Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Måle nevrale mekanismer underliggende søvn-avhengige minne konsolidering under lur i tidlig barndom

Published: October 2, 2019 doi: 10.3791/60200
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1, 2, 2,3
1Department of Psychology, University of Maryland, 2Department of Psychological and Brain Sciences, University of Massachusetts, 3Neuroscience and Behavior, University of Massachusetts
* These authors contributed equally

Summary

Denne protokollen beskriver metoder som brukes til å undersøke nevrale mekanismer underliggende søvn-avhengige minne konsolidering under lur i tidlig barndom. Det inkluderer prosedyrer for å undersøke effekten av søvn på atferdsdata minneytelse, samt program og opptak av både polysomnografi og actigraphy.

Abstract

Søvn er kritisk for daglig fungerer. En viktig funksjon av søvn er konsolidering av minner, en prosess som gjør dem sterkere og mindre sårbare for forstyrrelser. De nevrale mekanismene som ligger til grunn for søvnen til minne, kan undersøkes ved hjelp av polysomnografi (PSG). PSG er en kombinasjon av fysiologiske innspillinger, inkludert signaler fra hjernen (EEG), øyne (EOG) og muskler (EMG) som brukes til å klassifisere søvn faser. I denne protokollen beskriver vi hvordan PSG kan brukes sammen med atferds minne vurderinger, actigraphy og foreldre rapporter for å undersøke søvn avhengig minne konsolidering. Fokuset for denne protokollen er på tidlig barndom, en periode av betydning som barn overgang fra bifasisk søvn (bestående av en lur og overnatting søvn) til monofasisk søvn (overnatter sove bare). Effekten av søvn på minneytelse måles ved hjelp av en Tilegning minne vurdering på tvers av perioder med søvn og våken. En kombinasjon av actigraphy og foreldre rapport brukes til å vurdere søvn rytmer (dvs. karakteriserer barn som vanlig eller ikke-vanlig nappers). PSG brukes til slutt å karakterisere søvn stadier og kvaliteter av disse fasene (for eksempel frekvenser og tilstedeværelsen av aksling) under lur. Fordelen med å bruke PSG er at det er det eneste verktøyet som er tilgjengelig for å vurdere søvnkvalitet og søvn arkitektur, og peker på den relevante hjerne tilstanden som støtter minne konsolidering. De viktigste begrensningene for PSG er hvor lang tid det tar å forberede innspillingen montasje og at opptakene er vanligvis tatt over en søvn kjøpt. Disse begrensningene kan overvinnes ved å engasjere unge deltakere i forstyrrende oppgaver under påføring og kombinere PSG med actigraphy og selv/foreldre rapport tiltak for å karakterisere søvn sykluser. Sammen, denne unike kombinasjonen av metoder gjør det mulig for undersøkelser i hvordan lur støtte læring i førskolebarn.

Introduction

Gitt søvn prevalens i vår daglige rutine, er det viktig å forstå dens funksjon. Studier med dette målet krever presis måling av søvn. Polysomnografi (PSG) er en gull-standard mål på søvn. PSG tillater objektiv, kvantitativ måling av søvn med høy Temporal oppløsning og kan være nyttig for både forskning og kliniske formål. PSG er en kombinasjon av fysiologiske innspillinger. Minst, en PSG montasje inkluderer følgende tiltak: Elektroencefalogram (EEG), electrooculography (EOG), og Elektromyografi (EMG). Disse tiltakene vurderer elektriske potensialer fra hjernen, øynene og musklene, og tillater klassifisering av søvn faser (se figur 1). Andre tiltak, slik som elektrokardiografi (EKG), åndedrett og puls oksymetri, kan inkluderes for å identifisere tilstedeværelsen av forstyrrelser i søvn.

Figure 1
Figur 1: eksempel plassering av elektrode og beskrivelse av aktivitet som er registrert via PSG. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

PSG lar søvnen karakteriseres i fire atskilte søvn trinn: ikke-rask øyebevegelse (ikke-REM) trinn 1 (nREM1; 4 − 7 Hz), ikke-REM-trinn 2 (nREM2; 12 − 15 Hz), og ikke-REM-trinn 3 (mer kjent som langsom bølge søvn [SWS], 0,5 − 4 Hz) og rask øyebevegelse (REM søvn. nREM1 markerer søvn utbruddet, og er identifisert basert på redusert muskeltonus i EMG Recoding og blandet amplitude EEG svingninger i forhold til Alpha observert i hvile kjølvannet. Dette etterfølges av nREM2, som kan skilles ved tilstedeværelsen av søvn aksling (korte pakker med Sigma frekvens aktivitet; 11 − 16 Hz) og K-komplekser (enkelt sakte-bølger som skiller seg ut fra den omkringliggende aktiviteten) i EEG. SWS er preget av distinkte langsom frekvens høy amplitude EEG svingninger. REM søvn er preget av rask lav amplitude oscillasjon hjerne aktivitet svært lik som observert under kjølvannet. Men hva skiller REM søvn fra kjølvannet er at det er også preget av phasic raske øyebevegelser (derav kallenavnet REM) og muskel atonia. I løpet av en søvn bout, søvn stadier oppleves syklisk, med en hastighet på ca 90 min/syklus.

