Summary
Detta protokoll beskriver metoder som används för att undersöka Neurala mekanismer underliggande sömn beroende minne konsolidering under tupplurar i tidig barndom. Den innehåller förfaranden för att undersöka effekten av sömn på beteendemässiga minnesprestanda, samt tillämpning och inspelning av både polysomnografi och actigraphy.
Abstract
Sömn är avgörande för den dagliga driften. En viktig funktion i sömnen är konsolideringen av minnen, en process som gör dem starkare och mindre sårbara för störningar. De neurala mekanismerna bakom fördelen med sömn för minne kan undersökas med hjälp av polysomnografi (PSG). PSG är en kombination av fysiologiska inspelningar inklusive signaler från hjärnan (EEG), ögon (EOG), och muskler (EMG) som används för att klassificera sömn stadier. I det här protokollet beskriver vi hur PSG kan användas tillsammans med beteendemässiga minnes bedömningar, actigraphy och Parent-Report för att undersöka sömn beroende minnes konsolidering. Fokus för detta protokoll är på tidig barndom, en period av betydelse som barn övergången från BiPhasic sömn (bestående av en tupplur och övernattning sova) till monofasisk sömn (endast övernattning). Effekterna av viloläge på minnesprestanda mäts med hjälp av en visuospatial minne bedömning över perioder av sömn och wakeful-rest. En kombination av actigraphy och förälder rapport används för att bedöma sömn rytmer (dvs., karakterisera barn som vanliga eller icke-vanliga blödare). Slutligen används PSG för att karakterisera sömn stadier och kvaliteter i dessa stadier (t. ex. frekvenser och närvaron av spindlar) under tupplurar. Fördelen med att använda PSG är att det är det enda verktyg som för närvarande är tillgängliga för att bedöma sömnkvalitet och sömn arkitektur, pekar på relevanta hjärntillstånd som stöder minne konsolidering. De viktigaste begränsningarna i PSG är hur lång tid det tar att förbereda inspelnings montage och att inspelningar normalt tas över en sömn köpt. Dessa begränsningar kan övervinnas genom att engagera unga deltagare i distraherande uppgifter under ansökan och kombinera PSG med actigraphy och Self/förälder-rapportåtgärder för att karakterisera sömncykler. Tillsammans möjliggör denna unika kombination av metoder utredningar om hur tupplurar stöder inlärning i förskolebarn.
Introduction
Givet sömnens prevalens i vår dagliga rutin, är det viktigt att förstå dess funktion. Studier med detta mål kräver exakt mätning av sömn. Polysomnografi (PSG) är det guld-standart mäter av sömn. PSG möjliggör objektiva, kvantitativa mätningar av sömn med hög temporala upplösning och kan vara användbara för både forskning och kliniska ändamål. PSG är en kombination av fysiologiska inspelningar. Ett PSG-montage omfattar minst följande åtgärder: elektroencefalografi (EEG), elektrooculografi (EOG) och Elektromyografi (EMG). Dessa åtgärder bedömer elektriska potentialer från hjärnan, ögonen och musklerna respektive, och möjliggör klassificering av sömn stadier (se figur 1). Andra åtgärder, såsom elektrokardiografi (EKG), andning, och pulsoximetri kan inkluderas för att identifiera närvaron av oordnad sömn.
Figur 1: exempel på elektrodplacering och beskrivning av aktivitet som registrerats via PSG. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
PSG gör att sömnen kan karakteriseras i fyra distinkta sömn stadier: icke-snabb ögonrörelse (icke-REM) steg 1 (nREM1; 4 − 7 Hz), icke-REM-steg 2 (nREM2; 12 − 15 Hz) och icke-REM-steg 3 (mer allmänt känd som Slow wave sleep [SWS]; 0,5 − 4 Hz) och snabb-ögonrörelse (REM sömn. nREM1 markerar insomnande, och identifieras baserat på minskad muskeltonus i EMG omkodning och blandad amplitud EEG-svängningar i förhållande till alfa observeras i vila vakna. Detta följs av nREM2, som kan särskiljas genom närvaron av sömn spindlar (korta skurar av Sigma frekvens aktivitet, 11 − 16 Hz) och K-komplex (enstaka långsamma vågor som sticker ut från den omgivande aktiviteten) i EEG. SWS kännetecknas av distinkta långsamma frekvenser med hög amplitud EEG-svängningar. REM-sömn kännetecknas av snabb låg amplitud oscillatoriska hjärnaktivitet mycket likt den som observerats under Wake. Emellertid, vad som skiljer REM-sömn från Wake är att det också kännetecknas av phasic snabba ögonrörelser (därav monikern REM) och muskel Atonia. Under loppet av en sömn bout, sömn stadier upplevs cykliskt, med en hastighet av ca 90 min/cykel.
Sömnen följer också dygnsrytmen, med sömn anfall som äger rum i 24-h cykler. Sömn timing och konsistens kan påverka sömn funktionen och är också viktiga att bedöma. Även om PSG är nödvändigt att karakterisera sömn stadier, är det tidskrävande att tillämpa och därför inte idealisk för att bedöma flera sömn anfall (t. ex. flera nätter av sömn, tupplurar och övernattning sömn). För detta är actigraphy fördelaktigt. Actigraphy använder en Tri-axial accelerometer, typiskt på handleden, för att uppskatta sömnen baserat på frånvaron av rörelse. Även om actigraphy inte kan användas för att karakterisera sömn stadier, det har visat sig vara tillförlitlig på att upptäcka insomnande och vakna debut (inklusive sömnfragmentering eller vakna efter insomnande) i en rad populationer från spädbarn1 till äldre vuxna2 . Både PSG och actigraphy är föredragna metoder över själv/förälder-rapportåtgärder. Själv/förälder-rapportåtgärder är lätta att administrera och relativt billig, men de är också föremål för bias och bristande efterlevnad. Slutligen, det är värt att notera att dessa metoder kan användas i kombination för att kapitalisera på styrkor av varje. Till exempel kan PSG kombineras med actigraphy och/eller själv/förälder-rapport för att få både övernattning sömnkvalitet samt verifiering av sömn mängder eller sömn-vakna cykler, särskilt över långa varaktigheter (t. ex., veckor eller månader).
