閉ループ経頭蓋神経刺激による睡眠中の脳接続変化によるメタ記憶感受性の予測パート 1
May 17, 2024
抽象的な
メタ記憶には、記憶の正確さを正しく判断する能力が含まれます。 記憶の想起は睡眠中に経頭蓋電気刺激 (tES) を使用して改善できますが、メタ記憶感度の改善に関する証拠は限られています。
記憶の回復とは、記憶の忘却が起こったときに、さまざまな手段を通じて脳に保存された情報を検索するプロセスを指します。 私たちの日々の学習生活において、記憶の検索は非常に重要なリンクです。 学んだ知識を定着させるだけでなく、記憶力の向上にも役立ちます。
記憶は情報を保存し思い出す能力であり、学習と切り離すことはできません。 強力な記憶力があって初めて、私たちはより多くの知識とスキルを習得し、日常生活でより大きな役割を果たすことができます。
記憶の検索と記憶は密接に関係しています。 記憶の想起とは、特定の知識を使用する必要があるときに、それを検索して思い出すことであり、この検索と想起のプロセスが記憶の想起です。 記憶力が十分に強くないと、記憶を呼び出すのが難しくなり、忘れてしまう可能性があり、学習効果や成績に影響を及ぼします。
したがって、記憶力を向上させることは簡単なことではありませんが、記憶力を高めるためにいくつかの科学的な方法やテクニックを使用することができます。 たとえば、繰り返し学習することで記憶を定着させたり、連想スキルを使用して記憶をさらに深めたり、さまざまな方法で脳を活性化して記憶力をさらに向上させることができます。
つまり、記憶の想起と記憶は密接に関係しているのです。 強力な記憶力がある場合にのみ、記憶の検索をより適切に実行し、より良い学習結果を達成することができます。 勇気を持って自分自身に挑戦し、継続的な学習と練習を通じて記憶力を向上させ、将来への強固な基盤を築きましょう。 私たちは記憶力を向上させる必要があることが分かります。カンクサは多くのユニークな効果を持つ伝統的な漢方薬素材であり、そのうちの 1 つは記憶力の向上であるため、カンクサは記憶力を大幅に向上させることができます。 カンクサの効能は、タンニン酸、多糖類、フラボノイド配糖体などを含む複数の有効成分に由来しています。これらの成分は、さまざまな経路を通じて脳の健康を促進します。
tES を適用すると睡眠依存の記憶の強化が可能になり、メタ記憶とともに分散神経系全体の活動の調整が必要になるため、機能的接続性を調べることがこれらのプロセスを理解する上で重要であることが示唆されます。
それにもかかわらず、機能的接続性の変調がメタメモリの感受性の一晩の変化にどのように関係しているのかを調べた研究はほとんどない。 ここで我々は、人間の特定の記憶再生の手がかりとなる、進行中の遅波振動のアップ状態にタイムロックされた閉ループ短時間tES法を開発した。 私たちは、刺激パルス後の脳波 (EEG) コヒーレンスの変化を測定し、グラフ理論の測定基準を使用してネットワークの変化を特徴付けました。
機械学習技術を使用して、パルス化された tES がシータ帯域での接続性の向上やスピンドル帯域での効率の向上など、複数の周波数帯域でネットワークの変化を引き起こすことを示します。 さらに、刺激によって引き起こされるベータバンド経路長の変化は、メタメモリー感度の一晩の変化を予測するものでした。
これらの発見は、睡眠中の脳刺激による記憶能力の向上を研究する増え続ける文献に新たな洞察を加え、その効果を説明するために機能的接続性を調べることの重要性を強調している。
著者の概要
多くの研究が、睡眠と記憶の間に明確な関連性があることを実証しています。つまり、記憶は睡眠中に強化され、より安定した長期的な記憶が得られるということです。
我々は以前、エンコード中に脳刺激の特定のパターンでエピソードをタグ付けし、睡眠中にそれらのパターンを再生すると、この統合プロセスが強化され、記憶の信頼性と意思決定（メタ記憶）が向上する可能性があることを示しました。
ここでは、この研究を拡張して、メタ記憶の改善を予測する、睡眠中の刺激後に起こるネットワークレベルの脳の変化を調べます。 グラフ理論と機械学習の手法を使用して、ベータバンドの経路長における刺激誘発性の変化がメタメモリの一晩の改善を予測することを発見しました。
この新しい発見は、記憶固定の神経メカニズムに新たな光を当て、メタ記憶を改善するための潜在的な応用を示唆しています。
導入
脳には、短い出会いやエピソード、さらには「ワンショット」の出会いさえも、長く残る思い出に変える驚くべき能力があります。 これは、不安定な状態にある記憶が睡眠中に再生され、より安定した表現に変換される、記憶の統合として知られるプロセスを通じて発生します。 しかし、記憶の再生を成功させるには制御プロセスと意思決定が必要であり、睡眠中に定着した記憶であっても、その真実性にほとんど自信がなければ、思い出したり取り戻すのは困難な場合があります(Koriat & Goldsmith、1996)。
