Unen aikana tapahtuvan keskus- ja autonomisen toiminnan roolin ymmärtäminen työmuistin ja episodisen muistin parantamisessa, osa 1

Viimeisen vuosikymmenen aikana on tapahtunut merkittävää edistystä kognitiota tukevien unimekanismien tunnistamisessa. Suurin osa näistä tutkimuksista keskittyy yhteyteen keskushermoston sähköfysiologisten tapahtumien välillä unen aikana ja eri kognitiivisten alueiden parannuksiin, kun taas autonomisen hermoston dynaamiset muutokset unen välillä on jäänyt suurelta osin huomiotta.

Uni ja muisti liittyvät läheisesti toisiinsa. Kun nukumme, aivomme käsittelevät ja vahvistavat päivän aikana oppimiamme tietoja, mikä auttaa meitä muistamaan ja oppimaan. Siksi hyvä unimekanismi on erittäin tärkeä muistimme parantamiseksi.

Unessa on kaksi päävaihetta: nopea silmän liike (REM) ja ei-nopea silmäliike (NREM). Näillä kahdella unen vaiheella on eri roolit erityyppisissä muistoissa. NREM-univaiheen aikana aivot vahvistavat muistojen käsittelyä ja syöttävät tärkeitä tietoja pitkäaikaismuistiin säilyttääkseen ne paremmin. REM-univaiheessa aivot lisäävät luovuuttamme ja mielikuvitustamme palauttamalla ja järjestämällä uudelleen tietoa, ja jonkin verran muistin haalistumista voi myös esiintyä.

Hyvän unen laadun varmistamiseksi meidän tulee kiinnittää huomiota hyvien nukkumistottumusten kehittämiseen. Tähän sisältyy säännölliset nukkumisajat, liiallisen elektronisten laitteiden käytön välttäminen ennen nukkumaanmenoa ja mukavan nukkumisympäristön ylläpitäminen. Lisäksi fyysisen terveyden ylläpitäminen liikunnan ja ruokavalion hallinnan avulla on myös avainasemassa unen laadun kannalta.

Lyhyesti sanottuna unimekanismi ja muisti liittyvät läheisesti toisiinsa. Säilyttämällä hyviä nukkumistottumuksia ja elämäntapoja voimme parantaa unemme laatua, mikä auttaa meitä säilyttämään paremmin muistimme ja oppimiskykymme. Voidaan nähdä, että meidän on parannettava muistiamme. Cistanche deserticola voi parantaa muistia merkittävästi, koska Cistanche deserticola voi myös säädellä välittäjäaineiden tasapainoa, kuten nostaa asetyylikoliinin ja kasvutekijöiden tasoa. Nämä aineet ovat erittäin tärkeitä muistille ja oppimiselle. Lisäksi liha voi myös parantaa verenkiertoa ja edistää hapen toimitusta, mikä voi varmistaa, että aivot saavat riittävästi ravinteita ja energiaa, mikä parantaa aivojen elinvoimaa ja kestävyyttä.

Lisää muistia napsauttamalla tiedä lisäravinteet

Viimeaikaiset tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että unen aikana tapahtuvat autonomiset syötteet vaikuttavat merkittävästi kognitioon. Silti on edelleen huomattavia aukkoja ymmärryksessä, kuinka keskus- ja autonomiset järjestelmät toimivat yhdessä unen aikana kognitiivisen parantamisen helpottamiseksi. Tässä artikkelissa tutkimme näyttöä keskus- ja autonomisten toimintojen itsenäisistä ja vuorovaikutteisista rooleista unen ja hereillä kognitiivisessa prosessoinnissa. Keskitymme erityisesti työmuistia tukeviin prefrontaali-subkortikaalisiin rakenteisiin ja aivotursosta riippuvaisen episodisen muistin muodostumisen taustalla oleviin mekanismeihin.

