Разбиране на ролята на централната и автономната активност по време на сън за подобряването на работната памет и епизодичната памет, част 1

През последното десетилетие се наблюдава значителен напредък в идентифицирането на механизмите на съня, които поддържат познавателната способност. Повечето от тези проучвания се фокусират върху връзката между електрофизиологичните събития на централната нервна система по време на сън и подобренията в различни когнитивни области, докато динамичните промени на автономната нервна система през съня са до голяма степен пренебрегнати.

Сънят и паметта са тясно свързани. Докато спим, мозъците ни обработват и консолидират информацията, която сме научили през деня, помагайки ни да запомним и да учим. Следователно добрият механизъм за сън е много важен за подобряване на нашата памет.

Има два основни етапа на съня: бързо движение на очите (REM) и небързо движение на очите (NREM). Тези два етапа на съня играят различни роли в различните видове спомени. По време на етапа на NREM сън мозъкът ще засили обработката на спомените и ще инжектира важна информация в дългосрочната памет, за да ги запази по-добре. В етапа на REM сън мозъкът ще засили нашата креативност и въображение чрез извикване и реорганизиране на информация и може да се появи известно избледняване на паметта.

За да осигурим добро качество на съня, трябва да обърнем внимание на развитието на добри навици за сън. Това включва редовно време за сън, избягване на прекомерната употреба на електронни устройства преди лягане и поддържане на комфортна среда за сън. В допълнение, поддържането на физическо здраве чрез упражнения и контрол на диетата също е от ключово значение за качеството на съня.

Накратко, механизмът на съня и паметта са тясно свързани. Като поддържаме добри навици за сън и начин на живот, можем да подобрим качеството на съня си, като по този начин ни помага да поддържаме по-добре паметта и способностите си за учене. Вижда се, че трябва да подобрим паметта си. Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola може също да регулира баланса на невротрансмитерите, като например повишаване на нивата на ацетилхолин и растежни фактори. Тези вещества са много важни за паметта и ученето. Освен това месото може също така да подобри притока на кръв и да насърчи доставката на кислород, което може да гарантира, че мозъкът получава достатъчно хранителни вещества и енергия, като по този начин подобрява мозъчната жизненост и издръжливост.

Щракнете върху познайте добавките за увеличаване на паметта

Скорошни проучвания обаче установиха значителен принос на автономните входове по време на сън за познанието. И все пак остават значителни пропуски в разбирането как централните и автономните системи работят заедно по време на сън, за да улеснят когнитивното подобрение. В тази статия разглеждаме доказателствата за независимите и интерактивни роли на централните и автономните дейности по време на сън и бодърстване в когнитивната обработка. Ние специално се фокусираме върху префронтално-подкоровите структури, поддържащи работната памет и механизмите, лежащи в основата на формирането на зависима от хипокампа епизодична памет.

Нашият модел на превключване на бавни осцилации идентифицира отделни и конкуриращи се основни механизми, поддържащи двата домейна на паметта на синаптично, системно и поведенческо ниво. Ние предлагаме, че сънят е конкурентна арена, в която и двата домейна на паметта се борят за ограничени ресурси, експериментално демонстрирано, когато стимулирането на една система води до функционален компромис в електрофизиологични и поведенчески резултати.

Тъй като тези открития неизбежно водят до допълнителни въпроси, ние предлагаме области на бъдещи изследвания, за да разберем по-добре как мозъкът и тялото си взаимодействат, за да поддържат широк спектър от когнитивни области по време на един епизод на съня.

Вегетативната нервна система (ANS) е разделена на два клона, като симпатиковият клон е свързан с мобилизирането на енергия по време на така наречените реакции на борба-бягство-замръзване (1, 2) и парасимпатиковият клон, свързан с вегетативни и възстановителни функции по време на т.нар. отговори почивка-смилане (3). Тези клонове „работят антагонистично, синергично и независимо, за да събират информация от сетивните органи и да координират отговорите на вътрешни и външни изисквания“ (4).

Както симпатиковата, така и парасимпатиковата нервна система комуникират с централната нервна система (ЦНС), образувайки система, наречена централна автономна мрежа. Централната автономна мрежа е набор от структури на ЦНС, включително locus coeruleus (LC), хипоталамус, амигдала, вентромедиален префронтален кортекс, хипокампус и таламус, които директно или индиректно получават входни данни от и модулират изхода към ANS.

Блуждаещият нерв (10-ият черепномозъчен нерв) се състои от ~80% аферентни връзки (5), които предават парасимпатикова/вагусна информация от периферията към ядрото на солитарния тракт в мозъчния ствол и областите от по-висок порядък в централната автономна мрежа ( 6, 7). Освен това низходящите проекции от централната автономна мрежа позволяват двупосочна комуникация между мозъка и периферните области (8, 9).

При хората неинвазивен метод за откриване на активността на ANS е вариабилността на сърдечната честота (HRV), която изследва вариабилността между отделните сърдечни удари (R–R интервали, отразяващи вентрикуларна деполяризация) в QRS комплекса на електрокардиограмата (ЕКГ) (10–12).

HRV може да се изчисли във времевата област и честотната област. Измерванията на HRV във времева област включват 1) SD на всички R–R интервали (SDNN), обща мярка за вариабилността на сърдечната честота, и 2) средния квадрат на последователните разлики (RMSSD), мярка за флуктуациите на сърдечната честота медииран предимно от блуждаещия нерв.

Измерванията на HRV в честотния домейн включват 1) мощността на високочестотната HRV (HF-HRV: 0.15 до 0.40 Hz), индикатор за респираторна синусова аритмия и парасимпатиковата вагусна активност и 2) мощността на нискочестотната HRV (LF-HRV: 0.04 до 0,15 Hz), смесен сигнал както от симпатиков, така и от парасимпатиков източник. Като се има предвид несигурността в приноса на сигналите, включващи LF-HRV, по отношение на известния вагусен произход на сигнала HF-HRV, изследванията върху автономната активност обикновено се фокусират върху HF-HRV.

За скорошен преглед на мозъчните области и невромодулаторните системи, включващи парасимпатиковите и симпатиковите клонове, както и техните входове към мозъчните области, посветени на когнитивната обработка, вижте Whitehurst et al. (4).

Нашият преглед се фокусира конкретно върху доказателствата, подкрепящи ролята на ANS в когнитивните процеси при бодърстване и сън. Докладваме за солиден набор от открития, свързващи парасимпатиковата/вагусна активност по време на бодърстване и сън с префронтално-подкоровата мрежа, регулираща когнитивния контрол, изпълнителната функция и работната памет (WM). Ние също така идентифицираме значителен недостиг на доказателства за автономна активност, улесняваща зависима от съня консолидация на паметта, забележителна празнина предвид големия брой изследвания, свързващи съня с формирането на дългосрочни спомени. След това обобщаваме настоящите знания за механизмите, поддържащи формирането на дългосрочни спомени по време на сън.

На този фон ние развиваме хипотезата, че мозъчните мрежи и невромодулаторните системи по време на сън, които поддържат повишена ефективност в WM и консолидацията на хипокампалните, епизодични спомени са отделни и конкурентни механизми. Представяме модела на превключване на бавни осцилации, който дава схема на това как тези механизми си взаимодействат по време на сън, заедно с възникващи хипотези, които могат да се проверят, и нови насоки за изследване за по-нататъшни изследвания в тази област.

Автономните входове модулират когнитивните способности

Когнитивните процеси, които разчитат на инхибиторен контрол отгоре надолу в префронтално-субкортикалните мрежи, като емоционална регулация, когнитивен контрол или изпълнителна функция, са свързани с парасимпатикова/вагусна активност. Когнитивният контрол или изпълнителната функция, координирането на умствените процеси и действия според текущите цели и планове е основна функция на префронталния кортекс.

Координацията на когнитивния контрол се осъществява от множество функционални вериги, закотвени в префронталния кортекс, включително вентромедиалния префронтален кортекс, предния цингуларен кортекс и широк спектър от субкортикални области (13). WM е аспект на изпълнителната функция, който поддържа поддържането и манипулирането на малко количество информация, обикновено трае секунди до минути (14) и споделя подобни нервни механизми с когнитивния контрол (15). Обхватът на този документ ще се съсредоточи върху един аспект на изпълнителната функция, а именно WM (за повече информация относно емоционалната регулация, вижте справки 16–19).

WM, за разлика от дългосрочната памет (LTM), включва трансформация на представяния на паметта или следи и е общ информационен, онлайн когнитивен процес, който традиционно се счита за непроменяема черта. И все пак проучванията за обучение на WM показват, че изпълнителната функция като цяло и конкретно WM могат да бъдат подобрени (20) и че тези подобрения се поддържат от повишена префронтална ефективност и автоматичност на префронтално-подкоровите мрежи (21, 22).

Изследване на ролята на ANS в познанието показа, че парасимпатиковата/вагусна активност може да бъде индикатор за степента, до която префронтално-подкоровата верига регулира съставните си системи в отговор на вътрешни и външни изисквания. По-конкретно, активността в тези инхибиторни вериги е положително свързана с HF-HRV в покой (9, 23) и се предполага, че оптималното функциониране на тези вериги предвижда гъвкави и адаптивни реакции към промените в околната среда (24). Един важен модел, целящ да обясни как двупосочната комуникация между CNS и ANS е критичен предиктор за адаптивен когнитивен успех, е моделът на невровисцералната интеграция, разработен от Thayer и колеги (9, 23) (SI Приложение, Фиг. S1).

Този модел предполага, че HRV е индекс на префронтално-субкортикално инхибиторно влияние върху широк спектър от области на мозъка, поддържащи познавателната способност, емоцията и физиологичната реактивност, включително изпълнителна функция, WM, очакване на бъдещи резултати, емоционална регулация, емоционална реакция на стрес и периферно функциониране (24).

Моделът на невровисцералната интеграция получи емпирична подкрепа от проучвания, показващи връзката между HRV по време на будност и изпълнителната функция. В сравнение с индивиди с нисък HF-HRV в покой (отразяващ лош парасимпатиков вагусен тонус по време на будна почивка), индивидите с висок HF-HRV показват по-добро представяне на WM [nback задача (25); задача за обхват на операцията (26)] и инхибиторен контрол [т.е. задача на Stroop (27)].

В допълнение, предизвиканите от тренировка промени в когнитивния контрол са свързани с подобрения в парасимпатиковата активност и обратното също е вярно, че индуцираните от тренировки увеличения на парасимпатиковата активност също насърчават когнитивното подобряване. Например, доказано е, че когнитивното обучение (базирана на зрението скорост на обработка) повишава HF-HRV и засилва активирането в префронтално-подкоровата мрежа (22). В това проучване по-възрастни хора с амнестично леко когнитивно увреждане са преминали 6 седмици когнитивно обучение.

В сравнение с контролите, по-възрастните в групата с активно обучение демонстрират повишен HF-HRV и намалена префронтално-стриатална свързаност по време на задачата, което предполага ефективна префронтално-субкортикална автономна регулация. Подобни резултати са докладвани при здрави участници (28). Освен това се съобщава, че увеличаването на HF-HRV в покой чрез аеробно обучение води до паралелни подобрения в представянето на WM (27).

В това проучване участниците бяха разпределени на случаен принцип в група за аеробно обучение и група за детрениране (състояние с намалено натоварване), като HF-HRV и WM в покой бяха измерени преди и след интервенцията с упражнения. След интервенцията, групата с аеробно обучение показа по-висока ефективност на HF-HRV и WM в сравнение с контролната група за детрениране, което предполага връзка между укрепването на парасимпатиковото/вагусното функциониране и WM мрежите чрез сърдечни упражнения.

Един потенциален механизъм за това как вагусната/парасимпатиковата активност може да облагодетелства префронталната функция и WM е чрез модулирането на норепинефрин (NE). Последните 20 години изследвания показват, че наред с традиционната история, че основният невромодулатор на вагусната активност е ацетилхолин (ACh), вагусните аференти също модулират нивата на NE в мозъка. Блуждаещият нерв представлява основният компонент на парасимпатиковата нервна система и активиращите възходящи влакна на вагусовия нерв медиират действията на NE върху мозъка (29, 30).

Терминалите на аферентните вагусни трансмисии са директно в ядрото на солитарния тракт, което предава информация на структури, които регулират познавателната способност от по-висок ред, като амигдалата, хипокампуса и фронталния кортекс чрез полисинаптичен път от LC. Въпреки че ACh е основният невротрансмитер в периферните синапси на вагусния нерв, след като информацията се разпространи до LC, NE става основният невромодулатор, медииращ синаптичната комуникация в ЦНС.

LC има два режима на стрелба, фазичен и тоничен, които влияят на префронталната функция. Тоничното изпичане е свързано със стрес или възбуда, докато фазовото изпичане е свързано с реакциите към новост и познание от по-висок ред (31). Фазичните и тоничните активации са независими, като фазовата активност е оптимизирана при умерено ниво на тонична активност (32), докато повишеното тонично отделяне може да наруши фазовото освобождаване (33). При приматите, фазовото активиране на NE невроните на LC във времето с когнитивни промени може да провокира или улесни динамичната реорганизация на целевите невронни мрежи, позволявайки бърза поведенческа адаптация към променящите се императиви на околната среда (34).

Освен това, наскоро беше показано, че фазовото оптогенетично активиране на LC предпазва от вредни човешки правоъгълни tau ефекти и когнитивен спад, докато индуциращото стрес тонично-LC активиране влошава неговите ефекти (35, 36). По-конкретно, в проучването, проведено от Omoluabi et al. (36), мишките бяха инжектирани със заплетен тау и техните LC неврони бяха активирани във фазови или тонични модели. Те откриха, че фазовата стимулация спасява мишките от поведенчески и LC дефицити, докато тонизиращата стимулация води до влошени симптоми.

Освен това, проучвания при гризачи и маймуни показват, че оптималният възбудително-инхибиторен баланс на префронталната NE, поддържан от различни адренергични рецептори (напр. 1 и пре- и постсинаптични 2), има важно благоприятно влияние върху работата на WM (37, 38) . Експериментално увеличаване на концентрациите на NE в префронталния кортекс подобрява ефективността на инхибиране на реакцията при гризачи и хора (39, 40).

Това изследване подчертава ролята на повишената инхибиторна функция по време на разсейващи състояния, които служат специално за WM (41), без да имат полза за паметта на хипокампа (42). Интересно е, че 2 адренергичните рецептори преференциално увеличават префронталната NE и поддържат нейния оптимален възбуждащо-инхибиторен баланс, което от своя страна подобрява префронталната функция (43–45), докато 1 рецепторите превъзхождат 2 рецепторната активност и увреждат WM функцията (38).

Очертаващата се картина е, че различни видове адренергични рецептори могат да играят роля в оптимизирането на цялостния възбудно-инхибиторен баланс в префронталния кортекс. По-конкретно, NE организира физиологични функции, които превключват мозъка и тялото от нестресирано състояние, при което фазовата LC активност ангажира 2 рецептора и увеличава префронталната WM функция, към стресирано състояние, което стимулира тонично изстрелване и 1 рецепторна активност, увреждайки WM, като същевременно поддържа други функции , като бдителност и внимание (46).

При хората е установена причинно-следствена връзка между вагусните входове, модулиращи активността на LC–NE и когнитивните области, поддържани от префронталния кортекс, чрез проучвания, манипулиращи активно вагусния тонус чрез стимулация на вагусния нерв (VNS) или неинвазивна транскутанна стимулация на вагусния нерв (tVNS). VNS активира фазово невронно задействане в LC и повишава нивата на NE в префронтално-субкортикалните мрежи, включително неокортекса, хипокампуса, амигдалата и други части на мозъка с аферентни проекции от LC (33, 47–49).

В едно проучване пациенти, лекувани с инвазивна VNS, изпълняват когнитивни задачи с включена или изключена стимулация. Пациентите демонстрират подобрено представяне на WM по време на периодите на стимулиране в сравнение с периодите на изключване на стимулацията (50). Съвсем наскоро tVNS показа подобни ефекти на когнитивния контрол (51). В това проучване здрави участници изпълниха задача за инхибиторен контрол (Go/NoGo) с активна tVNS или фиктивна стимулация.

В състояние NoGo, което изискваше когнитивно инхибиране, tVNS доведе до значително намалена амплитуда на потенциалите, свързани с фронталните N2 събития, биомаркер за взискателен когнитивен контрол, което предполага, че tVNS може да доведе до по-ефективна невронна обработка с по-малко необходими ресурси с успешен фронтален инхибиторен контрол. Подобни ефекти на tVNS са демонстрирани в друго проучване (52), в което tVNS повишава челната средна тета активност, за която се смята, че отразява преходно активиране на префронталния кортекс в ситуации, изискващи повишен изпълнителен контрол на действията.

Като се има предвид, че вагусната стимулация засилва фазовата LC–NE и че парасимпатиковата активност е естествено повишена по време на сън с небързо движение на очите (NREM), е изкушаващо да се предположи, че увеличаването на фазичната LC–NE активност с естествения тласък на вагусната парасимпатикова активност по време на сън може да бъде един механизъм, чрез който префронталната функция се регулира и WM капацитетът се подобрява.

Взети заедно, фазовият LC–NE по време на сън може да допринесе за повишен WM капацитет чрез няколко възможни механизма, включително реорганизиране на невронни репрезентации, елиминиране на тау и/или повишаване на фазовата активност на LC–NE 2 рецепторите заедно с префронталната функция. В същото време предизвиканият от стрес тонизиращ LC–NE е разрушителен за съня, както и за префронталната функция. Следващият раздел ще прегледа констатациите за връзката между съня и активността на ANS.

For more information:1950477648nn@gmail.com