メタ記憶感度、つまり自分の記憶の正確さを自信を持って判断できる個人の能力は、記憶の使用において重要な役割を果たします。 たとえば、犯罪の目撃者は、エピソードの重要な詳細をうまく暗号化できたかもしれないが、記憶に自信がなく、誤った判断につながる可能性があります (Luus & Wells, 1994; Memonet al., 2003; Sporer et al., 1995) 。
したがって、記憶の検索だけでなくメタメモリの感度も向上させることが非常に重要です。 ここでは、個人が眠っている間の介入による感受性の改善を調査しました。睡眠中、以前にコード化された記憶を表す神経細胞集団は、海馬と新皮質領域の両方で再活性化されます（Euston et al., 2007; Ji & Wilson, 2007; Nádasdyet al., 1999;Sirota et al.、2003;Skaggs および McNaughton、1994)。
記憶の再生は主に徐波睡眠中に観察され、特に進行中の 0.5 ～ 1.2 Hz 振動の正の段階またはアップ状態中に観察されます (Lee & Wilson, 2002;Mölle & Born, 2011)。 エンコーディングに特有のニューロン パターンの再活性化には、紡錘体として知られる 12 ～ 15 Hz の視床皮質振動活動と、波紋と呼ばれる海馬内の短期間の高周波バーストが伴います (De Gennaro & Ferrara、2003; Mölleet al.、2006)。
リプレイ、紡錘体、波紋の複雑な調整は、記憶の長期保存への統合を促進したり、海馬から新皮質へ記憶を転送したりするために不可欠である(McClelland et al., 1995; McGaugh, 2000; Rasch & Born, 2013; Staresina 他、2015)。
記憶の統合は、後の思い出しを容易にするだけでなく、その人の将来の記憶への自信にも関係する可能性があります。 すなわち、定着は記憶を強化し、学習を改善することができ(Walker & Stickgold、2004)、記憶に対する信頼は記憶の忠実度と関連している(Dallenbach、1913)。
したがって、介入によって固定プロセスをターゲットにすることは、検索の成功だけでなく、メタ記憶の感受性にも利益をもたらす可能性があります。 過去 10 年間にわたり、研究者は外部操作を通じて記憶の固定プロセスを促進する方法をますます研究してきました。 これらの介入研究は、睡眠依存の記憶の定着が 2 つの方法で強化できることを示しています。
第一に、記憶の再活性化は、エンコード中に存在した匂いや音などの外部感覚の合図に個人を再曝露することによって、睡眠中に引き起こされる可能性があります (Antony et al., 2012; Oudiette & Paller, 2013; Schreiner & Rasch, 2014; Rasch et al. 、2007;Rudoy et al.、2009）。 このキューの再アクティブ化は、以前にキューに関連付けられていた特定のアイテムを思い出す際の利点につながります。
第二に、睡眠中に特定の周波数で脳に経頭蓋電気刺激（tES）を適用すると、内因性電気生理学的プロセスが強化され、記憶の固定化とその後の認識または想起の促進につながる可能性があることが、複数の研究で示されている（Ketz et al., 2018; Ladenbauer et al. 、２０１６、２０１７；Ｌｕｓｔｅｎｂｅｒｇｅｒｅｔ ａｌ．、２０１６；Ｍａｒｓｈａｌｌ ｅｔ ａｌ．、２００６、２００４；Ｗｅｓｔｅｒｂｅｒｇ ｅｔ ａｌ．、２０１５）。
これらの研究は、睡眠中のtES後の記憶想起パフォーマンスが全体的に向上することを実証しました。 重要なことに、この刺激に関連した記憶への利点は、脳領域間の機能的接続における周波数特異的な変化による可能性がある(Krause et al., 2017)。
要約すると、これまでの研究は、睡眠中の神経刺激によって記憶の想起が強化される可能性があることを示しており、これらのエピソードに対する個人のメタ記憶感受性がより高まること、つまり記憶に関する判断の正確さと信頼性との相関性がより高まることを示唆する可能性があります。
実際、いくつかの研究では、中断されない健康的な睡眠と無傷のメタ記憶判断との関係が実証されています (Daurateet al., 2010)。 ただし、他の研究では、一次決定 (認識判断) と二次決定 (信頼判断) が乖離していることが実証されているため、これは当てはまらない可能性があります。Del Cul et al., 2009; Hebart et al., 2016; Rounis et al.、2010）。
