Ефекти от натоварването на работната памет и CS-US интервалите върху кондиционирането на забавяне на премигването

Кондиционирането на мигането на очите се използва при много видове за изследване на двигателното обучение и за правене на изводи за функцията на малкия мозък. Въпреки това, несъответствията в представянето между хората и другите видове, съчетани с доказателства, че волята и осъзнаването могат да модулират ученето, предполагат, че кондиционирането на мигане не е просто пасивна форма на учене, която разчита само на малкия мозък.

Условните рефлекси и паметта са тясно свързани. Когато сме изложени на някои стимулиращи неща или ситуации, мозъците ни автоматично реагират на тях. Това е условен рефлекс. С течение на времето тези отговори стават автоматични и стават част от ежедневното ни поведение. Ето защо започваме да танцуваме, когато чуем мелодия или се чувстваме щастливи, когато видим кученце.

А паметта е ключов компонент на нашия мозък. Той е отговорен за съхраняването на информация от тези реакции, така че да можем да се възползваме от нея по-късно в живота. Комбинирайки го с условни рефлекси, можем да запомним по-добре информация и умения, свързани с определени ситуации, като по този начин допълнително подобряваме паметта си.

Например, когато научим нов речник, можем да интегрираме тези думи в ежедневието си и да ги комбинираме с определени ситуации. Например, когато видите маса, се сещате за думата бюро. По този начин, чрез условни рефлекси, ние можем да запомним тези нови думи в съзнанието си по-бързо.

Накратко, между условните рефлекси и паметта има неразривна връзка. Когато можем да се възползваме напълно от тази връзка, можем по-добре да реализираме потенциала на мозъка си и да подобрим способностите си за учене и памет. Вижда се, че трябва да подобрим паметта си. Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola е традиционен китайски лекарствен материал с много уникални ефекти, един от които е да подобрява паметта. Ефикасността на мляното месо идва от различните активни съставки, които съдържа, включително киселина, полизахариди, флавоноиди и др. Тези съставки могат да насърчат здравето на мозъка по различни начини.

Щракнете върху познайте 10 начина за подобряване на паметта

Тук проучихме два начина за намаляване на влиянието на волята и осъзнаването върху кондиционирането на мигащите очи: (1) използване на кратък интерстимулен интервал и (2) каране на участниците да изпълняват задачи на работната памет по време на кондиционирането.

Нашите резултати показват, че участниците, обучени с кратки интерстимулни интервали (150 ms и 250 ms), произвеждат много малко условни реакции след 100 опита. Участниците, обучени с по-дълъг интерстимулен интервал (500 ms), които едновременно изпълняват задачи за работна памет, произвеждат по-малко условни отговори от участниците, които са гледали филм по време на обучението. Нашите резултати предполагат, че карането на участниците да изпълняват задачи на работната памет по време на кондициониране на мигането на очите може да бъде жизнеспособна стратегия за изучаване на малкомозъчното обучение, което отсъства от влияния от осъзнаване и воля. Това би могло да подобри сравнимостта на резултатите, получени при проучвания върху хора, с тези при животински модели.

ВЪВЕДЕНИЕ

Кондиционирането на мигането на очите е широко използвана експериментална парадигма за изучаване на асоциативното обучение. При кондициониране на мигане, субектът се научава да мига в отговор на условен стимул (CS), като например атон, последван многократно от безусловен стимул, предизвикващ мигане (US). При кондициониране на забавено мигане, началото на US започва преди края на CS, докато при кондициониране на проследяване на мигане има интервал от време между края на CS и началото на US. Времето на условния отговор (CR) е тясно свързано с интервала CS–US, използван по време на обучението, така че затварянето на клепача да се случва точно преди очакваното доставяне на УЗ, като по този начин се предпазва окото. Обучението с кратък CS–US интервал създава заучен отговор на мигане с кратко забавяне, докато по време на CS–US интервал ще доведе до CR с по-дълго забавяне1,2.

