Selectieve geheugenstabilisatie door reactivatie tijdens diepe slaap

Het interactieve brein in slaap Symposium over Slaap en Slaapstoornissen 12 oktober 2012

Selectieve geheugenstabilisatie door reactivatie tijdens diepe slaap Drs. Eelco van Dongen

Donders Instituut voor Brain, Cognition and Behaviour, Radboud Universiteit Nijmegen Afdeling Cognitieve Neurowetenschappen, Universitair Medisch Centrum St. Radboud Nijmegen

Het interactieve brein in slaap, 12-10-2012

Overzicht • • • •

Inleiding en achtergrondinformatie Reactivatie van het geheugen in diepe NREM slaap Huidige ontwikkelingen op onderzoeksgebied Samenvatting en conclusies


Inleiding • Goed slapen is belangrijk voor lichamelijke functies • Echter: ook geestelijke / cognitieve functies hebben baat bij goede slaap • Naast algemene cognitieve vaardigheden, zoals aandacht en concentratievermogen, ondervindt ook het geheugen voordeel van goede slaap • Ebbinghaus (1885):


Het eerste empirische bewijs: Jenkins en Dallenbach • Geheugen na perioden met slaap of waak • Conclusie: het ontbreken van interferentie tijdens slaap is goed voor het geheugen • “Een passief proces”

Jenkins en Dallenbach (1924)


Slaap als een actieve toestand • Recente experimenten in dieren en mensen: – actieve geheugenprocessen tijdens slaap • Reactivatie: het mechanisme achter de effecten van slaap • Reactivatie: Het terugkeren van hersenactivatie en/of hersencommunicatie tijdens slaap of rust, dat typerend was voor het leren of herinneren in actieve perioden Moser and Moser, 2011


Reactivatie in dieren • De mediale temporaal-kwab, en specifiek de hippocampus en parahippocampus, zijn essentieel voor het geheugen • “Plaatsneuronen” in de mediale temporaal-kwab reageren op specifieke plekken in de omgeving • Plaatsneuronen die met elkaar communiceren tijdens een ruimtelijke leertaak, communiceren daarna meer met elkaar tijdens NREM slaap (maar niet zonder dat er eerst een taak is uitgevoerd)

Wilson and McNaughton, 1994 bbbbbb


Reactivatie in dieren (2) • Reactivatie is het meest frequent in slow-wave sleep (N3) • Reactivatie is gesynchroniseerd tussen verschillende hersengebieden (hippocampus is belangrijk) • Reactivatie is gerelateerd aan gedrag: het uitschakelen van reactivatie leidt tot geheugenproblemen

Girardeau et al., 2009

Jadhav et al., 2012


Reactivatie in mensen • Reactivatie = doelwit voor geheugenverbetering

Rasch en Born, 2007


Reactivatie in mensen (2)

Rasch en Born, 2007bbbbb


Reactivatie in mensen (3) • Efficiënte toepassing hangt af van specificiteit

Rudoy et al., 2009

• Wat zijn de neurale processen die hierbij betrokken zijn?


Eerder onderzoek • Deelnemers leerden verbanden tussen foto’s van gezichten en locaties • Hersencommunicatie tussen regios actief tijdens het leren was versterkt in daaropvolgende NREM slaap – Communicatie gemeten d.m.v. functionele connectiviteit

Tijdens het herinneren

Tijdens NREM

Overlap Van Dongen et al., 2011


Eerder onderzoek (2) • Connectiviteit tussen taak regio en hippocampus tijdens slaap voorspelde leerprestaties na slaap • Connectiviteit tussen taak regio en de mediale prefrontaal-kwab tijdens slaap voorspelde geheugenprestaties na slaap Van Dongen et al., 2011


Reactivatie van het geheugen in diepe NREM slaap • Doel van de huidige studie: – Vaststellen welke gebieden betrokken zijn bij doelgerichte reactivatie van herinneringen – Vaststellen welke onderdelen van de hersenrespons relevant zijn voor later gedrag (d.w.z., prestaties op een geheugentest)


Hypothese • Reactivatie wordt gekenmerkt door activiteit in taak-gebieden in het specifiek, en in geheugengebieden in het algemeen • Reactivatie wordt gekenmerkt door verhoogde connectiviteit in netwerken belangrijk voor de leertaak • Hersengebieden belangrijk voor deze specifieke taak: – Parahippocampus (ruimtelijk geheugen) – Hippocampus (associatief geheugen) – Mediale prefrontaal schors (lange termijn geheugen) – Occipitaal-kwab (visuele verwerking)


Het onderzoeksprotocol


Leren: 50 object – locatie associaties Actief terugplaatsen, zonder feedback

Based on Rudoy et al. (2009)


Test: 50 object - locaties Actief terugplaatsen, zonder feedback


SWS Geluidspresentatie voor de helft van de geluiden, “reactivatie geluiden” + Controle geluiden (niet eerder gehoord), “controle geluiden”

NB:

Deelnemers werden geincludeerd als ze: - Het protocol >80% in SWS ondergingen - Niet wisten dat er reactivatie plaatsvond - Er geen microarousals te zien waren op het EEG tijdens reactivatie


c

Test: 50 object - locaties Actief terugplaatsen, zonder feedback


fMRI activiteit tijdens slaap (1) • Hersenactivatie specifiek voor de reactivatie geluiden tijdens SWS overlapte met activiteit zichtbaar tijdens de leertaak in de rechter parahippocampale schors

Tijdens de Taak: Herinneren > Fixatie

x=32

Tijdens SWS: T-waarde

Reactivatie > Controle Geluiden*

x=32

T-waarde

*Na SVC


fMRI activiteit tijdens slaap (2) • Reactivatie-specifieke activiteit tijdens SWS voorspelde later geheugen voor de geassocieerde object-locaties (op de test na het slapen)

*

*

*Na SVC


Functionele connectiviteit tijdens slaap • Parahippocampale connectiviteit was sterker met posterieure visuele gebieden tijdens de presentatie van reactivatie geluiden (vergeleken met controle geluiden)

Reactivatie > Controle

p<0.001 uncorrigeerd op voxel niveau, p<0.05 FWE gecorrigeerd op cluster niveau


Functionele connectiviteit tijdens slaap (2) • Connectiviteit tussen de parahippocampaal schors en de precuneus voorspelde later geheugen voor de geassocieerde object-locaties (op de test na het slapen)

Reactivatie > Controle

p<0.001 uncorrigeerd uncorrected, corrected op voxel niveau, at p<0.05 p<0.05 FWEFWE at the gecorrigeerd cluster levelop cluster niveau


Effect op latere geheugenprocessen • Parahippocampaal - mediaal prefrontale connectiviteit tijdens de geheugentest na het slapen correleerde met geheugen voor de gereactiveerde associaties • Deze connectiviteit was ook significant groter tijdens de test na het slapen (vergeleken met de test vóór het slapen) Correlatie tussen PHC connectiviteit en geheugen op Test 2

x=12

Correlatie met de toename in PHC connectiviteit van Test 1 naar Test 2*

x=12

*Na SVC


Voorlopige samenvatting • Geluidspresentatie tijdens SWS verhoogde activiteit and connectiviteit in taakgebieden • Vergeleken met controle geluiden veroorzaakten reactivatie geluiden verhoogde activiteit in de rechter parahippocampus • Vergeleken met controle geluiden veroorzaakten reactivatie geluiden verhoogde connectiviteit met de rechter parahippocampus in de posterieure occipitaal-kwab • Het effect van het reactivatie protocol kon worden voorspeld door: • Activititeit in de thalamus, en de mediale temporaal-kwab • Parahippocampale connectiviteit met de precuneus • Parahippocampale connectiviteit met de mediale prefrontale hersenschors tijdens de geheugentest werd sterker na slaap • Deze toename was gecorreleerd met beter geheugen voor de gereactiveerde object-locaties


Huidige ontwikkelingen op onderzoeksgebied • 3 recente studies over het beinvloeden van de geheugenprocessen tijdens slaap – Het leren van nieuwe informatie tijdens slaap (Arzi et al., 2012) – Reactivatie met geluiden in dieren (Bendor en Wilson, 2012) – Het verbeteren van motorische vaardigheden tijdens slaap (Antony et al., 2012)


Het leren van nieuwe informatie tijdens de slaap • Onderzoekers maakten gebruik van de inhalatierespons bij geuren • Slapende deelnemers hoorden tonen in combinatie met positieve en negatieve geuren • Deelnemers’ inhalatie in de slaap paste zich snel aan de specifieke geuren, net als tijdens conditionering overdag • Het horen van de toon op zich resulteerde vervolgens in een inhalatierespons vergelijkbaar met een positieve danwel negatieve geur

Arzi et al., 2012


Terug naar de dieren: • Onderzoekers presenteerden geluiden aan ratten geassocieerd met een linker- of rechtergedeelte van een doolhof • Geluidspresentatie beïnvloedt ook reactivatie op cellulair niveau • Dit zorgde voor een bias in reactivatie, niet in een absolute toename!

Bendor en Wilson (2012)


Het verbeteren van motorische vaardigheden tijdens de slaap • Deelnemers leerden twee melodiefragmenten spelen • In SWS werd 1 vd melodieën opnieuw afgespeeld •

Deelnemers waren de volgende dag beter in het spelen van de gereactiveerde melodie – Alle melodieën hadden baat bij slaap Antony et al., 2012


Samenvatting en conclusies • Tijdens slaap vinden er actieve hersenprocessen plaats die positief werken op het geheugen • Dit voordeel is waarschijnlijk te herleiden tot de reactivatie van eerder opgeslagen ervaringen • Neurowetenschappelijk onderzoek heeft laten zien dat deze reactivatie bij mensen en dieren in hersengebieden plaatsvindt, die betrokken zijn bij de leertaken en algemene gebieden • Recent onderzoek heeft laten zien dat reactivatie kan worden beinvloed door ingrepen tijdens slaap – De bijbehorende hersenrespons (activatie en connectiviteit) voorspelt het effect van dergelijke ingrepen

• Dergelijke ingrepen worden nu op verschillende manieren toegepast, en kunnen mogelijk worden verlegd naar een klinische of maatschappelijk context


Dank u voor uw aandacht! Atsuko Takashima

Markus Barth

Jascha Zapp

Lothar Schad

Ken Paller

Guillén Fernández

Sabine Kooijman

Til Ole Bergmann

Selectieve geheugenstabilisatie door reactivatie tijdens diepe slaap

Recommend Documents