Søvn følger også døgnrytmen, med søvnanfall som finner sted i 24-h sykluser. Søvn timing og konsistens kan påvirke søvn funksjon og er også viktig å vurdere. Selv om PSG er nødvendig for å karakterisere søvn faser, er det tidkrevende å anvende og derfor ikke ideelt for å vurdere flere søvn utbrudd (f.eks. flere netter med søvn, lur og overnatting i dvale). For dette er actigraphy gunstig. Actigraphy bruker en tri-aksial akselerometer, vanligvis på håndleddet, for å anslå søvn basert på fravær av bevegelse. Selv om actigraphy ikke kan brukes til å karakterisere søvn faser, har det vist seg å være pålitelig ved påvisning av søvn utbruddet og vekke utbruddet (inkludert søvn fragmentering eller reaktivering etter søvn utbruddet) i en rekke populasjoner fra spedbarn1 til eldre voksne2 . Både PSG og actigraphy er foretrukne metoder fremfor selv-/foreldre rapport tiltak. Selv/Parent-rapport tiltak er enkle å administrere og relativt billig, men de er også underlagt bias og manglende overholdelse. Til slutt er det verdt å merke seg at disse metodene kan brukes i kombinasjon for å kapitalisere på styrkene til hver. For eksempel kan PSG kombineres med actigraphy og/eller selv/forelder-rapport for å få både overnatting i søvnkvalitet, samt verifisering av søvn mengder eller søvn våkne sykluser, spesielt over lang tid (f.eks. uker eller måneder).

En funksjon av søvn som har fått spesiell interesse er søvn-avhengige minne konsolidering, behandling av minner som etterlater dem sterkere og mindre sårbare for interferens3. Selv om minne konsolidering kan skje under Vekking hos barn4 og voksne5, er det betydelige bevis for at konsolideringen forbedres under søvn. Tidligere forskning har gitt atferds eksempler på søvn avhengig minne konsolidering ved å sammenligne endringer i minne ytelsen etter et intervall med søvn (f.eks. 8 pm − 8 am) til endringer etter et tilsvarende intervall som er brukt våken (f.eks. 8 am − 8 PM). Hos voksne er minnene beskyttet6 eller enda forbedret7 etter et intervall på søvn, mens minnene vanligvis råtner over et tilsvarende intervall på kjølvannet. Kontroller har vært ansatt som distansere ytelse endres fra døgn påvirkninger8,9,10. For eksempel, lignende fordeler av sove er observert når sammenlignende gjennomførelse over en midt i-dag NAP å en ekvivalent midt i-dag våkne periode9.

Selv om søvn var en gang antatt å reflektere en passiv prosess, bare beskytte minner fra forfall eller interferens, moderne teorier tyder på søvn spiller en mer aktiv rolle og faktisk fremmer minnegjennom reaktivering ,13. Støtte for dette kommer fra observerte sammenhenger mellom atferdsmessige tiltak for minne konsolidering over søvn (endring i minnet husker etter søvn i forhold til før søvn) og bestemte aspekter ved søvn fysiologi. For mange Deklarasjons minne oppgaver, minne konsolidering er forbundet med aspekter av ikke-REM søvn, spesielt tiltak av SWS eller sove aksling funnet i nREM2 og SWS. Hvis søvn rolle var passiv beskyttelse mot interferens, ville en slik korrelasjon ikke forventes; snarere en sammenheng mellom tid sover (uavhengig av søvn scenen) og ytelse ville være forventet, som mer tid sover ville gi mer beskyttelse mot interferens14.

Ytterligere støtte for den aktive rollen SWS i minne konsolidering er tydelig i studier av målrettet minne reaktivering. I disse studiene, er et minne lært i sammenheng med en sanse stikkordet, for eksempel en lukt, og tilbakekalling av minnet er større følgende sove hvis stikkordet er re-presentert under søvn, SWS i særdeleshet15. Selv om den underliggende mekanismen er diskutert16,17, en fremtredende teori, systemer konsolidering teori, hevder at minnene kodet i hippocampus er stabilisert i cortex skjønt hippocampus-neocortical dialog. Nærmere bestemt, kortikale langsom bølger og søvn aksling, forekommer i forbindelse med hippocampus bølger knyttet til minne reaktivering, støtte minne overføring3.

Rollen til søvn i minnet konsolidering under utvikling er mindre klart. Tidlig barndom er en periode med spesiell interesse som barn begynner å overgangen fra en bifasisk (bestående av en midt på dagen lur og en overnatter sove bout) til en monofasisk sove mønster. Nyere forskning tyder på at denne overgangen kan gjenspeile hjernens modning18. Dette argumentet er konsistent med empiriske data som viser utviklingsmessige endringer i natts søvn (dvs. topografi langsom bølge aktivitet) speil som av kortikale modning19.

Selv om det er flere atferdsmessige demonstrasjoner av natten sove-avhengige konsolidering hos barn20,21 og spedbarn22, forskning på neural grunnlaget minne konsolidering med midt på dagen søvn er bare begynner å bli undersøkt. I banebrytende arbeid undersøker rollen midt på dagen lurer på minnet i førskolebarn, lur ble vist å beskytte minner fra nylig lært informasjon, mens minnet ble redusert (av ~ 12%) når barna oppholdt våken under lur intervall23. Denne "lur fordel" var størst inne barn hvem napped fast (i.e., 5 eller flere timene per uke idet målt med actigraphy) uten hensyn til deres alderen. Ved å spille inn PSG under lur, ble endringen i minne ytelsen over lur perioden funnet å være spesielt assosiert med søvn spindel tetthet (antall søvn aksling per minutt av REM), antyder NAP kvalitet (ikke kvantitet) var en kritisk faktor i å fremme minne bevaring (se delen med representative resultater).