Лезионни и неврофизиологични експерименти показват, че при бозайници, като зайци, котки, порове, плъхове и мишки, асоциативната следа от памет, образувана по време на кондициониране със забавено мигане, се намира в малкия мозък3–9. Проучвания върху пациенти с малкия мозък10,11 и експерименти с невроизобразяване12 потвърждават, че малкият мозък играе ключова роля в кондиционирането на мигането на очите и при хората. Това обаче не означава, че други части на мозъка не участват или модулират обучението. В предишно проучване ние показахме, че участниците, ако бъдат подканени, могат доброволно да произведат нещо, което изглежда като условни реакции на мигане, дори когато няма US13. Но до каква степен това се случва, когато на участниците не се дават инструкции? Кондиционирането на следите изглежда зависи от малкия мозък, но също и от хипокампуса и главния мозък14,15. Това може да обясни защо пациентите с амнезия имат дефицити при проследяване, но не и забавяне на кондиционирането16,17. Въпреки това, друго проучване показа, че осъзнаването на непредвидените ситуации на стимули не повлиява скоростта на учене при забавяне или кондициониране на следи18. Освен това данните от невроизобразяването показват, че екстрацеребеларните мозъчни региони са активни по време на кондициониране на забавено мигане19.

Нецеребеларното участие при хората може да обясни несъответствието между кривите на обучение при животните и хората. Нечовеци, CR често се появяват в първите десет опита, последвани само от скромни увеличения в отговора 20-22. Кривите на учене при животните, напротив, показват по-плавно нарастване на вероятността за CR и рядко се наблюдава значително учене в първите няколко блока 5,23,24. В обобщение, все още има няколко въпроса без отговор относно невронните вериги ), отговорен за кондиционирането на мигането на очите и ролята на осъзнаването, което остава объркваща променлива. За да се свържат церебеларните неврофизиологични механизми с кондиционирането на мигането на очите при животни и хора участници, е желателно да се намали възможно най-много влиянието на осъзнаването и волята.

Тук тествахме две стратегии за намаляване на влиянието на съзнанието и волята върху кондиционирането при човешки участници. Първата стратегия беше да се използва кратък CS–US интервал, за да се сведе до минимум времето за участниците да реагират доброволно. Втората стратегия беше да се намалят кортикалните приноси към ученето чрез представяне на едновременни задачи на работната памет по време на кондиционирането. Избрахме задачи на работната памет, които предишни изследвания предполагат, че заемат кората, но не и малкия мозък.

РЕЗУЛТАТИ

Линеен модел със смесени ефекти

За да тестваме ефектите от обучението, междустимулния интервал (ISI) и задачите на работната памет върху процента на условните реакции, ние моделирахме процента на CR, използвайки линеен модел на смесени ефекти. Използван е линеен модел със смесени ефекти вместо анализ на дисперсията с повтарящи се измервания, тъй като той е статистически по-стабилен, отчита индивидуалните различия и се справя с липсващи точки от данни25,26. Като фиксирани ефекти използвахме тренировъчния блок (1–10), ISI (150, 250 или 500 ms), пол (мъжки или женски) и дали субектът е изпълнявал или не задачи за работна памет (да или не).

Ние също така включихме ID на субекта като случаен ефект в модела. Моделът е създаден в MATLAB (Mathworks Inc.) с помощта на функцията fitlme с формулата: CRs ~1 + Block + Sex + WM + ISI + (1 |Subject).

Моделът показва, че блоковите, ISI и WM задачите имат значителен ефект върху процента на условните отговори. За всеки блок от 10 изпитания, процентът на CR се увеличава средно с 2,15%. Над десет блока това означава 2,15*10=21,5%. Тази промяна е статистически значима (t=8.4339, P=4.4686e–16***, CI=1.65–2,65%). Нашият модел също така показа, че интерстимулният интервал влияе върху процента на CR (фиг. 1а). Увеличение с 1 ms на ISI води до 0.17% увеличение в процента на CR. Преминаването от 150 ms ISI към 500 ms ISI се превръща в 0,17*350=59,5% увеличение в процента на CR. Този ефект също е значителен (t=10.30, P=1.74e–22***, CI=0.13–0,20%). Обаче, противно на предишните ни открития20, полът не повлиява CRs (t=1.621, P=0.11, CI=-1,67 до 17,4%).

Осъзнаване и работна памет

След тренировъчната сесия участниците в групата с работна памет бяха попитани: „Забелязали ли сте някаква връзка между вдишването на въздуха и тона?“ От 11 субекта в тази група 3 казаха, че са забелязали, че понякога стимулите идват заедно, а понякога сами, но нищо повече. Шест от 11-те участници смятат, че стимулите са досадни и разсейващи. Никой от 11-те участници не съобщава нищо за времевата връзка между стимулите. Въпреки това условните отговори бяха успешно получени. Следователно изричното осъзнаване не е необходимо за успешното кондициониране. Независимо дали участниците са решили задачи на работната памет по време на кондиционирането, това е повлияло на процента на CR (илюстрирано на Фиг. 1b). Тези, които са изпълнявали задачи за работна памет, са произвели 13,68% по-малко CR от тези, които са гледали филм. Тази разлика е статистически значима (t=2.77, P=0.{{20}}057 **, CI=3.99–23.4%). В отделен модел, който включваше само участници, които са изпълнили задачите за работната памет, тествахме дали относителното класиране на субекта по отношение на ефективността на работната памет предсказва процента на CR. Резултатите показват, че това не е така (t=1.3189, P=0.18, CI=−0.9 до 5.0%).

Резюме

В обобщение, резултатите показват, че: (1) обучението води до повече CR; (2) по-дълъг интервал CS–US води до повече CR; (3) полът не влияе на процента на CR; (4) изпълнението на задача с работна памет намалява процента на CRs; и (5) колко добре се справят участниците със задачите на работната памет не се отразява на процента на CR.

ДИСКУСИЯ

Двете основни констатации на това проучване са, че (1) междустимулен интервал<250 ms produces very few conditioned responses, and (2) having participants do working memory tasks reduces the learning rate. The lack of learning with a short CS–US interval goes against results in animal models where CS–US intervals between 150 ms and 500 ms typically produce high rates (80–100%) of conditioned responses23,24,27–29. However, it is largely consistent with previous research on humans where interstimulus intervals of <250 ms are associated with poor learning1,21, although in one study, 200 ms did produce some learning30. Given that we only tested four participants with a 150 ms ISI, we are not able to rule out that learning can occur with such a short ISI. However, the lack of learning to both 150 ms and 250 ms ISIs, combined with results from previous studies, indicate that using short CS–US intervals does not support eyeblink conditioning in humans. Furthermore, this also means that using short ISIs is not a viable strategy to reduce active influences on eyeblink conditioning because no conditioning occurs, at least not when the training consists of ~100 trials.

Training with a 500 ms ISI did induce learning. In the control group (without the working memory distraction), there was a rapid increase in rates of responding. Within the first three blocks, the response rate reached an average of >80%, което не се е променило много за останалите седем блока. Това е в съответствие с други наблюдения при кондициониране на мигане с хора 11,19,20,22,30–32. Въпреки това, той се различава от моделите на кондициониране при други бозайници. При непокътнати зайци, плъхове и мишки условните реакции понякога се наблюдават само след няколко дни обучение5,24,27,28,33. Пиковите нива на отговор и плато на средната крива на обучение обикновено отнемат допълнителни дни на обучение. Възможно е обучението на хора за по-дълго време или многократно - както традиционно се прави при животните - може да доведе до по-високи нива на условни реакции.

Изпълнението на задачи за работна памет по време на обучение с интервал от 500 msCS–US направи участниците неосведомени за непредвидените стимули, но не попречи на ученето. Тъй като не попитахме участниците, които не са изпълнявали задачи за работна памет, за тяхната осведоменост, не можем да кажем дали са били наясно с непредвидените стимули. Въпреки това, нашият опит показва, че участниците бързо осъзнават, че въздушната струя идва след звука, което също е в съответствие с наблюденията в реф. 18. Кривата на обучение на участниците в групата с работна памет достига плато по-късно, отколкото в контролната група. Постепенното увеличаване на условните реакции се простира върху девет от десетте блока на обучение. Освен това, въпреки че ученето беше по-постепенно и нивата на реагиране бяха по-ниски от първия блок, процентът на отговор в крайна сметка достигна същото ниво (> 80%) като контролната група до края на десетте блока на обучение. Нашите резултати противоречат на по-ранни експерименти, при които задачата за маскиране не е повлияла на скоростта на учене18. В по-ранното проучване обаче участниците бяха помолени да повтарят думи. Задачите ни с работна памет вероятно са били значително по-трудни.

В обобщение, предишни експерименти показват, че осъзнаването на условията на стимула и доброволното мигане може да бъде източник на ускорено обучение по време на кондициониране на забавено мигане. Това проучване предполага, че ако участниците изпълняват едновременни работни задачи на паметта по време на кондиционирането, това може да намали активните влияния върху ученето, което може да доведе до процес на учене, който е по-чисто зависим от малкия мозък и следователно е по-сравним с условните реакции на мигане, докладвани в литературата за животни.

МЕТОДИ

Участници

Участниците бяха 42 студенти (жени=22; мъже=20) в университета в Лунд. Възрастовият диапазон беше 24,6 ± 5,38 години (средно ± SD). Участниците бяха разделени в четири отделни групи (вижте Таблица 1). Три групи бяха обучени с три различни CS–US интервала: 150, 250 и 500 ms. Четвъртата група беше обучена с интервал от 500 ms, но в допълнение към кондиционирането, участниците бяха инструктирани да изпълняват задачи на работната памет (WM), докато се обучават. Преди експеримента субектите подписаха формуляр за писмено съгласие, в който се посочваше, че са били информирани за процедурата в общи линии, т.е. че реакциите им на мигане ще бъдат записани и че ще им бъдат представени тонове и въздушни вдишвания, насочени към окото. Формулярът за съгласие също така потвърди, че субектите знаят, че могат да оттеглят участието си по всяко време. В знак на благодарност субектът получи билет за кино в края на експеримента (независимо дали е изпълнил целия протокол). Местният етичен комитет (Regional etikprövningsnämnden Lund) одобри проучването (DNR 2017–785).

Материали

Експерименталната настройка е илюстрирана на Фиг. 2. За да се засекат движенията на клепачите, малък кръгъл неодимов магнит (диаметър: 3 mm; дебелина: 1 mm) беше прикрепен към левия клепач на субекта с помощта на двойна лепяща лента. Получените промени в магнитното поле бяха записани с помощта на GMR чип (AAH002-02E, NVE Corporation). GMR чипът и дюзата, доставяща всмукване на въздух, бяха прикрепени към дясната страна на чифт очила, които субектът носеше по време на теста . Данните от GMR сензора бяха взети на проби при 1000 Hz и прехвърлени към компютъра чрез Micro 1401 AD конвертор (Cambridge Electronic Design). Micro 1401 също беше използван за задействане на високоговорителите, възпроизвеждащи тона - 1000 Hz тон с продължителност 1 s - и отварянето на соленоидния клапан D132202 (Aircom), освобождавайки въздушната струя.

Кондициониране на мигането на очите

Експериментите са проведени в тиха стая в кампуса. За всеки субект регулирахме интензитета на вдишването на въздуха, така че надеждно да предизвика рефлексивна реакция на мигане, без да дразни окото. Полученото налягане варира от 0,5 до 1 бар. По същия начин силата на звука на тона беше регулирана така, че да бъде чуваема, но не и неприятна. Всеки индивид получи общ брой от 100 опита (10 блока от 10 опита). От тези 100 изпитвания 25% са пробни проучвания, което означава, че CS е представен самостоятелно. Междупробният интервал е 10 ± 2 s.

В групите, които не са изпълнявали задачи за работна памет, участниците са били помолени да изберат любимо телевизионно предаване, което да гледат на лаптоп по време на сесията за кондициониране. Субектът беше помолен да се концентрира върху програмата и да се опита да не контролира движенията на клепачите. В групата, която получи задачи за работна памет по време на кондициониране, на участниците беше казано да се съсредоточат и да изпълняват възможно най-добре задачите за работната памет. Беше им казано, че целта на експеримента е да видят ефектите върху работата на паметта на разсейващите стимули под формата на тонове и въздушни облаци. Целта беше субектът да възприеме експеримента като тест за работна памет и да не знае, че това всъщност е експеримент за кондициониране на мигането на очите. След обучението участниците в групата за работна памет бяха попитани дали са забелязали някакъв модел в представяне на стимулите.

Задачи за работна памет

На участниците в групата с работна памет бяха дадени взискателни задачи за работна памет по време на сесията за кондициониране на мигащите очи. Ние избрахме някои от най-често срещаните тестове за работна памет, които бяха възможни за комбиниране с протокола за кондициониране и които не изискваха директно време и двигателни умения. Въпреки това има доказателства, показващи, че някои от тези задачи на работната памет наистина включват малкия мозък34,35. По-конкретно, участниците направиха следните осем теста в следния ред: (1) Corsi, (2) ментална ротация, (3) многозадачност, (4) n-back (3-back), (5) Navon, (6 )Stroop, (7) визуално търсене и (8) задача за сортиране на карти в Уисконсин. Тестовете за работна памет бяха проведени с онлайн софтуер PsyToolkit (PsyToolkit е разработен от и принадлежи на професор GijsbertStoet и е достъпен на www.psytoolkit.org). Всяка задача за работна памет започва с инструкции на екрана, предоставени от PsyToolkit. Допълнителна информация беше представена устно при поискване от участниците. Всеки тест започва с няколко примера за обучение (предоставени от софтуера) и след това започва тестването. Отговорите бяха направени с помощта на компютърна клавиатура и мишка. Когато участник завърши всичките 8 теста, той беше инструктиран да започне отначало с първия тест. Участниците обикновено завършват 1,5 кръга от тестовете. Резултатите от втория кръг не бяха анализирани допълнително.

Анализ на данни

Данните за мигане на очите бяха събрани с помощта на софтуера Spike2 v9.10 (CED). Данните от задачите на работната памет бяха запазени в MicrosoftExcel. Всички данни впоследствие бяха експортирани в и анализирани в Matlab R2022a (Mathworks). Използвайки персонализирани скриптове на Matlab, ние категоризирахме всеки опит като (1) CR, (2) без CR или (3) невалиден опит. Ако е налице CR, сценарият оценява началото и пика на отговора. Всички проверки бяха проверени ръчно, за да се гарантира, че скриптът е направил правилните категоризации. Грешките бяха коригирани ръчно. За анализ на ефективността на теста за работна памет избрахме две променливи: време за реакция (RT) и успех в теста (правилни отговори в %). Рангът беше изчислен с помощта на функцията за ранг от софтуера на Microsoft Excel и средният ранг представи една стойност за всяка променлива на RT и успеха на лицето, което тества.

Резюме на отчета

Допълнителна информация относно дизайна на изследването е налична в Резюме за докладване на NaturePortfolio, свързано с тази статия.

ПРЕПРАТКИ

1. Kimble, GA Кондициониране като функция на времето между условни и безусловни стимули. J. Exp. психол. 37, 1–15 (1947).

2. Steinmetz, AB et al. Оценката на двупосочния интерстимулен интервал (ISI) измества кондиционирането на неслухово забавяне на мигане при здрави хора. Уча. поведение. 39, 358–370 (2011).

3. McCormick, DA & Thompson, RF Малък мозък: съществено участие в класически обусловената реакция на клепачите. Science 223, 296–299 (1984).

4. Yeo, CH, Hardiman, MJ & Glickstein, M. Дискретни лезии на кората на малкия мозък премахват класически обусловения отговор на мигащата мембрана на заека. Brain Res. 13, 261–266 (1984).

5. Ten Brinke, MM et al. Развиващи се модели на кондициониране на Павлов: динамика на кората на малкия мозък при будни мишки. Cell Rep. 13, 1977–1988 (2015).

6. Jirenhed, D.-A. & Hesslow, G. Дали паузите на клетките на Пуркиние са двигатели на класически обусловени реакции на мигане? Малък мозък 15, 526–534 (2016).

7. Zucca, R., Rasmussen, A. & Bengtsson, F. Регулиране на катерещите се влакна на спонтанната активност на клетките на Purkinje и зависимите от малкия мозък реакции на мигане. eNeuro 3, ENEURO.0067-15.2015 (2016).

8. Freeman, JH & Steinmetz, AB Невронни схеми и механизми за пластичност, лежащи в основата на кондиционирането на забавяне на мигането. Уча. Мем. 18, 666–677 (2011).

9. Norman, RJ, Villablanca, JR, Brown, KA, Schwafel, JA & Buchwald, JSClasicly conditioning eyeblink in двустранно хемисферектомирана котка. Exp.Neurol. 44, 363–380 (1974).

10. van Gaalen, J. et al. Анормалното кондициониране на мигане е ранен маркер за дисфункция на малкия мозък при предклинични носители на SCA3 мутация. Exp. Brain Res. 237,427-433 (2019).

For more information:1950477648nn@gmail.com