En funktion av sömn som har samlat särskilt intresse är sömn beroende minne konsolidering, bearbetning av minnen som lämnar dem starkare och mindre sårbara för störningar3. Även om minne konsolidering kan ske under Wake i barn4 och vuxna5, det finns betydande bevis för att konsolideringen förbättras under sömnen. Tidigare forskning har gett beteendemässiga exempel på sömn beroende minne konsolidering genom att jämföra förändringar i minnet prestanda efter ett intervall av sömn (t. ex., 8 PM − 8 am) till förändringar efter en motsvarande intervall tillbringade vaken (t. ex., 8 am − 8 PM). Hos vuxna, minnen är skyddade6 eller till och med förbättrats7 efter ett intervall av sömn medan minnen typiskt förfall över ett motsvarande intervall av vakna. Kontroller har använts som separerar prestanda förändringar från cirkadiska influenser8,9,10. Till exempel observeras liknande förmåner av sömn när du jämför prestanda över en Mid-Day NAP till en motsvarande mitt på dagen vakna period9.
Även om sömnen en gång var tänkt att återspegla en passiv process, helt enkelt skydda minnen från förfall eller störningar, föreslår moderna teorier sova spelar en mer aktiv roll och faktiskt främjar minne genom reactivations11,12 ,13. Stöd för detta kommer från observerade korrelationer mellan beteendemässiga åtgärder för minne konsolidering över sömn (förändring i minnet minns efter sömn jämfört med före sömn) och specifika aspekter av sömnfysiologi. För många deklarativa minne uppgifter, minne konsolidering är associerad med aspekter av icke-REM-sömn, särskilt åtgärder av SWS eller Sleep spindlar finns i nREM2 och SWS. Om sömn roll var passivt skydd från störningar, skulle en sådan korrelation inte förväntas; snarare en korrelation mellantid sovande (oavsett sömn skede) och prestanda skulle förväntas, eftersom mer tid att sova skulle ge mer skydd från störningar14.
Ytterligare stöd för den aktiva rollen för SWS i minnet konsolidering är tydligt i studier av riktade minne reaktivering. I dessa studier, är ett minne lärt sig i samband med en perceptuell Cue, till exempel en lukt, och återkallande av minnet är större efter sömn om Cue är åter presenteras under sömnen, SWS särskilt15. Även om den bakomliggande mekanismen diskuteras16,17, en framstående teori, system konsoliderings teori, hävdar att minnen kodade i hippocampus stabiliseras i cortex men Hippocampus-neokortikala dialog. Specifikt, kortikala långsamma vågor och sömn spindlar, som förekommer i samband med Hippocampus krusningar i samband med minne reaktivering, stödja minnes överföring3.
Rollen som sömn i minnet konsolidering under utvecklingen är mindre tydlig. Tidig barndom är en period av särskilt intresse som barn börjar övergå från en bifasisk (bestående av en mitt på dagen tupplur och en övernattning sova bout) till en monofasisk sömnmönster. Ny forskning tyder på att denna övergång kan återspegla hjärnans mognad18. Detta argument är förenligt med empiriska data som visar utvecklingsmässiga förändringar i nattsömn (dvs topografi av Slow wave aktivitet) speglar som av kortikal mognad19.
Även om det finns flera beteendemässiga demonstrationer av övernattning sömn beroende konsolidering hos barn20,21 och spädbarn22, forskning på neurala underbyggnad av minne konsolidering med Mid-Day Sleep är just börjat undersökas. I banbrytande arbete undersöker roll Mid-Day tupplurar på minne i förskolebarn, tupplurar visades att skydda minnen av nyligen lärt information, medan minnet reducerades (av ~ 12%) När barn stannade vakna under NAP-intervallet23. Detta "NAP Benefit" var störst hos barn som nappade vanligtvis (dvs 5 eller fler gånger per vecka mätt med actigraphy) oavsett ålder. Genom att registrera PSG under NAP konstaterades att förändringen i minnesprestanda över NAP-perioden var specifikt förknippad med sömn spindel täthet (antalet sömn spindlar per minut av nREM), vilket tyder på att NAP-kvalitet (inte kvantitet) var en kritisk faktor för främja minneslagring (se avsnittet representativa resultat).
Denna studie belyser betydelsen av PSG i att utforska relationerna mellan sömn och minne under utvecklingen. Det pekar på vikten av att karakterisera Sleep Macro-(Sleep stadier) och mikro-(kvaliteter av dessa stadier såsom frekvenser och närvaron av spindlar) strukturer under tupplurar för minne konsolidering. Det belyser också vikten av att bedöma sömn rytmer (karakterisera barn som vanliga eller icke-vanliga blödare). Även om vårt arbete har präglat funktionen av tupplurar i visuospatial inlärning (och mer nyligen känslomässiga24 och processuella25 lärande), många frågor kvarstår. Det kommer till exempel att vara viktigt att undersöka andra deklarativa minnes uppgifter för att bedöma generalizabilityen av dessa fynd och att bedöma uppgifter som används i för skolans klassrum för att förstå specifika parametrar (t. ex. mängden NAP-förmån i förhållande till inlärning) för ekologiskt giltiga uppgifter. Ytterligare arbete kommer också att vara nödvändigt att förstå när Wake är tillräckligt för minne konsolidering. Således, vårt mål är att avmystifiera processen att mäta sömn och sömn-beroende minne konsolidering hos barn. Vi ger praktiska tips för att undersöka nyttan av en eftermiddag tupplur på deklarativt minne i typiskt utveckla förskolebarn (cirka 3 till 4 års ålder) med hjälp av en datoriserad visuospatial minne uppgift samt metoder för att bedöma NAP habituality använda actigraphy, förälder-rapport, och NAP fysiologi med hjälp av PSG. Även om dessa metoder har utvecklats för förskoleåldern barn som tupplur med varierande frekvens, dessa metoder kan anpassas till någon åldersgrupp.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Innan något forsknings förfarande inleds bör skriftligt medgivande inhämtas från föräldern och muntligt medgivande inhämtas från barnet för alla studie förfaranden.