Denne studien fremhever betydningen av PSG i å utforske forholdet mellom søvn og minne under utvikling. Det peker på viktigheten av karakteriserer søvn makro-(sove stadier) og mikro-(kvaliteter av disse stadiene som frekvenser og tilstedeværelsen av aksling) strukturer under lur for minne konsolidering. Det fremhever også viktigheten av å vurdere søvn rytmer (karakteriserer barn som vanlig eller ikke-vanlig nappers). Selv om vårt arbeid har preget funksjonen til lur i Tilegning læring (og mer nylig emosjonelle24 og prosessuelle25 læring), mange spørsmål gjenstår. For eksempel vil det være viktig å undersøke andre Deklarasjons minne oppgaver for å vurdere generalizability av disse funnene og for å vurdere oppgaver som brukes i førskole klasserom for å forstå spesifikke parametre (for eksempel mengde NAP fordel i forhold til læring) for økologisk gyldige oppgaver. Ytterligere arbeid vil også være nødvendig å forstå når kjølvannet er tilstrekkelig for minne konsolidering. Derfor er vårt mål å avmystifisere prosessen med å måle søvn-og søvn avhengig minne konsolidering hos barn. Vi gir praktiske tips for å undersøke nytten av en ettermiddag lur på Deklarasjons minne i typisk utvikle førskolebarn (ca 3 til 4 år) ved hjelp av en datastyrt Tilegning minne oppgave samt metoder for vurdering lur habituality ved hjelp av actigraphy, overordnet rapport og NAP-fysiologi ved hjelp av PSG. Selv om disse metodene ble utviklet for førskolealder barn som lur med varierende frekvens, kan disse metodene tilpasses alle aldersgrupper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Før begynnelsen noen forsknings prosedyrer, skriftlig samtykke bør innhentes fra den overordnede og verbale samtykke bør innhentes fra barnet for alle studie prosedyrer.

Merk: se figur 2 for en oversikt over prosedyrene.

Figure 2
Figur 2: oversikt over protokollen. Hver firkant representerer én dag. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

1. NAP forfremmelse forfatning

  1. Sikre det det NAP forfremmelse forfatning er balansert med det våkne forfremmelse forfatning vannrett deltakere idet omtalt neden.
  2. Planlegg lur forfremmelse betingelse for å begynne omtrent en time før barnets typiske lur periode for å gi tid til å bruke PSG og å gjennomføre Tilegning minne oppgaven. Sørg for at tiden mellom umiddelbar og forsinket tilbakekalling er den samme i forhold til kjølvannet og lur forfremmelse.
  3. Forklar prosedyrene for denne økten for barn og foreldre som bruker Alderstilpassede materialer.
    Merk: alder passende materialer inkluderer historiebøker eller korte videoer av et annet barn gjennomgår de samme prosedyrene.
  4. Bruk polysomnografi utstyr (se avsnitt 3).
  5. Utfør kodingen og den umiddelbare minne vurderingen for den Tilegning minne oppgaven (se avsnitt 4).
  6. Be barnet bruke toalettet og deretter starte barnets typiske pre-NAP rutine.
    1. La foreldre/omsorgsperson å sette barnet til å sove som de vanligvis ville. Forstyrre så lite som mulig fordi de fleste barn sovner raskere når det følger med deres vanlige rutine.
    2. La barnet til lur utnytte sine typiske lur plassering.
    3. Bruk lur forfremmelse teknikker, men bare når det er nødvendig da disse har vist seg mindre vellykket i hjemmet hvis de avviker for langt fra barnets normale rutine.
      Merk: NAP forfremmelse teknikker inkluderer bruk av en vektet teppe, gni deltakerens rygg, innpakning barnet i et teppe (ligner svøping), progressiv muskel avslapping, og spille beroligende musikk.
  7. Sørg for at tiden barnet sover i betingelsen for NAP-promotering, samsvarer med tiden de spiller i tilstanden for reaktivering av kampanjen.
    Merk: Hvis lur forfremmelse betingelsen er først, la barnet våkne naturlig og bruke denne varigheten til å angi varigheten av våken økten. Hvis den våkne forfremmelse betingelsen er først, kan du bruke denne varigheten til å bestemme lengden på lur. Hvis lur overstiger denne gangen, vekke barnet så naturlig som mulig ved å åpne døren, vandre rundt utenfor soverommet, og gradvis snakke høyere.
  8. Gjennomfør den forsinkede tilbakekallings vurderingen for den Tilegning minne oppgaven, ca. 15 − 30 minutter etter at barnet våkner for å unngå søvn treghet.
  9. Samle barn og eksperimentator vurdering for visuell søvnighet Scale (VSS)26 og visuell humør skala (VMS)27.
  10. Fjern PSG-elektroder.