記憶の信頼性は時間の経過とともに低下する可能性があるため（Shapira & Pansky、2019）、記憶報告のエラーや意思決定の低下につながる可能性があるため、これは重要です。
前頭前皮質の神経刺激は、一般知識の質問に対する記憶モニタリングを改善することが示されており（Chua&Ahmed、2016; Chua et al.、2017）、前頭極皮質の活動を抑制するシータバースト刺激はメタ認知的判断に影響を与えました（Ryals et al. 、2016)、tEStechniques が、新しくワンショットでエンコードされたエピソードの記憶感度を改善および維持するのに効果的である可能性があることを示唆しています。
実際、私たちの研究室での最近の研究では、tES の独自の時空間振幅変調パターン (STAMP) を使用して、睡眠の定着と、没入型仮想現実で取得された特定のエピソード記憶の判断の感度を高めることができることが示されました (Pilly et al., 2020)。
この論文では、睡眠中の短期間のtESパターン（つまりSTAMP）に続く機能的接続性の変化を調査することにより、キューイング記憶の再活性化に関する以前の研究を拡張します。
機能的接続性は、覚醒中のtES（Polanía et al., 2011, 2012）および睡眠中の記憶の固定（Mölleet al., 2004）によって影響を受けることが以前に示されている。 さらに、脳内の記憶の固定化は、脳構造全体にわたる短距離通信と長距離通信の組み合わせによってサポートされているという点で、システムレベルのプロセスであると考えられています（Staresina et al.、2015）。
前頭皮質、楔前部、海馬を含む脳領域の分散ネットワーク間の接続が記憶とメタ認知的判断をサポートしていることが研究で示されているため、これはメタ記憶に似ていると考えられます (Baird et al., 2013; Molenberghs et al., 2016; Morales)ら、2018;Ren ら、2018;Ye ら、2019）。
したがって、機能の接続性の変化がこのプロセスにどのように関係しているかを理解することが重要です。 しかし、私たちの知る限り、睡眠中の刺激による機能的接続の変化が記憶の固定化や意思決定のプロセスにどのような影響を及ぼしたり、関連したりするのかを調べた研究はこれまでにありません。
機能的接続性の変化を調べるために、EEG コヒーレンスの尺度 (Nunez、1995)、特にコヒーレンスの虚数部 (Nolte et al.、2004) を使用し、グラフ理論分析を使用してコヒーレンス データから接続性の特徴を抽出しました (Bullmore & Sporns) 、2009;スポンズ、2003）。
このアプローチは、脳の機能的接続を相互接続されたグラフとしてモデル化し、ネットワーク構造と機能の間の関係の探索を可能にします。
私たちはスピンドル帯域の接続性の変化に興味を持っていましたが、多くのスペクトル帯域の活動がメモリプロセスに関連しているため、分析を他のいくつかの周波数帯域を含めるように拡張しました (Hanslmayr & Staudigl, 2014; Hanslmayr et al., 2012; Lisman & Jensen, 2013）。 次に、機械学習ベースの技術を使用して、アクティブ刺激条件とシャム刺激条件を区別し、エピソード記憶動作の一晩の変化を予測するための重要なグラフ理論的特徴を決定しました。
このようにして、特定のエピソード記憶に対するメタメモリ感受性の変化に関連する、パルスtES後の機能的接続性の変調についての新たな洞察が得られます。
材料と方法
この論文で報告された参加者は、Pilly et al.(2020) と同じ参加者グループです。 彼らは、エピソード情報のエンコード中にtES（つまりSTAMP）の独特の短い時空間パターンを受け取り、その半分は、特定の関連記憶の再活性化の合図（活動状態）を促すために、その後の夜の徐波振動（SWO）のアップ状態中に再適用されました。
別の時点で、同じ個人が脳刺激なしで記憶課題を実行しました (偽条件)。
したがって、我々は、アクティブ刺激条件とシャム刺激条件の間で異なる機能的接続性の変化だけでなく、睡眠前から睡眠後までの特定のエピソード記憶の想起の変化に関連するSTAMP後の接続性の変化にも興味を持った。
参加者
合計 30 人の健康な参加者が実験を完了しました。参加者はニューメキシコ大学のキャンパスとその周辺地域に置かれたチラシを使用して募集され、研究完了時に金銭の報酬を受け取りました。
これらのうち、6 人の参加者は、活動的な夜間に刺激を与えるための機器の故障、またはタスクの指示に従わなかったため、分析から除外されました。
追加の 6 人の参加者からの睡眠 EEG データは、過剰なアーティファクトのため機能的接続性測定値の計算に使用できなかったため、最終分析とレポートには N=18 人の参加者が含まれることになりました。 すべての参加者は、チェサピーク治験審査委員会によって承認された、研究に参加するための署名済みのインフォームドコンセントを提供しました。
参加者は全員英語を母国語とし、正常または正常に矯正された聴覚および視覚を有し、神経障害または精神障害、または薬物乱用の病歴はありませんでした。
行動パラダイムと手順
実験手順の概要を図 1 に示します。実験は、参加者を訓練して実験室で眠らせるための順応期間と、その後の学習とテストを伴う 2 日間の実験で構成されています。
順応の夜は、参加者が研究室で寝ることに慣れるためだけのものであり、この期間から脳波データは記録されず、分析もされませんでした。 参加者は最初の実験の夜に情報を暗号化しました。 テーマ記憶タスクは、HTC Vive VRheadset を使用して管理される仮想現実エピソードの視聴と、その後のエピソードの詳細に関するいくつかの記憶想起テストで構成されていました。
参加者は、集合住宅の周囲で 2 人以上のキャラクターが何らかの行動を起こす一連の出来事を描写する、それぞれ約 1 分間続く 14 個の仮想現実のビネットをコード化しました。 追加のより長いビネットは、順応期間中に参加者を訓練するために使用されました。 参加者は、MATLAB に組み込まれた非 VR コンピュータータスクを使用して、48 時間にわたって実施された 5 つのテスト セッションにわたって、ビネットの記憶力をテストされました。
各ビネットについて、ビネットの特定の側面に関する真/偽ステートメントからなる 10 個のテスト項目が作成されました。 5 つのテスト リストのそれぞれには、各ビネットに 2 つずつ、計 28 項目が含まれていました。参加者は、テスト ステートメントが True/False かどうか、および再現の信頼度を 1 ～ 10 のスケールで報告しました。 参加者は3晩とも研究室で寝た。
この手順は、4 回の実験セッションと 1 回の順応セッションで構成されました。 順応セッションでは、参加者は長い練習風景を見て練習テストの質問に答え、その後研究室で眠りました。 次の最初の実験セッション (セッション 1) では、参加者は実験刺激をコード化しました。
参加者の半数はビネットの閲覧中に固有の STAMP を持つ固有の tES を受け取りました (アクティブ条件) が、残りの半数は刺激をまったく受け取りませんでした (シャム条件)。 参加者は、約 1 週間の間隔をあけてさらに 2 晩の実験で反対の刺激条件を受けました。ビネット閲覧手順を完了した後、参加者は最初の記憶想起テストを受け、その後研究室で一晩眠りました。 順応の夜ではなく、この夜を「第 1 夜」とみなしました。
アクティブ状態の参加者は、夜間に特定の記憶の定着を促すために、STAMP の半分を夜間に受け取りました。 対照的に、偽条件の参加者は夜間に刺激を受けませんでした。 この研究デザインにより、エンコード中および睡眠中に STAMP 刺激を受けたエピソード (タグ & キュー) と、エンコード時にのみ刺激を受けたエピソード (タグ & キューなし) の記憶パフォーマンスを比較できることに注意してください。 接続性分析では、タグとキューおよびシャム (エンコードまたは睡眠刺激なし) 条件に焦点を当てました。
参加者が目覚めた後、2回目の記憶テストが行われ、実験セッションは終了しました。2回目の実験セッション（セッション2）は、最初のセッション後の夕方に行われました。参加者は夕方に3回目の記憶テストを受け、就寝し、そして起きた後にもう一度記憶力検査を受けました。
研究室でのこの 2 回目の睡眠期間を「第 2 夜」とみなしました。 アクティブなグループ参加者は、夜の間に再び STAMP を受け取りました。 最後の記憶力テストは夕方遅くに実施されました。 反対の刺激条件（セッション 3 および 4）では、参加者は 14 個のビネットの新しいセットを閲覧し、対応する記憶想起テストを 2 日間にわたって実施しました。 このように、実験は被験者内での操作であり、アクティブ条件とシャム条件が約 1 週間間隔で発生しました。
刺激条件の順序の割り当て (アクティブが最初とシャムが最初) およびビネットの割り当ては、参加者間でバランスがとれました。 この論文で報告された分析は、STAMP 刺激の最大の行動効果が見つかった夜 2 に焦点を当てています (詳細については、Pilly et al., 2020 を参照)。
For more information:1950477648nn@gmail.com