Anm.: se figur 2 för en översikt över procedurerna.
Figur 2: översikt över protokoll. Varje ruta representerar en dag. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
1. villkor för NAP-befordran
- Se till att NAP-befordrings villkoret är motbalanserat med villkoret vakna befordran mellan deltagare som diskuteras nedan.
- Schemalägg NAP-befordranvillkoret så att det börjar ungefär en timme före barnets typiska NAP-period för att tillåta tid att tillämpa PSG och utföra visuospatial minne-uppgiften. Se till att tiden mellan omedelbar och fördröjd återkallelse är densamma mellan Wake befordran och NAP befordran villkor.
- Förklara procedurerna för denna session för barn och föräldrar med hjälp av åldersrelevanta material.
Anmärkning: ålder lämpliga material inkluderar berättelse böcker eller korta videor av ett annat barn som genomgår samma förfaranden. - Använda polysomnografiutrustning (se avsnitt 3).
- Utför kodningen och den omedelbara minnes utvärderingen för aktiviteten visuospatial minne (se avsnitt 4).
- Har barnet använda toaletten och sedan initiera barnets typiska pre-NAP rutin.
- Låt föräldern/vårdgivaren att sätta barnet i viloläge som de brukar. Störa så lite som möjligt eftersom de flesta barn somnar snabbare när de ges med sin normala rutin.
- Låt barnet NAP använda sin vanliga NAP-plats.
- Utnyttja NAP främjande tekniker, men bara när det är nödvändigt eftersom dessa har visat sig mindre framgångsrika i hemmet om de avviker för långt från barnets normala rutin.
Obs: NAP främjande tekniker inkluderar att använda en tyngd filt, gnugga deltagarens rygg, inslagning barnet i en filt (liknande Swaddling), progressiv muskelavslappning, och spela lugnande musik.
- Se till att den tid som barnet sover i NAP-befordringsvillkoret matchar den tid de spelar i Wake promotion-villkoret.
Om NAP-befordrings villkoret är först tillåter du att barnet vaknar naturligt och använder den här varaktigheten för att ange varaktigheten för den vakna sessionen. Om villkoret vakna befordran är första, Använd den här varaktigheten för att bestämma längden på NAP. Om NAP överskrider denna tid, vakna barnet så naturligt som möjligt genom att öppna dörren, gå runt utanför sovrummet, och gradvis tala högre. - Genomför den fördröjda återkallnings bedömningen för aktiviteten visuospatial minne, cirka 15 − 30 minuter efter att barnet vaknar för att undvika sömn tröghet.
- Samla barn och försöksledaren betyg för visuell sömnighet skala (VSS)26 och visuella humör skala (VMS)27.
- Ta bort PSG-elektroder.
2. vakna befordran villkor
- Se till att Wake promotion villkoret är motviktat med NAP befordran villkoret diskuteras ovan.
- Schemalägg villkoret vakna befordran om du vill börja ungefär en timme före barnets typiska NAP-period för att jämna till tiden på dagen mellan olika villkor. Se till att tiden mellan omedelbar och fördröjd återkallelse är ungefär densamma mellan Wake befordran och NAP befordran villkor.
- Förklara procedurerna för denna session för barn och föräldrar med hjälp av åldersrelevanta material.
- Applicera PSG-elektroder (se avsnitt 3) för att motsvara villkoren för aktivering och NAP-befordran.
Obs: även om sömn inte förväntas, detta motsvarar villkor och kan användas för att kontrollera frånvaron av sömn om du är osäker. - Utför kodningen och den omedelbara minnes utvärderingen för aktiviteten visuospatial minne (se avsnitt 4).
- Har barnet använda toaletten och sedan gå vidare till den plats som de vanligtvis tupplur.
- Låt inte barnet att tupplur, i stället ha barnet leka tyst med icke-stimulerande leksaker på samma plats som deras typiska tupplur.
Obs: acceptabla icke-stimulerande leksaker inkluderar små sensomotoriska leksaker såsom vax pinnar och ålderslämpliga samverkande plast tegel. - Få barnet att spela för sin typiska NAP-längd eller för den tid de sov under NAP-befordrings villkoret (se steg 1,7 för ytterligare information).
- Spela in ovanliga aktiviteter som att prata, lämna rummet och leka med leksaker som inte tillhandahålls.
- Låt inte barnet att tupplur, i stället ha barnet leka tyst med icke-stimulerande leksaker på samma plats som deras typiska tupplur.
- Se till att den tid som barnet sover i NAP-befordringsvillkoret matchar den tid de spelar i Wake promotion-villkoret.
- Genomför den fördröjda återkallnings bedömningen för aktiviteten visuospatial minne, cirka 15 − 30 minuter efter att barnet har slutat spela för att hålla fördröjningstid liknande mellan förhållandena.
- Samla in barn-och experimenterbetyg för VSS26 och virtuella datorer27.
- Ta bort PSG-elektroder.
3. polysomnografi (PSG)
- Förberedelse
- Underlätta PSG elektrod ansökan genom att låta barnet engagera sig i en lugn aktivitet som att läsa en bok, leka med playdough, äta ett mellanmål om de är hungriga, eller titta på en kortfilm.
Obs: om en film används, se till att filmen är ålderslämplig men inte framkalla supportrar i barnet (t. ex., populära barnvänliga animerade filmer eller shower). - Åtkomst till en förälder eller vårdnadshavare krävs inte. Men för blyg och trevande barn se till att betrodda vårdgivare är tillgängliga.