2. våkne forfremmelse forfatning

  1. Sikre det det våkne forfremmelse forfatning er balansert med det NAP forfremmelse forfatning omtalt over.
  2. Planlegg den våkne forfremmelse betingelsen for å begynne omtrent en time før barnets typiske lur periode for å likestille tid på dagen på tvers av betingelser. Sørg for at tiden mellom umiddelbar og forsinket tilbakekalling er omtrentlig de samme mellom de våkne opprykk og lur forfremmelse forhold.
  3. Forklar prosedyrene for denne økten for barn og foreldre som bruker Alderstilpassede materialer.
  4. Påfør PSG-elektroder (se pkt. 3) for å likestille de våkne og lur forfremmelse forhold.
    Merk: selv om søvn ikke er forventet, dette tilsvarer forhold og kan brukes til å verifisere fraværet av søvn hvis du er i tvil.
  5. Utfør kodingen og den umiddelbare minne vurderingen for den Tilegning minne oppgaven (se avsnitt 4).
  6. Be barnet bruke toalettet og deretter gå videre til stedet de vanligvis lur.
    1. Ikke la barnet til å lur, i stedet, har barnet spille stille med ikke-stimulerende leker på samme sted som deres typiske lur.
      Merk: akseptabel ikke-stimulerende leker inkluderer små Sensorimotor leker som voks pinner og alder-passende sikringsanlegg plast murstein.
    2. La barnet spille for sine typiske lur lengde eller for den tiden de sov under lur forfremmelse tilstand (se trinn 1,7 for ytterligere informasjon).
    3. Record uvanlig aktivitet som å snakke, forlater rommet, og leker med leker som ikke er gitt.
  7. Sørg for at tiden barnet sover i betingelsen for NAP-promotering, samsvarer med tiden de spiller i tilstanden for reaktivering av kampanjen.
  8. Gjennomfør den forsinkede tilbakekallings vurderingen for den Tilegning minne oppgaven, ca. 15 − 30 minutter etter at barnet er ferdig med å spille for å holde forsinkelsestiden lik mellom forholdene.
  9. Samle inn barne-og eksperimentator rangering for VSS26 og VMS27.
  10. Fjern PSG-elektroder.

3. polysomnografi (PSG)

  1. Forberedelse
    1. Tilrettelegge PSG elektrode søknad ved at barnet engasjere seg i en rolig aktivitet som å lese en bok, leke med leke deig, spise en matbit hvis de er sultne, eller ser en kort film.
      Merk: Hvis en film brukes, må du sørge for at filmen er riktig alder, men ikke lokke fram rowdiness i barnet (f.eks. populære barnevennlige animasjonsfilmer eller serier).
    2. Det er ikke nødvendig å ha tilgang til foreldre eller foresatte. Men for sjenerte og foreløpige barn sikre at betrodde omsorgspersoner er tilgjengelige.
      Merk: for et lite antall barn kan foreldre og foresatte være forstyrrende istedenfor nyttig. Hvis dette er tilfelle, spør foreldrene om de ville være villige til å gå ut av barnets syn.
  2. Samle hode målinger.
    1. Bruk en fleksibel målebånd og Kina markør for å markere steder for etterfølgende elektrode søknad.
    2. Mål avstanden fra inion til nasion og Plasser et merke på halvveis. Mål avstanden fra preauricular hakk i det ene øret til preauricular hakk i det andre øret, og Plasser et annet merke på halvveis punktet. Skjæringspunktet mellom disse to merkene er "referanse" punkt (CZ).
    3. Mål 10% av inion til nasion avstand opp fra inion. Deretter måle ut 10% av preauricular hakk for å preauricular hakk måling fra dette punktet på hver side. Lag to merker, en på hver side (O3 og O4).
    4. Mål 20% av preauricular hakk for å preauricular hakk måling fra referansepunktet på hver side av hodet. Lag to merker, en på hver side (C3 og C4).
    5. Mål 20% av inion for å nasion avstanden opp fra referansepunktet. Deretter måle ut 20% av preauricular hakk for å preauricular hakk måling fra dette punktet på hver side. Lag to merker, en på hver side (F3 og F4).
  3. Klargjør én elektrode om gangen for plassering.
    1. Rengjør hver elektrodeplassering med en alkoholserviett. Eksfoliere med en litt slipende gel og deretter fjerne eventuelle rester av rengjøringsmateriale.
    2. Fyll hver elektrode ved hjelp av elektrode krem.
      1. For elektroder som plasseres der det er hår, Påfør en ekstra dråpe elektrode krem på et gasbind-kvadrat, og plasser den på baksiden av elektroden.
      2. For elektroder plassert i ansiktet, bruk medisinsk tape for å overholde elektroden til huden.
  4. Plasser en elektrode på hver tilsvarende EEG-, EOG-og EMG-lokasjon.
    1. Plasser en elektrode på hvert markerte sted i hodebunnen (CZ, O3, O4, C3, C4, F3 og F4).
    2. Plasser en elektrode på hver mastoid (liten bein prosess bak øret) og en i midten av pannen.
    3. Plasser en EOG-elektrode ved siden av hvert øye. Plasser en av disse elektrodene litt overlegen til utsiden av høyre øye (kalt ROC) og en til utsiden og litt dårligere enn venstre øye (kalt LOC).
    4. Plasser to EMG-elektroder rundt haken området. Plasser en elektrode på høyre kinn like over smilet linjen. Plasser den andre på venstre side like over der haken møter halsen, ved siden av spiserøret. Finn den andre plasseringen ved at deltakeren si ordet "melk" høyt mens følelsen for stedet der muskelsammentrekninger i nakken og haken er maksimal.
  5. Fest elektrodene til opptaksenheten og start opptaket.
  6. Registrer impedans avlesninger for alle elektroder. Sørg for at alle elektroder passerer impedans testen.
    Merk: noen enheter kan merke en "bestått" eller "Fail", mens andre enheter kan gi numeriske verdier. I sistnevnte, impedances under 25 kΩ er akseptable. Hvis en impedans svikter eller er for høy, ta ut og Skift ut batteriene. Hvis dette ikke endrer problemet, bruker du denne elektroden på nytt.
  7. Ved fullføring av hvert forhold, Fjern PSG-elektrodene.
    1. For elektroder påføres i håret, suge plasseringen av elektroden med en vannbasert spray. La spray til å sitte i ca ett minutt og deretter fjerne elektroden.
      Merk: detangling hår spray er svært effektivt med det formål å fjerne hår elektroder.
    2. For elektroder påføres med tape, vanligvis i ansiktet og mastoids, bruk en bomullsdott med baby olje brukt til å mette tapen. Når tapen er helt dekket i baby olje, forsiktig trekke tapen opp fra hjørnene.