Slow Oscillation Switch -mallimme tunnistaa erilliset ja kilpailevat taustalla olevat mekanismit, jotka tukevat kahta muistialuetta synaptisella, järjestelmä- ja käyttäytymistasolla. Ehdotamme, että uni on kilpailuareena, jossa molemmat muistialueet kilpailevat rajallisista resursseista, mikä on kokeellisesti osoitettu, kun yhden järjestelmän tehostaminen johtaa toiminnalliseen kompromissiin elektrofysiologisissa ja käyttäytymistuloksissa.

Koska nämä havainnot johtavat väistämättä lisäkysymyksiin, ehdotamme tulevaisuuden tutkimusalueita ymmärtääksemme paremmin, kuinka aivot ja keho ovat vuorovaikutuksessa erilaisten kognitiivisten alueiden tukemiseksi yhden unijakson aikana.

Autonominen hermosto (ANS) on jaettu kahteen haaraan, joista sympaattinen haara liittyy energian mobilisaatioon ns. taistelu-pako-jäädytys -reaktioiden aikana (1, 2) ja parasympaattinen haara, joka liittyy vegetatiivisiin ja korjaaviin toimintoihin ns. lepo-sulatusvasteet (3). Nämä haarat "toimivat antagonistisesti, synergistisesti ja itsenäisesti kerätäkseen tietoa aistielimistä ja koordinoidakseen vastauksia sisäisiin ja ulkoisiin vaatimuksiin" (4).

Sekä sympaattinen että parasympaattinen hermosto kommunikoivat keskushermoston (CNS) kanssa muodostaen järjestelmän, jota kutsutaan autonomiseksi keskusverkostoksi. Keskushermoston autonominen verkko on joukko keskushermoston rakenteita, mukaan lukien locus coeruleus (LC), hypotalamus, amygdala, ventromediaaliset prefrontaaliset aivokuoret, hippokampus ja talamus, jotka suoraan tai epäsuorasti vastaanottavat syötteitä ANS:stä ja moduloivat lähtöä siihen.

Vagushermo (10. kallohermo) koostuu noin 80 % afferenteista yhteyksistä (5), jotka välittävät parasympaattista/vagaalista tietoa periferialta aivorungon yksinäisen alueen ytimeen ja ylemmän asteen alueille autonomisessa keskusverkostossa ( 6, 7). Lisäksi laskevat projektiot keskusautonomisesta verkosta mahdollistavat kaksisuuntaisen viestinnän aivojen ja reuna-alueiden välillä (8, 9).

Ihmisillä noninvasiivinen menetelmä ANS-toiminnan havaitsemiseksi on sykevaihtelu (HRV), joka tutkii yksittäisten sydämenlyöntien välistä vaihtelua (R–R-välit, jotka heijastavat kammioiden depolarisaatiota) EKG:n QRS-kompleksissa (10–12).

HRV voidaan laskea aika- ja taajuusalueella. HRV:n aika-alueen mittareita ovat 1) kaikkien R-R-välien SD (SDNN), sykkeen vaihtelun yleinen mitta, ja 2) peräkkäisten erojen neliökeskiarvo (RMSSD), sykevaihteluiden mitta. ensisijaisesti vagushermon välittämä.

HRV:n taajuusalueen mittareita ovat 1) korkeataajuisen HRV:n teho (HF-HRV: 0,15 - 0,40 Hz), joka on hengityselinten sinusarytmian indikaattori. ja parasympaattinen vagaalinen aktiivisuus ja 2) matalataajuisen HRV:n teho (LF-HRV: 0,04 - 0,15 Hz), sekoitettu signaali sekä sympaattisista että parasympaattisista lähteistä. Ottaen huomioon LF-HRV:n sisältävien signaalien vaikutuksen epävarmuuden suhteessa HF-HRV-signaalin tunnettuun vagaaliseen alkuperään, autonomisen toiminnan tutkimuksessa on taipumus keskittyä HF-HRV:hen.

Tuoreen katsauksen aivoalueista ja neuromodulatorisista systeemeistä, jotka käsittävät parasympaattisen ja sympaattisen haaran, sekä niiden syötteet kognitiiviselle prosessoinnille omistetuille aivoalueille, katso Whitehurst et ai. (4).