För ett litet antal barn kan föräldrar och vårdnadshavare vara distraherande i stället för hjälpsamma. Om så är fallet, fråga föräldern om de skulle vara villiga att kliva ur barnets syn.
- Underlätta PSG elektrod ansökan genom att låta barnet engagera sig i en lugn aktivitet som att läsa en bok, leka med playdough, äta ett mellanmål om de är hungriga, eller titta på en kortfilm.
- Samla in huvud mätningar.
- Använd en flexibel måttband och Kina markör för att markera platser för efterföljande elektrod ansökan.
- Mät avståndet från Inion till nasion och placera ett märke vid halvvägs. Mät avståndet från medfödd notch i ena örat till medfödd skåran i det andra örat och placera ett annat märke på halvvägs. Skärningspunkten mellan dessa två märken är "referens" punkt (CZ).
- Mät 10% av Inion till nasion avstånd upp från Inion. Sedan mäta ut 10% av medfödd notch till medfödd notch mätning från denna punkt på vardera sidan. Gör två märken, en på vardera sidan (O3 och O4).
- Mät 20% av den medfödd notch till medfödd notch mätning från referenspunkten på vardera sidan av huvudet. Gör två märken, en på varje sida (C3 och C4).
- Mät 20% av Inion till nasion avstånd upp från referenspunkten. Sedan mäta ut 20% av medfödd notch till medfödd notch mätning från denna punkt på vardera sidan. Gör två markeringar, en på vardera sidan (F3 och F4).
- Förbered en elektrod åt gången för placering.
- Rengör varje elektrod plats med en sprit pinne. Exfoliera med en lätt slipgel och ta sedan bort eventuellt kvarvarande rengöringsmaterial.
- Fyll varje elektrod med elektrod kräm.
- För elektroder placerade där hår är närvarande, applicera en extra droppe elektrod kräm på en gasväv kvadrat och placera den på bak bilden av elektroden.
- För elektroder placerade i ansiktet, Använd medicinsk tejp för att fästa elektroden på huden.
- Placera en elektrod på varje motsvarande EEG-, EOG-och EMG-plats.
- Placera en elektrod på varje markerad plats i hårbotten (CZ, O3, O4, C3, C4, F3 och F4).
- Placera en elektrod på varje mastoideus (liten benig process bakom örat) och en i mitten av pannan.
- Placera en EOG-elektrod intill varje öga. Placera en av dessa elektroder något överlägsen utsidan av höger öga (kallas ROC) och en till utsidan och något sämre till vänster öga (kallas LOC).
- Placera två EMG-elektroder runt hakan området. Placera en elektrod på den högra kinden strax ovanför leende linjen. Placera den andra på vänster sida strax ovanför där hakan möter halsen, intill matstrupen. Hitta den andra platsen genom att ha deltagaren säga ordet "mjölk" högt medan känslan för den plats där muskelsammandragningar i nacken och hakan är maximal.
- Anslut elektroderna till inspelningsenheten och starta inspelningen.
- Spela in impedansavläsningar för alla elektroder. Säkerställ att alla elektroder klarar impedanstestet.
Obs: vissa enheter kan notera ett "pass" eller "FAIL", medan andra enheter kan ge numeriska värden. I den senare, impedanser under 25 kΩ är acceptabla. Om en impedans misslyckas eller är för hög, ta bort och Byt ut batterierna. Om detta inte ändrar problemet ska du återanvända den elektroden. - Vid slutförandet av varje villkor, ta bort PSG elektroder.
- För elektroder appliceras i håret, blöt placeringen av elektroden med en vattenbaserad spray. Låt sprayen sitta i ungefär en minut och ta sedan bort elektroden.
Obs: Detangling hårspray är mycket effektiv i syfte att ta bort hår elektroder. - För elektroder appliceras med tejp, typiskt i ansiktet och mastoids, använda en bomullspad med babyolja appliceras på den för att mätta tejpen. När tejpen är helt täckt av babyolja, försiktigt dra tejpen upp från hörnen.
- För elektroder appliceras i håret, blöt placeringen av elektroden med en vattenbaserad spray. Låt sprayen sitta i ungefär en minut och ta sedan bort elektroden.
4. visuospatial minne uppgift
- Administrera nio till-vara-ihågkommen stimuli ordnade i en 3 x 3 matris till barn yngre än 44 månaders ålder. Administrera de 12 till-vara-ihågkomna stimuli arrangerade i en 3 x 4 matris till barn äldre än 44 månaders ålder.
Anmärkning: om ett barn som tilldelats 12-artikelmatrisen är för utmanas, kan 9-artikelmatrisen användas. Likaså, om det är uppenbart att den 9-post matris är alltför lätt, den 12-item matris kan användas för att undvika tak effekter. Detta är motiverat eftersom inom ämnet noggrannhet är av variabeln av intresse och inte rå poäng. Stimuli är typiskt tecknad-liknande bilder av vanliga bilder (t. ex. Björn, bil, sax) arrangerade i en matris och presenteras på en bärbar datorskärm. Det finns två uppsättningar av stimuli. Detta gör att aktiviteten kan motvägas mellan de två villkoren (dvs. NAP kontra Wake befordran) så att barn inte får samma bilder i båda villkoren. - Administrera uppgiften i tre faser: kodning, omedelbar återkallning och fördröjd återkallelse. För varje fas kan barnet besvara varje fråga i sin egen takt.
Obs: typiska varaktigheter är: 6 min för kodnings fasen, 2 min för omedelbar återkallelse fas, och 2 min för fördröjd återkallande fasen.- I kodnings fasen, dirigera barnet att identifiera varje bild efternamn och instruera barnet att komma ihåg deras placering av varje objekt i rutnätet. Följande kodning, korten ersätts med "tomma" bilder och barnet måste sedan lokalisera positionen för varje bild tills de når en kodning Poäng ≥ 75%.