4. Tilegning minne oppgave

  1. Administrere ni å-være-husket stimuli arrangert i en 3 x 3 matrise til barn yngre enn 44 måneders alder. Administrere de 12 å-være-husket stimuli arrangert i en 3 x 4 matrise til barn eldre enn 44 måneders alder.
    Merk: Hvis et barn tildelt 12-element matrise er for utfordret, 9-element matrise kan brukes. Likeledes, hvis det er tydelig at 9-element matrise er for lett, 12-element matrise kan brukes til å unngå tak effekter. Dette er berettiget fordi innenfor-faget nøyaktighet er av variabelen av interesse og ikke rå score. Stimuli er typisk tegneserie-lignende bilder av vanlige bilder (for eksempel Bjørn, bil, saks) arrangert i en matrise og presenteres på en bærbar skjerm. Det er to sett med stimuli. Denne innrømmer vervet å bli balansert vannrett det to vilkårene (i.e., NAP mot våkne forfremmelse) i den grad at barn ikke få det likt kinofilmene inne begge to vilkårene.
  2. Administrere oppgaven i tre faser: koding, umiddelbar tilbakekalling og forsinket tilbakekalling. For hver fase la barnet til å svare på hvert spørsmål i sitt eget tempo.
    Merk: typisk varighet er: 6 min for kodings fasen, 2 min for den umiddelbare tilbakekallings fasen, og 2 min for den forsinkede tilbakekallings fasen.
    1. I kodings fasen må du henvise barnet til å identifisere hvert bilde etter navn, og deretter instruere barnet til å huske plasseringen av hvert element i rutenettet. Etter koding blir kortene erstattet med «blanke» bilder, og barnet må da finne posisjonen til hvert bilde til de når en kodings poengsum på ≥ 75%.
      Merk: en terskel på 75% ble valgt basert på studier i unge voksne28,29,30 og reflekterer et punkt når læring er klart nådd, men ikke i taket.
      1. Under denne blokkeringen får deltakerne visuell tilbakemelding fra oppgaven etter hvert svar. Når barnet velger en Bildeplassering, avslører den tilknyttede bildet, informere barnet om det var riktig eller feil sted.
      2. Gi verbal tilbakemelding på ytelse for å motivere barnet, men sørg for at mengden tilbakemelding er konsistent på tvers av begge forholdene. Når barnet lykkes i å finne et bilde bruker språk som "Great jobb, du fikk det en!" Når et barn svikter bruker språket som fremhever barnets innsats (for eksempel "Uff! Ikke helt, men godt forsøk! La oss se om du kan få den neste. ").
      3. Gi barn som er tildelt til 12-element matrise som ikke kan passere koding etter 4 runder med en mulighet til å strekke, gjøre hopping knekt, og flytte i ca 5 min. Hvis barnet fortsatt ikke kan passere koding etter en ekstra 2 runder, starte koding med 9-element matrise.
      4. Gi barn tilordnet til 9-element matrise som får en koding score på 100% i første runde med koding oppgaven for 12-element matrise. Hvis de ikke går gjennom alle de nødvendige skritt for å slippe tilbake til 9-element matrise, bruke 12-element matrise for følgende to faser.
    2. Under den umiddelbare tilbakekallings fasen kan du presentere bildene på nytt, én om gangen, og be barnet om å hente frem den tilsvarende plasseringen. Ikke gi visuell eller verbal tilbakemelding, og bare granske hvert element én gang. Men gir tilbakemelding på innsats (dvs. "god jobb å gi din beste innsats").
    3. Utfør den forsinkede tilbakekallings fasen umiddelbart etter kjølvannet eller søvn tilstanden.
      Merk: denne fasen er identisk med den umiddelbare tilbakekallings fasen.
      1. Til tider vil barn bli masete under den forsinkede tilbakekallings fasen. Hvis dette skjer, lokke barnet til å fullføre oppgaven med en premie eller ved å tilby mer tid til å se sin film under PSG fjerning. I løpet av denne tiden ikke la barnet leke med leker eller engasjere seg i andre oppgaver til minnet oppgaven er fullført.