Katsauksessamme keskitymme erityisesti todisteisiin, jotka tukevat ANS:n roolia kognitiivisissa prosesseissa valveilla ja unessa. Raportoimme vankasta joukosta löydöksiä, jotka yhdistävät parasympaattisen / vagaalisen toiminnan valveilla ja unen aikana prefrontaali-subkortikaaliseen verkkoon, joka säätelee kognitiivista kontrollia, toimeenpanotoimintoja ja työmuistia (WM). Havaitsimme myös merkittävän todisteiden puutteen autonomisesta toiminnasta, joka helpottaa unesta riippuvaa muistin vakauttamista, mikä on huomattava aukko, kun otetaan huomioon laaja tutkimusmäärä, joka yhdistää unen pitkäaikaisten muistojen muodostumiseen. Seuraavaksi teemme yhteenvedon nykytiedosta mekanismeista, jotka tukevat pitkäaikaisten muistojen muodostumista unen aikana.

Tätä taustaa vasten kehitämme hypoteesia, että unen aikana aivoverkot ja neuromodulatoriset järjestelmät, jotka tukevat lisääntynyttä tehokkuutta WM:ssä ja aivotursoalueen, episodisten muistojen lujittamista, ovat erillisiä ja kilpailevia mekanismeja. Esittelemme Slow Oscillation Switch -mallin, joka antaa yleiskuvan näiden mekanismien vuorovaikutuksesta unen aikana, sekä esiin nousevia testattavia hypoteeseja ja uusia tutkimuslinjoja tämän alan lisätutkimukseen.

Autonomiset tulot moduloivat kognitiota

Kognitiiviset prosessit, jotka perustuvat ylhäältä alas estävään ohjaukseen prefrontaalis-subkortikaalisissa verkostoissa, kuten emotionaalinen säätely, kognitiivinen ohjaus tai toimeenpanotoiminto, on liitetty parasympaattiseen/vagaaliseen toimintaan. Kognitiivinen ohjaus tai toimeenpanotoiminto, henkisten prosessien ja toimintojen koordinointi nykyisten tavoitteiden ja suunnitelmien mukaan on eturintaman aivokuoren ensisijainen toiminto.

Kognitiivisen ohjauksen koordinointi toteutetaan useilla toiminnallisilla piireillä, jotka on ankkuroitu prefrontaaliseen aivokuoreen, mukaan lukien ventromediaalinen prefrontaalinen aivokuori, anteriorinen cingulaattikuori ja laaja valikoima subkortikaalisia alueita (13). WM on osa toimeenpanotoimintoa, joka tukee pienen tietomäärän ylläpitoa ja käsittelyä, kestää yleensä sekunneista minuutteihin (14) ja jakaa samanlaisia ​​hermomekanismeja kognitiivisen ohjauksen kanssa (15). Tämän artikkelin laajuus keskittyy yhteen toimeenpanotoiminnan osa-alueeseen, nimittäin WM:ään (lisätietoja tunnesääntelystä, katso viitteet 16–19).

WM, toisin kuin pitkäkestoinen muisti (LTM), sisältää muistirepresentaatioiden tai -jälkien muuntamisen ja on informaation yleinen, online-kognitiivinen prosessi, jota on perinteisesti pidetty muuttumattomana ominaisuutena. Silti WM-koulutustutkimukset ovat osoittaneet, että toimeenpanotoimintaa yleensä ja erityisesti WM-toimintoa voidaan parantaa (20) ja että näitä parannuksia tukee lisääntynyt prefrontaalinen tehokkuus ja prefrontaali-subkortikaalisten verkkojen automaattisuus (21, 22).

Tutkimus ANS:n roolista kognitiossa on osoittanut, että parasympaattinen/vagaalinen aktiivisuus voi olla indikaattori siitä, missä määrin prefrontaalinen-subkortikaalinen piiri säätelee komponenttijärjestelmiään vasteena sisäisille ja ulkoisille vaatimuksille. Tarkemmin sanottuna aktiivisuus näissä inhiboivissa piireissä on liitetty positiivisesti lepäävään HF-HRV:hen (9, 23), ja näiden piirien optimaalisen toiminnan oletetaan ennustavan joustavia ja mukautuvia reaktioita ympäristön muutoksiin (24). Yksi näkyvä malli, jonka tarkoituksena on selittää, kuinka kaksisuuntainen viestintä CNS:n ja ANS:n välillä on kriittinen adaptiivisen kognitiivisen menestyksen ennustaja, on Thayerin ja kollegoiden kehittämä neuroviskeraalinen integraatiomalli (9, 23) (SI-liite, kuva S1).

Tämä malli ehdottaa, että HRV on indeksi prefrontaalisesta ja aivokuoresta estävästä vaikutuksesta useilla aivoalueilla, jotka tukevat kognitiota, tunteita ja fysiologista reaktiivisuutta, mukaan lukien toimeenpanotoiminto, WM, tulevien tulosten odotukset, emotionaalinen säätely, emotionaalinen vaste stressiin ja perifeerinen toiminta (24).

Neuroviskeraalinen integraatiomalli sai empiiristä tukea tutkimuksista, jotka osoittivat valveillaoloaikaisen HRV:n ja toimeenpanotoiminnan välisen suhteen. Verrattuna henkilöihin, joilla on matala lepo-HF-HRV (heijastaa huonoa parasympaattista kiertoääntä valveilla ollessa), korkean HF-HRV:n omaavilla henkilöillä on parempi WM-suorituskyky [nback tehtävä (25); operaation-span tehtävä (26)] ja estävä valvonta [eli Stroop-tehtävä (27)].

Lisäksi harjoittelun aiheuttamat muutokset kognitiivisessa kontrollissa liittyvät parasympaattisen toiminnan paranemiseen, ja käänne on myös totta, että harjoituksen aiheuttama parasympaattisen aktiivisuuden lisääntyminen edistää myös kognitiivista tehostumista. Esimerkiksi kognitiivisen harjoittelun (näkemykseen perustuva prosessointinopeus) on osoitettu lisäävän HF-HRV:tä ja tehostavan aktivaatiota prefrontaali-subkortikaaliverkossa (22). Tässä tutkimuksessa vanhemmat aikuiset, joilla oli amnestinen lievä kognitiivinen vajaatoiminta, käyvät läpi 6 viikon kognitiivisen harjoittelun.

Verrattuna kontrolleihin aktiivisen harjoitteluryhmän vanhemmat aikuiset osoittivat lisääntynyttä HF-HRV:tä ja heikentynyttä prefrontaali-striataalista yhteyttä tehtävän aikana, mikä viittaa tehokkaaseen prefrontaali-subkortikaaliseen autonomiseen säätelyyn. Samanlaisia ​​tuloksia raportoitiin terveillä osallistujilla (28). Lisäksi lepotilan HF-HRV:n lisäämisen aerobisen harjoittelun avulla on raportoitu parantavan samanaikaisesti WM-suorituskykyä (27).

Tässä tutkimuksessa osallistujat jaettiin satunnaisesti aerobiseen harjoitteluryhmään ja harjoittelua vähentävään ryhmään (alennettu harjoitustila), ja lepotilan HF-HRV ja WM mitattiin ennen ja jälkeen harjoituksen. Intervention jälkeen aerobinen harjoitteluryhmä osoitti parempaa HF-HRV- ja WM-suorituskykyä harjoitusta lopettaneeseen kontrolliryhmään verrattuna, mikä viittaa yhteyteen parasympaattisen / vagaalisen toiminnan vahvistumisen ja WM-verkostojen välillä sydämen harjoituksen avulla.

Yksi mahdollinen mekanismi sille, kuinka vagaalinen/parasympaattinen aktiivisuus voi hyötyä prefrontaalista toimintaa ja WM:tä, on norepinefriinin (NE) modulaatio. Viimeiset 20 vuoden tutkimukset ovat osoittaneet, että perinteisen tarinan lisäksi, jonka mukaan emättimen toiminnan ensisijainen neuromodulaattori on asetyylikoliini (ACh), vagaaliset afferentit säätelevät myös aivojen NE-tasoja. Vagushermo edustaa parasympaattisen hermoston pääkomponenttia, ja vagushermon nousevat kuidut välittävät NE:n toimintaa aivoissa (29, 30).

Afferenttien vagaalitransmissioiden päätteet ovat suoraan yksinäisen kanavan ytimessä, mikä välittää tietoa korkeamman asteen kognitiota sääteleville rakenteille, kuten amygdala, hippokampus ja otsakuori polysynaptisen reitin kautta LC:stä. Vaikka ACh on ensisijainen välittäjäaine vagushermon ääreissynapseissa, kun informaatio etenee LC:hen, NE:stä tulee ensisijainen neuromodulaattori, joka välittää synaptista kommunikaatiota keskushermostossa.

LC:ssä on kaksi laukaisutilaa, phasic ja tonic, jotka vaikuttavat prefrontaaliseen toimintaan. Tonic-sytytys on yhdistetty stressiin tai kiihottumiseen, kun taas faasinen poltto on yhdistetty reaktioihin uutuuteen ja korkeamman asteen kognitioon (31). Faasi- ja tonic-aktivaatiot ovat riippumattomia, ja faasiaktiivisuus on optimoitu silloin, kun tonic-aktiivisuus on kohtalainen (32), kun taas kohonnut tonic-purkaus voi heikentää faasipurkausta (33). Kädellisillä LC:n NE-neuronien faasinen aktivointi ajoissa kognitiivisten muutosten kanssa voi aiheuttaa tai helpottaa kohteen hermoverkkojen dynaamista uudelleenjärjestelyä, mikä mahdollistaa nopean käyttäytymisen sopeutumisen muuttuviin ympäristövaatimuksiin (34).

Lisäksi äskettäin on osoitettu, että LC:n faasinen optogeneettinen aktivaatio suojaa haitallisilta ihmisen suorakulmion tau-vaikutuksilta ja kognitiiviselta heikkenemiseltä, kun taas stressiä aiheuttava tonic-LC-aktivaatio pahentaa sen vaikutuksia (35, 36). Erityisesti Omoluabin et al. (36), hiiriin injektoitiin takkuista tau:ta, ja niiden LC-neuronit aktivoituivat joko faasi- tai tonic-kuvioissa. He havaitsivat, että faasistimulaatio pelasti hiiret käyttäytymis- ja LC-vajeelta, kun taas tonic stimulaatio johti oireiden pahentamiseen.

Lisäksi jyrsijöillä ja apinoilla tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että eri adrenergisten reseptorien (esim. 1 ja pre- ja postsynaptinen 2) ylläpitämä prefrontaalisen NE:n optimaalinen eksitatorinen ja estävä tasapaino vaikuttaa merkittävästi WM:n suorituskykyyn (37, 38). . NE-pitoisuuksien kokeellinen lisääminen prefrontaalisessa aivokuoressa parantaa vasteen estokykyä jyrsijöillä ja ihmisillä (39, 40).

Tämä tutkimuskokonaisuus korostaa lisääntyneen estävän toiminnan roolia häiritsevien olosuhteiden aikana, jotka hyödyttävät erityisesti WM:tä (41), mutta eivät hyödy hippokampuksen muistille (42). Mielenkiintoista on, että 2 adrenergistä reseptoria lisää ensisijaisesti prefrontaalista NE-tasapainoa ja ylläpitää sen optimaalista kiihottavaa ja estävää tasapainoa, mikä puolestaan ​​parantaa eturintaman toimintaa (43–45), kun taas 1 reseptori ohittaa 2 reseptorin aktiivisuuden ja heikentää WM-toimintaa (38).

Syntyvä kuva on, että eri tyyppiset adrenergiset reseptorit voivat vaikuttaa kokonaisvaltaisen stimuloivan ja estävän tasapainon optimointiin prefrontaalisessa aivokuoressa. Tarkemmin sanottuna NE ohjaa fysiologisia toimintoja, jotka muuttavat aivot ja kehon stressaamattomasta tilasta, jossa faasinen LC-aktiivisuus aktivoi 2 reseptoria ja lisää prefrontaalista WM-toimintaa, stressaantuneeseen tilaan, joka stimuloi tonisoivaa laukaisua ja 1 reseptorin aktiivisuutta, heikentäen WM:tä samalla kun muut toiminnot säilyvät. , kuten valppaus ja tarkkaavaisuus (46).

Ihmisillä syy-yhteys LC–NE-aktiivisuutta moduloivien vagussyötteiden ja prefrontaalisen aivokuoren tukemien kognitiivisten domeenien välillä on osoitettu tutkimuksilla, jotka manipuloivat aktiivisesti emättimen sävyä käyttämällä emättimen hermostimulaatiota (VNS) tai noninvasiivista transkutaanista vagushermostimulaatiota (tVNS). VNS aktivoi faasisen neuronien ampumista LC:ssä ja lisää NE tasoja prefrontal-subkortikaalisissa verkoissa, mukaan lukien neocortex, hippokampus, amygdala ja muut aivojen osat afferenttien ennusteilla LC:stä (33, 47-49).

Yhdessä tutkimuksessa potilaat, joita hoidettiin invasiivisella VNS:llä, suorittivat kognitiivisia tehtäviä stimulaation ollessa päällä tai pois päältä. Potilaat osoittivat parantunutta WM-suorituskykyä stimulaation päälle kytkettyinä jaksoina verrattuna stimulaation poiskytkentäjaksoihin (50). Viime aikoina tVNS on osoittanut samanlaisia ​​vaikutuksia kuin kognitiivinen kontrolli (51). Tässä tutkimuksessa terveet osallistujat suorittivat estävän kontrollin (Go/NoGo) aktiivisella tVNS- tai valestimulaatiolla.

NoGo-tilassa, joka vaati kognitiivista estoa, tVNS johti merkittävästi alentuneeseen frontaaliseen N2-tapahtumaan liittyvien potentiaalien amplitudiin, joka on biomarkkeri vaativaan kognitiiviseen hallintaan, mikä viittaa siihen, että tVNS voi johtaa tehokkaampaan hermoprosessointiin, jossa tarvitaan vähemmän resursseja onnistuneen frontaalisen eston hallinnassa. Samanlaisia ​​tVNS:n vaikutuksia on osoitettu toisessa tutkimuksessa (52), jossa tVNS lisäsi frontaalisen keskilinjan theta-aktiivisuutta, ja sen uskotaan heijastavan prefrontaalisen aivokuoren ohimenevää aktivaatiota tilanteissa, joissa tarvitaan tehostettua toimintojen valvontaa.

Ottaen huomioon, että vagaalistimulaatio tehostaa vaiheista LC–NE:tä ja että parasympaattinen aktiivisuus lisääntyy luonnollisesti nonrapid eye movement (NREM)-unen aikana, on houkuttelevaa olettaa, että faasisen LC–NE-aktiivisuuden lisääntyminen yhdessä vagaalisen parasympaattisen aktiivisuuden luonnollisen lisäyksen kanssa unen aikana voi olla yksi mekanismi, jolla prefrontaalista toimintaa säädellään ja WM-kapasiteettia parannetaan.

Kaiken kaikkiaan faasinen LC-NE unen aikana saattaa lisätä WM-kapasiteettia useiden mahdollisten mekanismien kautta, mukaan lukien hermostorepresentaatioiden uudelleenjärjestely, tau:n eliminointi ja/tai LC-NE 2 -reseptorien faasiaktiivisuuden lisääminen sekä esiotsatoiminto. Samanaikaisesti stressin aiheuttama tonic LC-NE häiritsee unta sekä prefrontaalista toimintaa. Seuraavassa osiossa tarkastellaan havaintoja unen ja ANS-toiminnan välisestä suhteesta.

For more information:1950477648nn@gmail.com