Anmärkning: ett tröskelvärde på 75% valdes baserat på studier på unga vuxna28,29,30 och återspeglar en punkt när lärandet är klart nås men inte i taket.- Under det här blocket får deltagarna visuell feedback från uppgiften efter varje svar. När barnet har valt en Bildplats, avslöja den associerade bilden, informera barnet om det var rätt eller felaktig plats.
- Ge verbal återkoppling på prestanda för att motivera barnet, men se till att mängden feedback är konsekvent över båda villkoren. När barnet lyckas lokalisera en bild Använd språk som "bra jobb, du fick det en!" När ett barn inte använder språket som belyser barnets ansträngning (t. ex., "Whoops! Inte riktigt men bra försök! Låt oss se om du kan få nästa. ").
- Ge barn som är tilldelade till den 12-item matris som inte kan passera kodning efter 4 rundor med en möjlighet att sträcka, gör hoppande Jacks, och flytta i ca 5 min. Om barnet fortfarande inte kan skicka kodning efter ytterligare 2 omgångar startar du om kodningen med matrisen med 9 objekt.
- Ge barn som tilldelats 9-artikelmatrisen som får ett kodnings resultat på 100% i den första omgången med kodnings uppgiften för matrisen med 12 objekt. Om de inte går igenom alla nödvändiga steg för att gå tillbaka till matrisen med 9 objekt använder du matrisen med 12 objekt för följande två faser.
- Under den omedelbara återkallelse fasen, presentera bilderna igen, en i taget, och be barnet att återkalla motsvarande plats. Ge inte visuell eller verbal feedback, och bara sond varje objekt en gång. Men ger feedback på ansträngning (dvs., "bra jobb att ge din bästa insats").
- Genomför den fördröjda återkallnings fasen omedelbart efter uppvaknings-eller vilotillståndet.
Obs: denna fas är identisk med den omedelbara återkallnings fasen.- Ibland barn kommer att bli kinkig under fördröjd återkallande fas. Om detta händer, locka barnet att slutföra uppgiften med ett pris eller genom att erbjuda mer tid att titta på sin film under PSG avlägsnande. Under denna tid inte tillåta barnet att leka med leksaker eller engagera sig i andra uppgifter tills minnet uppgiften är klar.
- I kodnings fasen, dirigera barnet att identifiera varje bild efternamn och instruera barnet att komma ihåg deras placering av varje objekt i rutnätet. Följande kodning, korten ersätts med "tomma" bilder och barnet måste sedan lokalisera positionen för varje bild tills de når en kodning Poäng ≥ 75%.
Bild 3: exempel på skärmvisning under aktiviteten visuospatial minne. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
5. actigraphy
- Program mera aktivitets klockan.
Obs: aktivitets klockan samplas på 32 Hz, med en känslighet på < 0,01 g. Aktivitet lagras i 15-s epoker. - Ge varje deltagare en förprogrammerad aktivitets klocka och instruktioner. Säg till föräldern att klockan alltid ska bäras. Markera att det är vattentätt så det finns ingen anledning att ta bort enheten.
- Instruera barnet att bära klockan på sin icke-dominerande hand kontinuerligt.
- Instruera föräldern att trycka på knappen på sidan av urtavlan varje gång barnet försöker sova, och sedan igen när de vaknar.
ANMÄRKNINGAR: Detta genererar en händelsemarkör i de data som hjälper till med poängsättningen actigraphy.
- Förse föräldern med en sömn dagbok (liknande en logg eller ett kalkylblad) som de kan registrera sömn tider och titta på borttagning.
Obs: Detta hjälper också till med poängsättning actigraphy.- I sömn dagbok, be föräldern att ge en fullständig logg över all sömn för antalet dagar som aktivitets klockan kommer att bäras, inklusive den tid som barnet går till sängs och när barnet vaknar. Föräldern bör tillhandahålla denna information för både tupplurar och regelbunden övernattning sömn. Dessutom ber du föräldern att lämna information om när klockan tas bort.
6. analys av data
- Visuospatial minne-uppgift
- Beräkna noggrannhet för varje återkallelse fas som procent av objekten återkallas.
- Beräkna förändring i återkallande över NAP och vakna intervaller enligt följande.
- Beräkna förändring i återkallaNAP genom att subtrahera omedelbar återkallande noggrannhet (före NAP) från fördröjd återkallande noggrannhet (efter NAP).
- Beräkna ändring i återkallaWake genom att subtrahera omedelbar återkallande noggrannhet (före aktivering) från fördröjd återkallning noggrannhet (efter väckning).
- Psg
- Karakterisera sömn stadier i enlighet med standard bedömningskriterierna (t. ex. AASM-handboken för bedömning av sömn och associerade händelser v. 2,5).
- Identifiera Sleep spindlar i C3 med specialiserad programvara genom att markera spindel ansats och offsets.
- Kontrollera sömn stadier och spindel ansats och förskjutningar med andra utbildade forskare. I händelse av att ljud inte är samstämmiga, har en tredje utbildad målgörare göra konsensus beslutet.
- Analysera spindel täthet med hjälp av specialiserad programvara och en egen MATLAB-kod baserad på tidigare studier31. I korthet, filtrera EEG-data från 0,5 − 35 Hz. Överväg den maximala spänningen mellan den identifierade spindel uppkomsten och kompensera toppspindelns amplitud. Använd en snabb Fourier-transformering av varje spindel för att identifiera den maximala spektralfrekvensen mellan 9 − 15 Hz24,32.
- Actigraphy
- Poäng aktivitet klocka data med specialiserad programvara efter standardiserade protokoll20.
Obs: flera dagar och nätter av data krävs för att säkerställa tillförlitligheten av data. Minst, deltagarna behöver minst tre dagar och tre nätter av actigraphy data (dagar och nätter behöver inte vara i följd); 5 nätter är dock att föredra, särskilt när dessa uppgifter är av primärt intresse33. - Använd sömn dagbok information och händelsemarkörer (knapptryckningar) för att kontrollera insomning och offset.