Figure 3
Figur 3: eksempler på skjermen vises under Tilegning minne oppgave. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

5. Actigraphy

  1. Programmere aktivitets klokken.
    Merk: aktivitets klokken er samplet ved 32 Hz, med en følsomhet på < 0,01 g. Aktiviteten lagres i 15-s epoker.
  2. Gi hver deltaker med en pre-programmert aktivitet ur og instruksjoner. Fortell forelderen at uret alltid skal brukes. Merk at det er vanntett, så det er ingen grunn til å fjerne enheten.
    1. Be barnet om å bruke uret på sin ikke-dominerende hånd kontinuerlig.
    2. Instruere foreldre til å trykke på knappen på siden av urskiven hver gang barnet sitt forsøk på å sove, og deretter igjen når de våkner.
      Merk: Dette genererer en hendelses markør i dataene som hjelper med scoring actigraphy.
  3. Gi forelderen en søvn dagbok (på samme måte som en logg eller et regneark) de kan registrere søvntider og se på fjerning.
    Merk: Dette hjelper også med scoring actigraphy.
    1. I søvndagboken, spør foreldrene til å gi en fullstendig logg over all søvn for antall dager at aktiviteten klokken vil bli slitt, inkludert tiden at barnet går til sengs, og når barnet våkner. Forelderen bør gi denne informasjonen for både lur og vanlig natts søvn. Be i tillegg foreldre om å oppgi informasjon om når Uret er fjernet.

6. data analyse

  1. Tilegning minne oppgave
    1. Beregn nøyaktigheten for hver tilbakekallings fase som prosent av elementer tilbakekalt.
    2. Beregn endring i tilbakekalling over lur og våkne intervaller som følger.
      1. Beregn endring i RecallNAP ved å trekke umiddelbare tilbakekalling nøyaktighet (før lur) fra forsinket tilbakekalling nøyaktighet (etter lur).
      2. Beregn endring i tilbakekallingkjølvannet ved å trekke umiddelbar tilbakekalling nøyaktighet (før kjølvannet) fra forsinket tilbakekalling nøyaktighet (etter kjølvannet).
  2. Psg
    1. Karakterisere søvn etapper i samsvar med standard poengberegningskriterier (f. eks AASM manual for scoring av søvn og tilknyttede hendelser v. 2,5).
    2. Oppdag søvn aksling ved C3 ved hjelp av spesialisert programvare ved å merke spindel onsets og forskyvninger.
    3. Kontroller søvn stadier og spindel onsets og forskyvninger med andre utdannet forsker. I tilfelle scorings ikke er konkordante, har en tredje trent målscorer gjøre konsensus avgjørelse.
    4. Analyser spindel tetthet ved hjelp av spesialisert programvare og en in-House MATLAB-kode basert på tidligere studier31. I korte trekk filtrerer du EEG-data fra 0,5 − 35 Hz. Vurder den maksimale spenningen mellom den identifiserte spindel utbruddet og offset den høyeste spindel amplituden. Bruk en rask Fourier-transformasjon av hver spindel for å identifisere den høyeste Spectral-frekvensen mellom 9 − 15 Hz24,32.
  3. Actigraphy
    1. Score aktivitets klokkedata ved hjelp av spesialisert programvare etter standardiserte protokoller20.
      Merk: flere dager og netter med data er nødvendig for å sikre påliteligheten til dataene. Som et minimum må deltakerne ha minst tre dager og tre netter med actigraphy data (dager og netter trenger ikke å være sammenhengende). Imidlertid er 5 netter å foretrekke, spesielt når disse dataene er av primær interesse33.
    2. Bruk søvn dagbok informasjon og hendelses markører (knappetrykk) for å verifisere søvn start og forskyvning.
      Merk: disse to elementene må være innenfor 20 min av hverandre for å score starten og slutten av et hvileintervall.
      1. Hvis en deltaker mangler søvn dagbok informasjon, hendelses markører eller dagbok-og hendelses markører ikke er innenfor 20 min av hverandre, kan du bestemme søvn start og offset manuelt32: Bestem søvn utbruddet ved de første tre minuttene med kontinuerlig søvn 33 og bestemme søvn forskyvning av de siste fem minuttene av kontinuerlig søvn34.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ved hjelp av prosedyrene som er beskrevet her, Kurdziel og kolleger23 undersøkt søvn-avhengige minne konsolidering under lur i førskolebarn. Resultatene viste barnas tilbakekalling nøyaktighet på Tilegning minne oppgaven etter en lur var bedre enn deres tilbakekalling nøyaktighet etter en tilsvarende periode der de forble våken (dvs. betegner en "lur fordel", Figur 4). Videre har de som tilbrakte dagen før i kjølvannet tilstanden ikke komme seg minner under natten søvn. Til slutt, actigraphy og foreldre rapporterte søvn tiltak ble brukt til å undersøke om NAP fordelen var åpenbar i både faste og ikke-faste nappers. Funnene avslørte NAP fordelen var bare signifikant hos barn som napped regelmessig (dvs. vanlig nappers, figur 5).

