot erotettiin kuudesta ROI:sta: alempi/ylempi parietaalinen kypärä (IPL/SPL), alempi takaraivo (IOG), vasen alempi temporaalinen gyrus (ITG), vasen alempi otsakypärä (IFG), fusiform gyrus ja orbitaalinen otsakypärä (OFG) (Kuva 3). Nämä aivoalueet määriteltiin aiempien tutkimusten mukaan, jotka osoittivat, että 4-–8--vuotiaat lapset aktivoituivat enemmän näillä alueilla koodattaessa kohteita (eli kuvia eläimistä ja esineistä), jotka myöhemmin muistettiin oikeat lähteet kuin ne, joissa on väärät lähteet (eli sarjakuvahahmojen kuvat) (katso lisätietoja Geng et al., 2019). Aktivaatioerot viittaavat siihen, että nämä kuusi aivoaluetta ovat kriittisiä kontekstuaalisen tiedon koodaamisessa. Siksi nämä alueet valittiin ROI:iksi tässä tutkimuksessa.

Tilastolliset analyysit Lineaarisia sekamalleja käytettiin ottaen huomioon niiden kyky käsitellä epätasapainoista ja epätäydellistä pitkittäisdataa. Tarkemmin sanottuna SPSS 20.0:ssa ajettiin sarja kiinteiden vaikutusten malleja iän, lähdemuistin ja iHFC:n välisten yhteyksien testaamiseksi. Ensin arvioitiin ikään liittyvät muutokset lähdemuistissa. Sitten analysoitiin iän, lähdemuistin ja iHFC:n välisiä suhteita kuhunkin ROI:iin, jotta voidaan arvioida muutoksia samanaikaisissa suhteissa. Seuraavaksi malleja käytettiin tutkimaan, ennustivatko aikaisemmat muutokset lähdemuistissa myöhempää iHFC:tä kunkin ROI:n kanssa ja ennustivatko aikaisempi toiminnallinen yhteys kunkin ROI:n kanssa myöhempiä muutoksia lähdemuistissa.

Kuten johdannossa ehdotetaan, käyttäytymisen ja aivojen muutosten muovautuminen vie aikaa. Siksi analysoimme muistin muutosten suhteita W1:n ja W2:n välillä W3:n toiminnalliseen liitettävyyteen (kuva 1). Lisäksi laskettiin W1:n toiminnallisen liitettävyyden suhteet muistin muutoksiin W1:n ja W3:n välillä (kuva 1). Toinen käytännön syy siihen, miksi muistin muutosvälit erosivat kahden ennusteanalyysin välillä, oli se, että vanhan kohortin lähdemuistissa ei tapahtunut merkittävää muutosta W2:n ja W3:n välillä. [Toinen kiinnostava kysymys olisi kuinka lähdemuistin muutokset liittyvät iHFC:n muutoksiin; Kuitenkin nykyisessä otoksessa oli liian paljon datan menetystä liikkeen vuoksi, jotta voitaisiin tutkia iHFC:n muutoksia kahdessa kohortissa. Siksi yksittäisen ajankohdan dataa käytetään toiminnallisiin liitettävyysanalyyseihin.]

Jatkuvat kovariaatit (ikä, keskimääräinen FD, lähdemuistin muutos ja iHFC) näissä malleissa standardoitiin koko otokselle. Akaiken tietokriteeriä käytettiin päätehosteiden mallien vertaamiseen malleihin, jotka sisälsivät sekä pää- että interaktiivisia tehosteita. Parhaiten istuvaksi malliksi valittiin mallit, joilla oli pienin Akaiken tietokriteerin arvo. Kohtuullisen otoskoon (katso taulukko 1) ja ROI:n rajallisen määrän vuoksi useiden vertailujen korjauksia ei sovellettu. Jos havaittiin vuorovaikutuksia kohortin (nuorten vs. vanhojen) kanssa, lähdemuistimittojen ja iHFC:n välinen suhde arvioitiin uudelleen jokaiselle kohortille standardoimalla kunkin ryhmän kovariaatit erikseen ja arvioimalla malliparametrit uudelleen.

Tulokset

Käyttäytymistulokset

Käyttäytymisanalyysejä varten tietoja toimitti 194 lasta (taulukko 1). Lähdemuistin suorituskyvyn ennustamiseksi kiinteiden vaikutusten mallit, mukaan lukien ikä, kohortti (nuori vs. vanha) ja ikäkohorttivuorovaikutus, sopivat paremmin kuin malli, joka sisälsi vain päävaikutukset. Ikä liittyi positiivisesti lähdemuistin suorituskykyyn (b=0.051, SE=0.023, t(353)= 2.281, s.=0.023), ja iän ja kohortin välillä oli merkittävä vuorovaikutus (b=–0,075, SE=0.031, t(353) {{17 }} 2.423, s.=0.016). Kun tätä vuorovaikutusta tutkittiin, tulokset osoittivat, että ikään liittyvät muutokset lähdemuistissa olivat suurempia nuorilla verrattuna vanhaan kohorttiin (p, 0,001 vs. p=0,028; kuva 4). Mitään eroja ei havaittu 6--vuotiaiden lasten välillä nuoresta kohortista, jotka testattiin kolmannella viikolla, ja 6-vuotiaiden lasten välillä vanhasta kohortista, jotka testattiin W1:ssä (p 0,90). Lisäksi testasimme, oliko lähdemuistissa eroja ikäryhmien välillä kussakin kohortissa. Kaikki ikäryhmien väliset vertailut saavuttivat merkitsevyyden 7 ja 8 vuoden eroa lukuun ottamatta (p=0.24).

Ikään liittyvät muutokset lähdemuistin ja toiminnallisen liitettävyyden samanaikaisissa suhteissa Lineaaristen sekamallien kiinteät vaikutukset sisälsivät osa-alueen, iän ja lähdemuistin itsenäisinä muuttujina ja iHFC riippuvaisena muuttujana. Keskimääräinen FD sisällytettiin myös malliin, koska iän ja keskimääräisen FD:n välillä oli marginaalisesti merkittävä suhde, kuten edellä on raportoitu. Päävaikutusmallit sopivat paremmin kuin mallit, joissa oli ikälähdemuistin vuorovaikutus. Iällä oli merkittäviä päävaikutuksia aivoturson ja vasemman IPL/SPL:n, IOG:n, vasemman ITG:n, vasemman IFG:n, fusiform gyrusin ja OFG:n välisen yhteyden ennustamisessa. Erityisesti iHFC lisääntyi iän kasvaessa (kuva 5). Lähdemuistin päävaikutus ei ollut merkittävä hippokampuksen ja minkään ROI:n välisen yhteyden kannalta.

Lisäksi oli eroja liitettävyydestä anteriorin ja posteriorisen hippokampuksen ja fusiformin, vasemman ITG:n, IOG:n, OFG:n ja vasemman IPL/SPL:n välillä (taulukko 3). Kaikilla alueilla paitsi OFG:llä liitettävyys oli suurempi takaosaan verrattuna etummaiseen hippokampukseen. IFG:ssä hippokampuksen toiminnallisessa liitettävyydessä oli trendikkäitä eroja (etupuoli, takaosa; taulukko 3).

Ennustavat suhteet lähdemuistin välillä muuttuvat W1:stä W2:ksi ja toiminnallisen liitettävyyden välillä W3

Lineaaristen sekamallien kiinteitä vaikutuksia olivat osa-alue (etupuoli vs. takaosa), kohortti (nuori vs. vanha) ja lähdemuistin muutos (määritelty eroina lähdemuistissa W1:n ja W2:n välillä). Keskimääräistä FD:tä ei sisällytetty malleihin, koska missään liikeparametreissa (keskimääräinen FD, absoluuttinen liike ja datan pituus) ei ollut eroa nuorten ja vanhojen kohorttien välillä (s. 0.60). Kohorttilähteen muistin muutosvuorovaikutuksen sisältävät mallit johtivat parempaan malliin sopivaan vasemmalle IFG:lle ja OFG:lle. Sitä vastoin päätehostemallit sopivat paremmin neljään muuhun ROI:iin. Lähdemuistin muutokset W1:n ja W2:n välillä liittyivät positiivisesti W3:n hippokampuksen toiminnalliseen yhteyteen vasemman IPL/SPL:n, IOG:n, vasemman ITG:n ja fusiform gyrusin kanssa (taulukko 4; kuva 6).

Kohortin ja lähdemuistin muutoksen välillä oli merkittäviä vuorovaikutuksia, jotka ennustivat luontaista toiminnallista yhteyttä hippokampuksesta vasemmalle IFG:lle ja OFG:lle (taulukko 4). Näiden vuorovaikutusten tutkimiseksi käytettiin kiinteiden vaikutusten malleja kunkin kohortin arvioimiseksi erikseen. Nuoressa kohortissa lähdemuistin muutokset liittyivät merkittävästi iHFC:hen vasemman IFG:n ja OFG:n kanssa (b=0.109, SE=0.025, t( 73)=4.341, p , 0.001; b=0.068, SE=0.022, t(73)=3.117, p=0 .003). Vanhassa kohortissa nämä assosiaatiot eivät kuitenkaan olleet ilmeisiä (p-arvot 0,20). Siksi vain nuoressa kohortissa käyttäytymisparannukset lähdemuistissa muodostivat myöhemmin luontaisen toiminnallisen yhteyden hippokampuksen ja näiden aivokuoren alueiden välillä (kuva 7). Lisäksi suoritimme yllä olevat analyysit uudelleen malleihin sisältyvän lähdemuistin W1 ja W2 kanssa testataksemme lähdemuistin muutosten ja myöhemmän hippokampuksen toiminnallisen liitettävyyden välisiä suhteita. Kaikki tulokset pysyivät samoina, paitsi että vasemman IPL/SPL:n ja IOG:n lähdemuistin muutosten päävaikutus muuttui merkityksettömäksi (p=0.18; p=0.11). Lisäksi posteriorinen hippokampus osoitti enemmän yhteyttä fusiformiin, vasemmalle ITG:lle, IOG:lle ja vasemmalle IPL/SPL:lle kuin anteriorinen hippokampus. Ero OFG:ssä ja vasemmassa IFG:ssä ei saavuttanut merkitystä (taulukko 3).

Ennustavat suhteet W1:n toiminnallisen liitettävyyden ja lähdemuistin välillä muuttuvat W1:stä W3:ksi

Kiinteät tehostemallit sisälsivät iHFC:n W1:ssä ja kohortin (nuori vs. vanha) riippumattomina muuttujina ja lähdemuistin muutoksen W1:stä W3:een riippuvaisena muuttujana. Keskimääräistä FD:tä ei sisällytetty malliin, koska se ei eronnut merkittävästi kohorttien välillä (s. 0.70). Vasemmalle ITG:lle ja fusiformille vuorovaikutusmallit sopivat paremmin. Muiden ROI:iden kohdalla päävaikutusmallit sopivat paremmin, mutta ne eivät tuottaneet merkittäviä löydöksiä.

Kohortin ja iHFC:n väliset vuorovaikutukset vasemmassa ITG:ssä ja fusiform gyrusissa ennustivat merkittävästi lähdemuistin muutosta (taulukko 5). Vuorovaikutusten tutkimiseksi käytettiin kiinteiden vaikutusten malleja testaamaan suhteita kussakin kohortissa erikseen. Vanhemmassa kohortissa iHFC, jossa oli vasen ITG ja fusiform gyrus, liittyi lähdemuistin muutokseen (b=–0.{{10}}90, SE=0 .024, t(60)=3.76, p , 0.001; b=0.086, SE=0.029, t(60)= 2.998, s.=0.004). Tätä yhteyttä ei kuitenkaan havaittu nuoressa kohortissa (p 0,80). Siksi vain vanhassa kohortissa toiminnallinen yhteys hippokampuksen ja vasemman ITG:n ja fusiform gyrusin välillä ennusti myöhempiä parannuksia lähdemuistissa (kuva 7).

Keskustelu

Tässä tutkimuksessa käytettiin nopeutettua pitkittäissuunnittelua lähdemuistin muutosten ja iHFC:n välisten ennakoivien suhteiden tutkimiseksi lapsuudessa. Ensinnäkin havaitsimme ikääntymiseen liittyviä lisäyksiä lähdemuistin suorituskyvyssä, mikä tukee aiempia tutkimuksia, joissa on korostettu ikään liittyviä eroja lähdemuistissa tässä ikäryhmässä (Drummey ja Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Toiseksi tulokset osoittivat, että iHFC muistiverkostossa lisääntyi lapsuuden ajan, mikä on yhdenmukainen aiempien poikkileikkaustutkimusten kanssa, jotka osoittivat samankaltaisia ​​​​yhteyksiä iän ja aivotursoalueen toiminnallisen kytkennän välillä (Blankenship et al., 2017; Geng et al., 2019). Lopuksi tulokset osoittivat, että muutokset muistin suorituskyvyssä ennustivat myöhempää toiminnallista yhteyksiä ja varhainen toiminnallinen liitettävyys ennusti myöhempiä lähdemuistin muutoksia.

Lähdemuistin muutokset ennustivat myöhempää hippokampuksen toiminnallista yhteyttä

Lähdemuistin muutokset varhaisessa elämässä ennustivat myöhempää luontaista yhteyttä hippokampuksen ja aivokuoren alueiden välillä tehtävän puuttuessa, mikä viittaa siihen, että käyttäytyminen muokkasi myöhempää toiminnallista yhteyttä. Tarkemmin sanottuna kaikkien lasten muistin muutokset ennustivat luontaisen yhteyden hippokampuksesta fusiformiin, poistuivat ITG:stä, IOG:sta ja poistuivat IPL/SPL:stä vuoden kuluttua. Lisäksi nuoremman kohortin sisällä varhaiset muistimuutokset ennustivat myös hippokampuksen toiminnallista yhteyttä vasemman IFG:n ja OFG:n kanssa. Kuitenkin analyyseissä, joissa arvioitiin ikään liittyviä muutoksia samanaikaisissa suhteissa, muistikyky ei liittynyt iHFC:hen. Nämä havainnot tukevat ajatusta, että elämänkokemus muokkaa aivoja koko kehityksen ajan, mikä on saanut tukea myös muista havainnoista (Fox ja Raichle, 2007; Gabard-Durnam et al., 2016). Esimerkiksi tehtävän aiheuttaman toiminnallisen liitettävyyden on osoitettu ennustavan lepotilan toiminnallista yhteyttä 2 vuotta myöhemmin, mutta ei samanaikaisesti (Gabard-Durnam et al., 2016). Lisäksi, kuten interaktiivinen erikoistumiskehys ehdottaa, tulkitsimme havainnot osoittamaan, että muutokset muistissa varhaisessa elämässä voivat ohjata toiminnallista integraatiota hippokampuksen muistiverkostossa ja että tämän prosessin avautuminen vie aikaa (Johnson, 2011; Poppenk et al., 2013). Toisin sanoen varhainen muistin vahvistuminen voi heijastaa hippokampuksen muistiverkoston asteittaista jalostumista ajan myötä, mikä lopulta johtaa parantuneeseen iHFC:hen jopa silloin, kun tiettyä tehtävää ei ole. Tämä on yhdenmukainen muilla kognitiivisilla aloilla tehdyn aiemman tutkimuksen kanssa, joka osoittaa, että aritmeettinen harjoittelu aiheutti muutoksia hippokampuksen ja parietaalisen yhteyksissä keskilapsuudessa (Rosenberg-Lee et al., 2018).

Hippokampuksen toiminnallinen yhteys ennusti myöhempiä lähdemuistin muutoksia

Yhteys hippokampuksesta fusiformiin ja ITG ennusti muistin muutoksia 2 vuotta myöhemmin. Tämä piti kuitenkin paikkansa vain vanhemman kohortin kohdalla, joten iHFC fusiformilla ja vasemmalla ITF 6 vuoden kohdalla ennusti muistin muutokset 2 vuotta myöhemmin. Nämä havainnot tukevat väitettä, että aivojen aktiivisuus voi myös muokata käyttäytymistä, ja viittaavat siihen, että toiminnallinen integraatio hippokampuksen muistiverkostossa voi ennustaa muistikyvyn tulevaa kehitystä jopa 6-vuotiailla lapsilla. Tämä havainto on yhdenmukainen aiempien tutkimusten kanssa, jotka viittaavat siihen, että aikaisempi iHFC voi ennustaa interventioiden aiheuttamia käyttäytymismuutoksia tyypillisissä ja epätyypillisissä kehityspopulaatioissa (Hoeft et al., 2011; Supekar et al., 2013). Siksi tutkimuksemme viittaa siihen, että varhaisessa elämässä aivojen ja käyttäytymisen kehityksen välinen vuorovaikutus ei ole yksisuuntainen, vaan vastavuoroinen prosessi: käyttäytymismuutokset muokkaavat tulevaa aivotoimintaa ja aivotoiminta muokkaa tulevia käyttäytymismuutoksia.

Ajoitusvaikutukset käyttäytymisen ja aivojen kehityksen vuorovaikutuksessa

Tuloksemme viittaavat siihen, että ajoituksella on merkitystä aivojen ja käyttäytymisen kehityksen välisten vuorovaikutusten kannalta. Tarkemmin sanottuna, vaikka aikaisemmat muistimuutokset ennustivat myöhempää hippokampuksen yhteyttä tiettyjen aivokuoren alueiden kanssa sekä nuorissa että vanhoissa kohortissa, vain nuoremmassa kohortissa varhaiset muistimuutokset liittyivät toiminnalliseen yhteyteen hippokampuksesta vasemmalle IFG:lle ja OFG:lle. Sitä vastoin varhainen toiminnallinen yhteys fusiformin ja vasemman ITG:n kanssa ennusti merkittävästi myöhempiä muistimuutoksia vain vanhemmassa kohortissa. Ehdotamme kahta mahdollista selitystä näille ajoituksen eroille. Ensinnäkin nämä havainnot voivat johtua tunnetuista eroista ikään liittyvien muutosten suuruudessa lähdemuistin kehityksessä lapsuuden aikana. Aiempien käyttäytymistutkimusten kanssa, jotka viittaavat lähdemuistin muutosten nopeuteen ennen kuudetta elinvuotta (Riggins, 2014), nykyinen tutkimus osoittaa, että muistimuutokset 4-–-6-vuotiaiden kohortissa olivat enemmän huomattavasti enemmän kuin 6---8-vuotiaiden kohortin kohdalla. Suuremmat muistimuutokset voivat aiheuttaa suurempia muutoksia aivoissa. Tämä voi auttaa selittämään, miksi nuoremman kohortin aikaisemmat muistimuutokset ennustivat yhteyden hippokampuksen ja IFG:n ja OFG:n välillä.

Vaihtoehtoisesti ajoitusero voi johtua tunnetuista eroista hippokampuksen kehitysmuutoksissa lapsuuden aikana. Ihmisillä ja eläimillä tehdyt tutkimukset osoittavat johdonmukaisesti, että hippokampuksen muistiverkosto kehittyy merkittävästi kuudennen elinvuoden tienoilla (Serres, 2001; Lavenex ja Lavenex, 2013). Siksi 4-6 vuotta voi olla herkkä ajanjakso hippokampuksen kehitykselle, jolle on ominaista suurempi plastisuus (Tottenham ja Sheridan, 2010). Tämä väite on yhdenmukainen sen väitteen kanssa, että toiminnallisen arkkitehtuurin muokkaaminen voi olla erityisen voimakasta kehitysjaksojen aikana, jolloin hermojärjestelmät ovat plastisimpia ja alttiita ympäristön vaikutuksille (Bick ja Nelson, 2017). Sensitiivisen ajanjakson päätyttyä kypsempi hippokampuksen muistiverkosto voi alkaa aiheuttaa kehitysmuutoksia muistikyvyissä. Tämä saattaa selittää, miksi iHFC ennusti käyttäytymismuutoksia vain vanhemmassa kohortissa. Siksi spekuloimme, että vasta kun aivot saavuttavat tietyn kypsymisrajan, sen toiminta voi luotettavasti ja johdonmukaisesti ennustaa käyttäytymistä. Ajoitusvaikutukset voivat myös riippua tietyistä aivoalueista, joilla on toiminnallinen yhteys hippokampukseen. Varhaiset muistimuutokset 4:stä 5 vuoteen ennustivat toiminnallisen yhteyden hippokampuksen ja prefrontaalisten alueiden (IFG ja OFG) välillä 6 vuoden kohdalla. Kuitenkin vanhemmassa kohortissa toiminnallista yhteyksiä 8-vuotiaana ei ennustettu käyttäytymismuutoksilla 6-7 vuoden iässä. Sitä vastoin vain vanhemmassa kohortissa iHFC ennusti muistin muutoksia 2 vuotta myöhemmin, ja tämä oli fusiformille ja ITG:lle ominaista. Nämä havainnot saattavat johtua näiden hermoalueiden erilaisista kehityskulkuista. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että aivojen kehitys etenee hierarkkisessa järjestyksessä aistinvaraisesta assosiaatiokorteksista kognitiivisille toiminnoille tärkeille alueille (Gogtay et al., 2004; Shaw et al., 2008). IFG ja OFG ovat alueita, jotka liittyvät korkeamman asteen kognitioon ja jotka kypsyvät myöhemmin kuin sensoriset tai assosiaatioalueet. Siten nykyisen tutkimuksen havainnot ovat yhdenmukaisia ​​sen käsityksen kanssa, että prefrontaaliset alueet, kuten IFG ja OFG, ovat vähemmän kypsiä ja siksi plastisempia nuoremmassa verrattuna vanhemmassa kohortissa. Tämä on myös sopusoinnussa aiempien tutkimusten kanssa, jotka osoittavat, että lisääntynyt hippokampuksen toiminnallinen kytkentä PFC:hen liittyy muistikykyjen kehittymiseen (Qin et al., 2014). Nykyiset havainnot laajentavat tätä työtä ja viittaavat siihen, että 4-6 vuotta voi olla herkkä ajanjakso hippokampuksen ja frontaalisten alueiden väliselle toiminnalliselle integraatiolle. Sitä vastoin fusiform ja ITG liittyvät visuaaliseen käsittelyyn ja kypsyvät aikaisemmin kuin prefrontaaliset alueet. Tällainen varhainen kypsyminen saattaa olla taustalla fusiformin ja ITG:n kyvylle ennustaa käyttäytymismuutoksia.

Vahvuudet ja rajoitukset

Nykyisellä tutkimuksella on useita vahvuuksia. Kiihdytettyä pitkittäissuunnittelua käyttämällä jäljitimme lähdemuistin, iHFC:n ja niiden välisten suhteiden kehitysmuutoksia. Tämä malli antoi meille myös mahdollisuuden testata ajoituseroja vertaamalla kahta lapsiryhmää. Keskittymällä ehdotettuun herkkään ajanjaksoon lähdemuistin kehittämiselle, pystyimme tutkimaan, kuinka hippokampuksen muistiverkosto on jalostettu tässä tärkeässä kehitysikkunassa ja miten se liittyy muistin parannuksiin.

Tällä tutkimuksella on myös rajoituksia. Rajoitetun otoskoon vuoksi emme pystyneet tutkimaan, kuinka toiminnallisten yhteyksien muutokset ajan mittaan liittyvät muistiin. Myös otoskoon vuoksi päätimme olla tekemättä kokoaivojen analyyseja ja sen sijaan luotimme ROI-arvoihin, jotka saatiin tehtäväpohjaisesta tutkimuksesta, jossa oli mukana saman pitkittäistutkimuksen lapsia. Siten voi olla myös löydöksiä, joissa on muita aivoalueita, jotka eivät sisälly nykyiseen ROI-ryhmään. Lisäksi ROI:t määriteltiin tehtävässä käyttämällä vain kuvamateriaalia. Sitä vastoin tässä tutkimuksessa lähdemuistia mitattiin tehtävässä, jossa oli sekä kuvallista että sanallista materiaalia. Ei tiedetä, aktivoituvatko eri aivojen alueet koodaamaan kontekstuaalista tietoa napauttamalla visuaalisia vs. sanallisia modaliteettia. Lopuksi, vaikka osa otokseen kuuluvista lapsista toimitti tehtäväpohjaisia ​​fMRI-tietoja ROI:iden määrittämiseen, meillä ei ollut tarpeeksi tehtäväpohjaista MRI-dataa arvioidaksemme kehityssuhteita tehtäväpohjaisen aivotursotoiminnan toiminnallisen liitettävyyden ja ilman vaativaa tehtävää mitatun liitettävyyden välillä. määrätty.

Yhteenvetona totean, että tutkimuksemme keskittyi mekanismeihin, jotka liittyvät lähdemuistin kehitysmuutoksiin ja taustalla olevaan hippokampusverkostoon 4–8 vuoden iässä. Tulokset osoittavat, että käyttäytymiskokemus ja aivomuutokset ovat vuorovaikutteisia prosesseja, jolloin kokemus muokkaa aivoissa muutoksia ja aivot käyttäytymismuutoksia. Lisäksi löydömme tukevat ja laajentavat aiempaa aivojen kehitystä koskevia tutkimuksia osoittamalla, että ajoituksella on merkitystä aivojen yhteyksiä muokkaavien käyttäytymismuutosten kannalta, ja tällaiset ajoituserot riippuvat myös siitä, mitkä aivoalueet ovat mukana. Yhdessä nämä havainnot lisäävät kriittistä käsitystä lähdemuistin kehityksestä varhaislapsuudessa ja myötävaikuttavat kasvavaan kirjallisuuteen, joka dokumentoi kognitiivisten prosessien ja niiden neurologisten perustan välisiä interaktiivisia ja monimutkaisia ​​suhteita kehittyvissä aivoissa.