Obs: dessa två objekt måste vara inom 20 min av varandra för att göra mål i början och slutet av ett vilointervall.- Om en deltagare saknar information om sömn dagbok, händelsemarkörer eller dagbok och händelsemarkörer inte är inom 20 min av varandra, Bestäm insomnings start och offset manuellt32: Bestäm insomning med de första tre minuterna av kontinuerlig sömn 33 och bestäm Sleep offset med de sista fem minuterna av kontinuerlig sömn34.
- Poäng aktivitet klocka data med specialiserad programvara efter standardiserade protokoll20.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Med hjälp av de förfaranden som beskrivs här, Kurdziel och kollegor23 undersökt sömn beroende minne konsolidering under tupplurar i förskolebarn. Resultaten visade barnens återkallande noggrannhet på visuospatial minne uppgift efter en tupplur var bättre än deras återkallande noggrannhet efter en liknande period under vilken de förblev vaken (dvs., betecknar en "NAP-förmån", figur 4). Dessutom, de som tillbringade föregående dag i kölvattnet inte återhämta minnen under nattsömn. Slutligen, den actigraphy och förälder rapporterade sömn åtgärder användes för att undersöka om NAP-förmånen var uppenbar i både vanliga och icke-vanliga blödare. Resultaten avslöjade att NAP-förmånen endast var signifikant hos barn som blödde regelbundet (dvs. vanliga blöjor, figur 5).
Figur 4: återkallnings noggrannhet på visuospatial minnes aktivitet testades omedelbart efter kodning ("omedelbar"), efter NAP-möjligheten ("fördröjd"), och igen följande dag ("24-Hour") över två villkor: en NAP-befordrad villkor (grå och Väcknings villkor (vita staplar). Felstaplar representerar ± 1 SE. Denna siffra är omtryckt med tillstånd från Kurdziel et al.23. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: ändring av återkallnings noggrannhet (fördröjd återkallelse minus omedelbar återkallelse) över NAP (grå staplar) och vakna (vita staplar) intervall för vanliga blöjor (som tog fem till sju tupplurar per vecka) och icke-vanliga blöjor (de som tog noll till två tupplurar per vecka). Felstaplar representerar ± 1 SE. Denna siffra är omtryckt med tillstånd från Kurdziel et al.23. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
PSG användes för att undersöka relationerna mellan sömnfysiologi och NAP-beroende minne konsolidering i både vanliga och icke-vanligt tupplur barn. Det fanns en betydande negativ korrelation mellan omedelbar återkallande noggrannhet och sömn spindel densitet. Ju bättre ett barn som utförs vid omedelbar återkallande, desto färre sömn spindlar de visas under nREM2 Sleep (figur 6a). Detta är förenligt med tidigare studier som rapporterar en negativ korrelation mellan Sleep spindlar och IQ35. Viktigt, det fanns en positiv korrelation mellan förändring i RecallNAP och Sleep spindel densitet under NREM2 (figur 6b). Inget annat mått på sömnfysiologi (dvs. spindel amplitud, spindel frekvens, etc.) var dock relaterat till minnesprestanda.
Figur 6: sömn spindel täthet (spindlar per minut av icke-rem-steg 2-sömn) föreningar med (a) omedelbar återkallande noggrannhet och (B) ändringen i återkallande noggrannhet från omedelbar till fördröjd återkallande fas. Denna siffra är omtryckt med tillstånd från Kurdziel et al.23. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Sammanfattningsvis, dessa resultat visar att tupp är associerad med förbättrad minne konsolidering, särskilt i vanliga blödare. NAP-relaterade förbättringar i minnet prestanda är relaterade till sömnfysiologi bedömas av PSG i tidig barndom. Därför är PSG en viktig metod för att förstå de mekanismer som ligger bakom relationerna mellan sömn och minne konsolidering i tidig barndom. Tillsammans tyder dessa resultat på att tupplurar är kritiska för långsiktig minnes konsolidering hos barn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den här artikeln beskrivs hur du undersöker sömn beroende konsolidering av deklarativt minne under tupplurar i tidig barndom. Metoder inkluderar beteendemässig bedömning av minne över NAP och vakna villkor, actigraphy och förälder-rapport för att bedöma sömncykler, och PSG att bedöma sömn arkitektur. Denna unika kombination är avgörande för att bedöma minne, karakterisera sömncykler, och undersöka de neurala mekanismerna bakom fördelen med sömn på minnet. Representativa resultat tyder på att inlärning och minne var beroende av middags sömn, särskilt för vanliga blöjor. Specifikt, vanliga blöjor visade en större fördel av tupplur jämfört med att hålla sig vaken (dvs., NAP Benefit score). Dessutom, över alla barn, bättre kvarhållande över NAP-perioden (dvs. NAP-ändringspoäng) var relaterat till Sleep spindlar inspelade under nREM2; större kvarhållning över NAP var associerat med fler sömn spindlar. Även om kombinationen av beskrivna metoder är avgörande för full karakterisering av effekten av sömn på minnet, kanske den viktigaste aspekten av denna metod är identifiering av underliggande Neurala mekanismer som är förknippade med denna effekt med hjälp av PSG. För närvarande är PSG det enda metodologiska verktyg som gör det möjligt att karakterisera sömnkvaliteten genom mätning av sömn stadier. Sålunda, det är den enda metod som möjliggör insikt i neurobiologiska mekanismer som ligger till grund för sömn beroende effekter, såsom minne konsolidering.
Stora fördelar med PSG inkluderar det faktum att det är icke-invasiv och möjliggör karakterisering av fyra sömn stadier, inklusive sömn stadier nREM 1 − 3 och REM. Det mest kritiska steget för att förvärva PSG är grundligt rengöra elektrod platser innan ansökan för att uppnå låga impedanser och efterföljande högkvalitativa data för att förverkliga denna fördel. En annan fördel är att PSG är portabel och lätt att administrera, även hos små barn. Dessutom kan tekniken modifieras för att öka upplösningen. Även om vi beskriver en låg densitet montage av 7 EEG elektroder, högre densitet EEG montage med hjälp av specialiserade mössor för att undersöka topografisk distribution av Sömnrelaterad verksamhet såsom sömn spindlar kan också användas. Detta kan vara användbart som topografi ändringar developmentalt14; men dessa system är inte ambulatory och kan vara mindre bekväm. Slutligen, även om vi beskriver hur man spelar in PSG under Mid-Day Sleep, samma metod kan tillämpas över natten för att undersöka sömn vid andra perioder, inklusive övernattning sömn. Det kan också modifieras för kliniskt bruk för att bedöma sömnstörningar (dvs. inkluderandet av EKG, andning, puls OX). Vi beskriver hur data som erhålls under PSG kan relateras till sömn beroende konsolidering av deklarativa minnen (dvs visuospatialt minne). Men andra typer av minne (t. ex. procedurell minne, känslo minne, språk etc.) och deras förhållande till sömn komponenter kan också undersökas23,28,25,36,37 ,38.
Den största begränsningen av PSG är den tid det tar att applicera elektroderna. Hos barn kan detta vara särskilt viktigt eftersom de är benägna att tristess och begränsad uppmärksamhet. Dessa effekter kan mildras genom att ge försökspersoner med distraktorer under administrationen (t. ex. leksaker, böcker, videor). Dessutom registrerar PSG vanligtvis aktivitet under en sömnomgång. Det kan dock kombineras med själv-rapport och/eller actigraphy att få insikt i sömn mängder eller sömn-vakna cykler över längre löptider (t. ex., veckor eller månader). Slutligen kan PSG vara obekväm och störa sömnen ibland. Observera att av denna anledning, en anpassning Sleep bout kan övervägas. Detta måste vägas mot den ytterligare börda som läggs på deltagaren och utmanar rekryteringen till studien.
Även om PSG är avgörande för att undersöka de neurobiologiska mekanismerna bakom sömn beroende effekter, korrekt administrering av alla andra aspekter av det beskrivna protokollet (dvs beteendemässig bedömning av minne över NAP och vakna villkor, actigraphy och förälder-rapport av sömncykler), är avgörande för att förverkliga sin fulla potential. Det mest kritiska steget för att administrera NAP och vakna befordran är att se till att tiden mellan omedelbar och fördröjd återkallande är densamma mellan villkor och att störningen minimeras under Wake befordran villkoret. Den förstnämnda kan uppnås genom att följa tydliga protokoll och korrekt dokumentation av tid för varje session för varje deltagare. Den senare kan uppnås genom övervakning av barnets aktivitet under aktiveringstillståndet och ge dem, endast vid behov, aktiviteter som är minst benägna att störa (t. ex. för visuospatial minne uppgift som kranar deklarativt minne undvika aktiviteter som engagerar deklarativa system som böcker eller verbala material).
Sammanfattningsvis är PSG den guld-standard bedömning av sömnkvalitet. Det möjliggör objektiva, kvantitativa mätningar av sömn med hög temporala upplösning som kan vara användbara för att bättre förstå sömn funktion. När den paras ihop med andra verktyg (t. ex. beteendemässig bedömning av minne, aktivitet och förälder-rapport om sömn) kan det ge viktiga och intressanta fynd om hur sömnen bidrar till en hälsosam kognitiv utveckling hos små barn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Författarna skulle vilja tacka neurokognitiva Development Lab vid University of Maryland, College Park och Somneuro Lab vid University of Massachusetts, Amherst för hjälp med detta projekt. Finansiering tillhandahölls av NIH (HD094758) och NSF (BCS 1749280) till TR och RS. Representativa resultat finansierades av NIH HL111695.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Actiwatch Spectrum Plus Starter Kit | Philips Respironics | 1109516 | Includes: Actiwatch Spectrum Plus Device, Actiware Software License, and manual |
| Actiware software | Philips Respironics | 1114828 | Alternatives may be available. |
| Brain Analyzer | Brain Products | BV-BP-170-1000 | Alternatives may be available. |
| Dell Latitude 5580 Laptop | Dell | X5580T [210-AKJR] | Laptop for running MatLab, Actiware, and RemLogic as well as storing/uploading data |
| EC2 cream | Grass | 12643 | Possible alternatives include Ten20 paste and Lic2 electride cream |
| Embla REMLogic software | Natus Medical Inc. | 21475 | Alternatives may be available. |
| Embletta MPR PG Sys - XR - US | Natus Medical Inc. | 12077 | Embletta system for PSG recordings |
| Embletta MPR ST + Proxy Kit | Natus Medical Inc. | 12696 | Attachment to Embletta to record PSG sensors |
| Nuprep cleaning solution | Natus Medical Inc. | 12643 | Possible alternatives may be available. |
| Sleep Supplies Starter Kit for Embletta MPR ST/ST + Proxy | Natus Medical Inc. | 12643 | Started kit for sleeping including guaze, EC2 cream, NuPrep cleaning solution, cotton swabs and more. |
References
- Sadeh, A., Acebo, C., Seifer, R., Aytur, S., Carskadon, M. A. Activity-based assessment of sleep-wake patterns during the 1st year of life. Infant Behavioral Development. 18 (3), 329-337 (1998).
- Sadeh, A., Urbach, D., Lavie, P. Actigraphically-based automatic bedtime sleep-wake scoring: Validity and clinical applications. Journal Ambulatory Monitoring. 2 (3), 209-216 (1989).
- Rasch, B., Born, J.
- Werchan, D. M., Gómez, R. L. Wakefulness (not sleep) promotes generalization of word learning in 2.5-year-old children. Child Development. 85 (2), 429-436 (2014).
- Wang, J. Y., Weber, F. D., Zinke, K., Inostroza, M., Born, J. More effective consolidation of episodic long-term memory in children than adults-unrelated to sleep. Child Development. 89 (5), 1720-1734 (2018).
- Sonni, A., Spencer, R. M. C. Sleep protects memories from interference in older adults. Neurobiology of Aging. 36 (7), 2272-2281 (2015).
- Marshall, L., Helgadóttir, H., Mölle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
- Baran, B., Wilson, J., Spencer, R. M. C. REM-dependent repair of competitive memory suppression. Experimental Brain Research. 203 (2), 471-477 (2010).
- Diekelmann, S., Born, J.
- Stickgold, R.
- Dudai, Y., Karni, A., Born, J. The consolidation and transformation of memory. Neuron. 88 (1), 20-32 (2010).
- Feld, G. B., Born, J. Sculpting memory during sleep: concurrent consolidation and forgetting. Current Opinion in Neurobiology. 44, 20-27 (2017).
- Staresina, B. P., et al. Hierarchical nesting of slow oscillations, spindles and ripples in the human hippocampus during sleep. Nature Neuroscience. 18 (11), 1679-1686 (2015).
- Ellenbogen, J. M., Payne, J. D., Stickgold, R. The role of sleep in declarative memory consolidation: passive, permissive, active or none? Current Opinion Neurobiology. 16 (6), 716-722 (2006).
- Oudiette, D., Paller, K. A. Upgrading the sleeping brain with targeted memory reactivation. Trends in Cognitive Sciences. 17 (3), 142-149 (2013).
- Yonelinas, A. P., Ranganath, C., Ekstrom, A. D., Wiltgen, B. J. A contextual binding theory of episodic memory: systems consolidation reconsidered. Nature Reviews Neuroscience. 20, 364-375 (2019).
- Antony, J. W., Schapiro, A. C. Active and effective replay: systems consolidation reconsidered again. Nature Reviews Neuroscience. , (2019).
- Lam, J., Mahone, E. M., Mason, T., Scharf, S. M. The effects of napping on cognitive function in preschoolers. Journal of Developmental & Behavioral Pediatrics. 32 (2), 90-97 (2011).
- Kurth, S., Ringli, M., Geiger, A., Lebourgeois, M., Jenni, O. G., Huber, R.
- Backhaus, J., Hoeckesfeld, R., Born, J., Hohagen, F., Junghanns, K. Immediate as well as delayed post learning sleep but not wakefulness enhances declarative memory consolidation in children. Neurobiology of Learning and Memory. 89 (1), 76-80 (2008).
- Wilhelm, I., Diekelmann, S., Born, J. Sleep in children improves memory performance on declarative but not procedural tasks TT - Bei Kindern verbessert Schlaf die Gedächtnisleistung für deklarative aber nicht für prozedurale Aufgaben. Learning and Memory. 15 (5), 373-377 (2008).
- Seehagen, S., Konrad, C., Herbert, J. S., Schneider, S. Timely sleep facilitates declarative memory consolidation in infants. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (5), 1625-1629 (2015).
- Kurdziel, L., Duclos, K., Spencer, R. M. C. Sleep spindles in midday naps enhance learning in preschool children. Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America. 110 (43), 17267-17272 (2013).
- Kurdziel, L. B. F., Kent, J., Spencer, R. M. C. Sleep-dependent enhancement of emotional memory in early childhood. Scientific Reports. 8 (12609), 1-10 (2018).
- Desrochers, P. C., Kurdziel, L. B. F., Spencer, R. M. C. Delayed benefit of naps on motor learning in preschool children. Experimental Brain Research. 234 (3), 763-772 (2016).
- Maldonado, C. C., Bentley, A. J., Mitchell, D. A pictorial sleepiness scale based on cartoon faces. Sleep. 27 (3), 541-548 (2004).
- Stern, R. A., Arruda, J. E., Hooper, C. R., Wolfner, G. D., Morey, C. E. Visual analogue mood scales to measure internal mood state in neurologically impaired patients: Description and initial validity evidence. Aphasiology. 11 (1), 59-71 (1997).
- Plihal, W., Born, J. Effects of early and late nocturnal sleep on indicators of procedural and declarative memory. Journal of Cognitive Neuroscience. 9 (4), 534-547 (1997).
- Donohue, K. C., Spencer, R. M. C. Continuous re-exposure to environmental sound cues during sleep does not improve memory for semantically unrelated word pairs. Journal of Cognitive Education and Psychology. 10 (2), 167-177 (2015).
- Wilson, J. K., Baran, B., Pace-Schott, E. F., Ivry, R. B., Spencer, R. M. C. Sleep modulates word-pair learning but not motor sequence learning in healthy older adults. Neurobiology of Aging. 33 (5), 991-1000 (2012).
- Wamsley, E. J., et al. Reduced sleep spindles and spindle coherence in schizophrenia: Mechanisms of impaired memory consolidation? Biological Psychiatry. 71 (2), 154-161 (2012).
- Mölle, M., Bergmann, T. O., Marshall, L., Born, J. Fast and slow spindles during the sleep slow oscillation: Disparate coalescence and engagement in memory processing. Sleep. 34 (10), 1411-1421 (2011).
- Acebo, C., et al. Sleep/wake patterns derived from activity monitoring and maternal report for healthy 1- to 5-year-old children. Sleep. 28 (12), 1568-1577 (2005).
- Acebo, C., et al. Estimating sleep patterns with activity monitoring in children and adolescents: How many nights are necessary for reliable measures? Sleep. 22 (1), 95-103 (1999).
- Geiger, A., et al. The sleep EEG as a marker of intellectual ability in school age children. Sleep. 34 (2), 181-189 (2011).
- Wagner, U., Gais, S., Born, J. Emotional memory formation is enhanced across sleep intervals with high amounts of rapid eye movement sleep. Learning and Memory. 8, 112-119 (2001).
- Gómez, R. L., Bootzin, R. R., Nadel, L. Naps promote abstraction in language-learning infants. Psychological Science. 17 (8), 670-674 (2006).
- Konrad, C., Herbert, J. S., Schneider, S., Seehagen, S. Gist extraction and sleep in 12-month-old infants. Neurobiology of Learning and Memory. 134, 216-220 (2016).