Figure 4
Figur 4: Recall nøyaktighet på Tilegning minnet oppgaven ble testet umiddelbart etter koding ("umiddelbar"), etter NAP mulighet ("forsinket"), og igjen neste dag ("24-hour") på tvers av to betingelser: en lur-forfremmet tilstand (grå og vekke tilstand (hvite striper). Feilfelt representerer ± 1 SE. Dette tallet er gjengitt med tillatelse fra Kurdziel et al.23. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: endring i tilbakekalling nøyaktighet (forsinket tilbakekalling minus umiddelbare tilbakekalling) over lur (grå barer) og våkne (hvite søyler) intervaller for vanlige nappers (som tok fem til syv lur per uke) og ikke-vanlig nappers (de som tok null til to lur per uke). Feilfelt representerer ± 1 SE. Dette tallet er gjengitt med tillatelse fra Kurdziel et al.23. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

PSG ble brukt til å undersøke forholdet mellom søvn fysiologi og NAP-avhengig minne konsolidering i både fast og ikke-fast sover barn. Det var en betydelig negativ korrelasjon mellom umiddelbar tilbakekalling nøyaktighet og søvn spindel tetthet. Jo bedre et barn som utføres ved umiddelbar tilbakekalling, jo færre søvn aksling de viste under nREM2 søvn (figur 6a). Dette er i overensstemmelse med tidligere studier som rapporterer en negativ korrelasjon mellom søvn og IQ35. Viktigere var det en positiv sammenheng mellom endring i tilbakekallingNAP og sove spindel tetthet under NREM2 (figur 6b). Men ingen andre mål på søvn fysiologi (dvs. spindel amplitude, spindel frekvens, etc.) var knyttet til minneytelse.

Figure 6
Figur 6: Sleep spindel tetthet (aksling per minutt av ikke-REM scene 2 søvn) foreninger med (A) umiddelbar tilbakekalling nøyaktighet og (B) endringen i tilbakekalling nøyaktighet fra umiddelbar til forsinket tilbakekalling fase. Dette tallet er gjengitt med tillatelse fra Kurdziel et al.23. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

I sum, disse resultatene viser at lur er forbundet med forbedret minne konsolidering, spesielt i vanlig nappers. NAP-relaterte forbedringer i minne ytelsen er relatert til søvn fysiologi vurdert av PSG i tidlig barndom. PSG er derfor en viktig metode for å forstå mekanismene som ligger til grunn forholdet mellom søvn-og minne konsolidering i tidlig barndom. Sammen, disse resultatene tyder på at lur er avgjørende for langsiktig minne konsolidering hos barn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne artikkelen beskriver hvordan du undersøker søvn avhengig konsolidering av forklarende minne under lur i tidlig barndom. Metoder inkluderer atferds vurdering av hukommelse over lur og våken forhold, actigraphy og foreldre-rapport for å vurdere søvn sykluser, og PSG å vurdere søvn arkitektur. Denne unike kombinasjonen er avgjørende for å vurdere hukommelse, karakteriserer søvn sykluser, og undersøke de nevrale mekanismer underliggende fordel for søvn på minne. Representative resultater tyder på at læring og hukommelse var avhengig av midt på dagen søvn, spesielt for vanlig nappers. Nærmere bestemt viste vanlig nappers en større nytte av å sove i forhold til å holde seg våken (dvs. NAP nytte score). I tillegg, på tvers av alle barn, bedre oppbevaring over lur perioden (dvs. NAP endre score) var relatert til søvn aksling registrert under nREM2; større oppbevaring over lur var forbundet med mer søvn aksling. Selv om kombinasjonen av metodene som er beskrevet er avgjørende for full karakterisering av virkningen av søvn på minne, kanskje det viktigste aspektet ved denne metoden er identifisering av underliggende nevrale mekanismer knyttet til denne effekten ved hjelp av PSG. I dag er PSG den eneste metodisk verktøy som gjør det mulig for karakterisering av søvnkvalitet via måling av søvn etapper. Dermed er det den eneste metoden som gjør det mulig for innsikt i nevrobiologiske mekanismer underliggende søvn-avhengige effekter, for eksempel minne konsolidering.

Hovedfordelene med PSG inkluderer det faktum at det er ikke-invasiv og gir mulighet for karakterisering av fire søvn etapper, inkludert søvn faser REM 1 − 3 og REM. Det mest kritiske steget for å anskaffe PSG er grundig rengjøring av elektrode områder før påføring for å oppnå lav impedances og påfølgende høykvalitets data for å realisere denne fordelen. En annen fordel er at PSG er bærbart og enkelt å administrere, selv i små barn. Videre kan teknikken endres for å øke oppløsningen. Selv om vi beskriver en lav tetthet montasje av 7 EEG elektroder, høyere tetthet EEG montasjer bruker spesialiserte caps for å undersøke topografisk distribusjon av søvn-relatert aktivitet som søvn aksling kan også brukes. Dette kan være nyttig som topografi endringer developmentally14; disse systemene er imidlertid ikke oppegående og kan være mindre komfortable. Til slutt, selv om vi beskriver hvordan å spille PSG i midten av dagen søvn, kan den samme metoden brukes over natten for å undersøke søvn i andre perioder, inkludert overnatting søvn. Den kan også modifiseres for klinisk bruk for å vurdere søvnforstyrrelser (dvs. inkludering av EKG, åndedrett, puls okse). Vi beskriver hvordan data innhentet under PSG kan være relatert til søvn avhengig konsolidering av forklarende minner (dvs. Tilegning minne). Men andre typer minne (f. eks, prosessuelle minne, emosjonelle minne, språk, osv.) og deres forhold til søvn komponenter kan også undersøkes23,28,25,36,37 ,38.

Den viktigste begrensningen for PSG er tiden det tar å bruke elektrodene. Hos barn kan dette være spesielt viktig som de er utsatt for kjedsomhet og begrenset oppmerksomhet. Disse effektene kan reduseres ved å gi motiver med distraktorene under administrering (f.eks. leker, bøker, videoer). I tillegg registrerer PSG vanligvis aktivitet under én søvn kamp. Den kan imidlertid kombineres med egen rapport og/eller actigraphy for å få innsikt i søvn mengder eller søvn våkne sykluser over lengre varighet (f.eks. uker eller måneder). Til slutt kan PSG være ubehagelig, og forstyrre søvnen til tider. Merk at av denne grunn kan en tilpasning sove bout vurderes. Dette må veies opp mot den ekstra byrden som er plassert på deltakeren og utfordringene som skal rekruttere til studien.

Selv om PSG er kritisk for å undersøke nevrobiologiske mekanismer underliggende søvn avhengige effekter, forsvarlig administrasjon av alle andre aspekter av protokollen beskrevet (dvs. atferdsdata vurdering av minne over lur og våken forhold, actigraphy og foreldre-rapport av søvn sykluser), er avgjørende for å realisere sitt fulle potensiale. Det mest kritiske trinnet i administrasjon av NAP-og våkne kampanje betingelser er å sikre at tiden mellom umiddelbar og forsinket tilbakekalling er den samme mellom betingelsene, og at forstyrrelsene minimeres under den våkne kampanje tilstanden. Den tidligere kan oppnås ved å følge klare protokoller og riktig dokumentasjon av tid for hver sesjon for hver deltaker. Sistnevnte kan oppnås ved overvåking av barnets aktivitet i kjølvannet tilstand og gi dem, bare når det er nødvendig, aktiviteter som er minst sannsynlig å gripe inn (for eksempel for Tilegning minne oppgave som kraner forklarende minne unngå aktiviteter som engasjerer forklarende systemer som bøker eller verbal materiale).

Som konklusjon, PSG er gull-standard vurdering av søvnkvalitet. Det gir mulighet for objektiv, kvantitativ måling av søvn med høy Temporal oppløsning som kan være nyttig for å bedre forstå søvn funksjon. Når sammenkoblet med annet verktøy (e.g., opptreden vurderingen av hukommelse, actigraphy, og foreldre-rapportere av sove) den kanne utbytte betydelig og interessant resultater angående hvor sove bidrar å rask kognitiv utviklingen av ung barn.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil gjerne takke nevrokognitive Development Lab ved University of Maryland, College Park og Somneuro Lab ved University of Massachusetts, Amherst for å få hjelp med dette prosjektet. Finansiering ble gitt av NIH (HD094758) og NSF (BCS 1749280) til TR og RS. Representative resultater ble finansiert 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. 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Rasch, B., Born, J. About sleep's role in memory. Physiological Reviews. 93, 681-766 (2013).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Sonni, A., Spencer, R. M. C. Sleep protects memories from interference in older adults. Neurobiology of Aging. 36 (7), 2272-2281 (2015).
  7. Marshall, L., Helgadóttir, H., Mölle, M., Born, J. Boosting slow oscillations during sleep potentiates memory. Nature. 444 (7119), 610-613 (2006).
  8. Baran, B., Wilson, J., Spencer, R. M. C. REM-dependent repair of competitive memory suppression. Experimental Brain Research. 203 (2), 471-477 (2010).
  9. Diekelmann, S., Born, J. The memory function of sleep. Nature Reviews Neuroscience. 11 (2), 114-126 (2010).
  10. Stickgold, R. Sleep dependent memory consolidation. Nature. 437 (27), 1272-1278 (2005).
  11. Dudai, Y., Karni, A., Born, J. The consolidation and transformation of memory. Neuron. 88 (1), 20-32 (2010).
  12. Feld, G. B., Born, J. Sculpting memory during sleep: concurrent consolidation and forgetting. Current Opinion in Neurobiology. 44, 20-27 (2017).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Oudiette, D., Paller, K. A. Upgrading the sleeping brain with targeted memory reactivation. Trends in Cognitive Sciences. 17 (3), 142-149 (2013).
  16. 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).
  17. Antony, J. W., Schapiro, A. C. Active and effective replay: systems consolidation reconsidered again. Nature Reviews Neuroscience. , (2019).
  18. 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).
  19. Kurth, S., Ringli, M., Geiger, A., Lebourgeois, M., Jenni, O. G., Huber, R. High-density sleep electroencephalogram study. Journal of Neuroscience. 30 (40), 13211-13219 (2010).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Maldonado, C. C., Bentley, A. J., Mitchell, D. A pictorial sleepiness scale based on cartoon faces. Sleep. 27 (3), 541-548 (2004).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Geiger, A., et al. The sleep EEG as a marker of intellectual ability in school age children. Sleep. 34 (2), 181-189 (2011).
  36. 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).
  37. Gómez, R. L., Bootzin, R. R., Nadel, L. Naps promote abstraction in language-learning infants. Psychological Science. 17 (8), 670-674 (2006).
  38. 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).

Tags

Nevrovitenskap polysomnografi minne konsolidering actigraphy sove aksling Tilegning minne tidlig barndom lur sove
Måle nevrale mekanismer underliggende søvn-avhengige minne konsolidering under lur i tidlig barndom
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Allard, T., Riggins, T., Ewell, A.,… More

Allard, T., Riggins, T., Ewell, A., Weinberg, B., Lokhandwala, S., Spencer, R. M. C. Measuring Neural Mechanisms Underlying Sleep-Dependent Memory Consolidation During Naps in Early Childhood. J. Vis. Exp. (152), e60200, doi:10.3791/60200 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter