Alterazioni della connettività cerebrale durante il sonno mediante neurostimolazione transcranica a circuito chiuso predicono la sensibilità della metamemoria Parte 3

RISULTATI

Effetti comportamentali

Come riportato da Pilly et al. (2020), la stimolazione STAMP non ha portato a un miglioramento significativo nell’accuratezza complessiva del richiamo della memoria. Tuttavia, la stimolazione STAMP ha portato a una migliore sensibilità della metamemoria il giorno 3 dell'esperimento (dopo la notte 2).

La sensibilità della metamemoria si riferisce alla consapevolezza e alla comprensione di una persona della capacità di memoria che possiede, mentre l'abilità di memoria si riferisce alla capacità di memoria di una persona dimostrata in una pratica specifica. Tra i due c’è uno stretto rapporto.

Innanzitutto, la sensibilità della metamemoria influisce direttamente sulle prestazioni della memoria. Se una persona crede di avere fiducia in un certo tipo di memoria, tenderà a lavorare di più per ricordarlo e ad ottenere risultati migliori in quel tipo di compito di memoria. Al contrario, se una persona non ha fiducia nelle proprie capacità di memoria, ciò potrebbe portarla a eseguire meno bene i compiti di memoria, riducendo così la propria capacità di memoria.

In secondo luogo, la sensibilità positiva della metamemoria aiuta a migliorare la memoria. Se una persona crede che ci sia spazio per migliorare la propria capacità di memoria, sarà più attiva nell’allenare la propria capacità di memoria, migliorando così l’accuratezza e la persistenza della memoria. Coloro che credono che la propria capacità di memoria abbia raggiunto il suo apice spesso non sono in grado di accettare nuove sfide di memoria e quindi perdono l’opportunità di migliorare la propria capacità di memoria.

Pertanto, dobbiamo coltivare attivamente la nostra sensibilità alla meta-memoria, rompere le restrizioni e le impostazioni sulle nostre capacità di memoria e credere che possiamo continuare a migliorare nei compiti di memoria. Allo stesso tempo, dobbiamo anche fare affidamento sull’allenamento e sulla pratica accumulati per migliorare la nostra capacità di memoria in modo che possa essere utilizzata in modo più efficace nella pratica specifica. Solo in questo modo possiamo massimizzare il nostro potenziale di memoria e ottenere risultati migliori. Si può vedere che abbiamo bisogno di migliorare la memoria, e la Cistanche deserticola può migliorare significativamente la memoria, perché la Cistanche deserticola può anche regolare l'equilibrio dei neurotrasmettitori, come ad esempio aumentare i livelli di acetilcolina e i fattori di crescita. Queste sostanze sono molto importanti per la memoria e l'apprendimento. Inoltre, Cistanche deserticola può anche migliorare il flusso sanguigno e promuovere l’apporto di ossigeno, il che può garantire che il cervello riceva nutrienti ed energia sufficienti, migliorando così la vitalità e la resistenza del cervello.

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Nello specifico, i t-test dipendenti che confrontavano la sensibilità della metamemoria tra le condizioni hanno rivelato che la sensibilità nella condizione Tag & Cue era significativamente maggiore sia nella condizione Tag & No Cue [t(23)=3.51,p aggiustato < 0 .01, correzione Holm-Bonferroni per due confronti; campione accoppiato Cohen'sd=0.72] e condizione Sham [t(23)=2.089, p aggiustato=0.048, correzione Holm-Bonferroni per due confronti; d=0.43] di Cohen a campione accoppiato.

Un miglioramento significativo nella sensibilità della metamemoria è stato riscontrato solo il terzo giorno dell'esperimento. Pertanto, l'applicazione di STAMP durante gli SWO nelle due notti successive alla visione one-shot ha portato a un miglioramento specifico della metamemoria per gli episodi che erano stati sia taggati che segnalati.

Cambiamenti nella coerenza globale

Come primo passaggio, abbiamo esaminato i cambiamenti complessivi nella coerenza media sul cuoio capelluto dovuti alla stimolazione con STAMP per determinare se la stimolazione portasse a cambiamenti misurabili nella connettività.

Inoltre, abbiamo cercato di replicare il lavoro precedente e valutare se la stimolazione avrebbe prodotto cambiamenti di coerenza simili a quelli dell’apprendimento durante il sonno (Mölle et al., 2004). Un lavoro precedente (Mölle et al., 2004) ha riportato la modulazione della coerenza delle bande delta, fuso e gamma durante il sonno dopo l'apprendimento; al contrario, altri lavori (Polanía et al., 2011) hanno dimostrato un aumento della connettività in tutte le bande di frequenza in seguito alla stimolazione tDCS.

Pertanto, abbiamo ipotizzato che la stimolazione STAMP avrebbe aumentato la coerenza media rispetto alla condizione Sham nelle bande delta, fuso e gamma, ma abbiamo esaminato le differenze anche in altre bande con test statistici conservativi.

I valori medi di iCoh in tutte le bande di frequenza sono stati calcolati per i dati Active e Sham corretti dalla linea di base per indagare sui cambiamenti di connettività globale, e quindi sono stati condotti t-test a una coda sui valori di coerenza medi in ciascuna banda di frequenza e sono stati corretti per utilizzare un tasso di scoperta falsa di p< 0.05 (Benjamini & Hochberg, 1995). 

Le mappe di coerenza che mostrano una maggiore connettività nella condizione attiva su tutto il cuoio capelluto sono state visualizzate impostando la soglia di visualizzazione sul massimo della condizione Sham per ciascuna banda di frequenza, sostanzialmente sottraendo la condizione Sham. I cambiamenti medi di coerenza indotti dalla stimolazione nelle diverse bande di frequenza sono tracciati nella Figura 3.

I grafici topografici mostrano la coerenza tra coppie di elettrodi nella condizione attiva, con soglia determinata dalla coerenza nella condizione Sham, mentre i grafici a scatola mostrati con soglia indicano i valori di coerenza su tutto il cuoio capelluto. L'analisi dei cambiamenti complessivi nella coerenza in tutto il cuoio capelluto ha rivelato che gli STAMP hanno prodotto aumenti significativi della coerenza media in più bande di frequenza.

La coerenza EEG era significativamente aumentata in seguito agli STAMP nelle bande theta, alfa e fuso (p < 0.05) rispetto alla condizione Sham. Le coerenze medie nelle bande delta, beta e gamma non differivano significativamente tra le condizioni di stimolazione . Pertanto, i cambiamenti indotti dalla stimolazione STAMP nella connettività cerebrale in bande di frequenza specifiche.

Classificazione e previsione comportamentale

I risultati dell'analisi di classificazione sono tracciati nella Figura 4 e delineati nella Tabella 1. I valori di importanza media tra le pieghe per le caratteristiche selezionate da Boruta sono tracciati a sinistra, con le caratteristiche costantemente considerate importanti evidenziate in verde (significativamente al di sopra dello shadowmax medio). Nelle pieghe, il raggio nella banda del fuso (12-15 Hz) è stato costantemente selezionato come la caratteristica più importante.

Altre caratteristiche importanti includevano: lunghezza del percorso (12–15 Hz) e coerenza e densità medie (3–8 Hz). Le curve ROC delle prestazioni del classificatore sono tracciate sulla destra. Come delineato in Mason e Graham (2002), i test U di Mann–Whitney sono stati condotti su ciascun classificatore per determinare se le prestazioni del classificatore erano statisticamente significative al di sopra del caso (AUC=0.5). Tutti i test hanno riportato valori p significativi (p < 0,001).

Abbiamo inoltre calcolato intervalli di confidenza al 95% utilizzando un approccio di ricampionamento bootstrap astratificato con 10,000 repliche bootstrap, che hanno ulteriormente dimostrato prestazioni di classificazione superiori alle probabilità (Carpenter & Bithell, 2000).

Pertanto, l’accuratezza della classificazione era al di sopra del caso e l’assunzione delle variabili principali dalle analisi di classificazione e regressione (lunghezza del percorso in 16–30 Hz e raggio in 12–15 Hz) ha portato alle migliori prestazioni di classificazione.

Come analisi di follow-up, le quattro caratteristiche selezionate dall'algoritmo Boruta per la classificazione sono state sottoposte a test t, testando la differenza di connettività tra le condizioni Attiva e Sham. I valori p risultanti sono stati corretti con un tasso di scoperta falsa fissato a {{ 2}}.05.

I valori p corretti per la lunghezza e il raggio del percorso di 12–15 Hz e la coerenza media di 3–8 Hz erano significativi ( p=0.029); anche la densità di 3–8 Hz era significativa a un livello di significatività alfa ( p=0.05). Pertanto, le funzionalità di connettività che erano significativamente alterate in seguito alla stimolazione attiva rispetto alla stimolazione Sham sono state trovate dalla pipeline di selezione delle funzionalità. La lunghezza del percorso e le caratteristiche del raggio dalla pre alla poststimolazione erano significativamente diminuite nella condizione attiva rispetto alla Sham, mentre le caratteristiche medie di coerenza e densità erano significativamente aumentate rispetto alla Sham.

I boxplot che mostrano queste caratteristiche per entrambe le condizioni sono presentati nella Figura S3 delle informazioni di supporto. I risultati dell'analisi di previsione comportamentale sono tracciati nella Figura 5 e delineati nella Tabella 2.

Qui, i cambiamenti nelle misure neurali in seguito alla stimolazione sono stati utilizzati come caratteristiche per prevedere il cambiamento nella sensibilità della metamemoria (AUC) del test di richiamo sia per le condizioni Tag & Cue che Sham dal giorno 2 al giorno 3 per identificare le relazioni cervello-comportamento.

I valori di importanza di Boruta per le caratteristiche teoriche dei grafici sono tracciati a sinistra, la lunghezza del percorso nella banda beta (16-30 Hz) è stata considerata molto importante per prevedere i cambiamenti nella sensibilità della metamemoria e l'unica caratteristica selezionata. La relazione tra la variazione indotta dalla stimolazione nella lunghezza del percorso di 16–30 Hz e la variazione notturna delle prestazioni AUC sia per i dati attivi (Tag & Cue) che per le condizioni Sham è illustrata sulla destra.

La correlazione tra la variazione della lunghezza del percorso della banda beta e la variazione dell'AUC era significativa per la condizione Attiva (r=−0.66, p=0.003), indicando che gli individui con una lunghezza del percorso ridotta seguendo gli STAMP tendevano a mostrare un cambiamento positivo nelle prestazioni della memoria. Questa relazione non era significativa per la condizione Sham (r=−0,22, p=0,39).

Sulla base dei risultati di queste analisi, sono state eseguite regressioni lineari di follow-up per prevedere il cambiamento notturno della sensibilità metacognitiva utilizzando la lunghezza del percorso nella banda 16-30 Hz sia per i dati attivi che per i dati Sham.

Per i dati attivi, la lunghezza del percorso di 16–30 Hz prevedeva in modo significativo la variazione dell'AUC (t=−3,56, p=0.003, adj. R{{7} }.41). Per i dati Sham, la lunghezza del percorso di 16–30 Hz non era un predittore significativo (t=−0,88, p=0 0,39, adj. R2=−0,01). Sono state eseguite anche ulteriori analisi per confrontare le condizioni Attiva e Sham e sono descritte ulteriormente nelle Informazioni di supporto.

DISCUSSIONE

Nel presente esperimento, i partecipanti si sono impegnati in un compito di memoria episodica mentre ricevevano modelli spaziotemporali unici di stimolazione elettrica transcranica, e un sottoinsieme dei modelli sono stati riapplicati durante gli stati up degli SWO nelle notti successive per segnalare la riattivazione di ricordi specifici associati (vedi Pilly et al., 2020).

Qui, riportiamo i cambiamenti nella connettività funzionale del cervello indotti da questi modelli tES durante il sonno che erano predittivi di cambiamenti nella sensibilità della metamemoria dal pre al post-sonno.

Utilizzando tecniche di apprendimento automatico per identificare caratteristiche importanti per la classificazione tra stimolazione attiva e simulata, abbiamo scoperto che le caratteristiche di connettività nelle bande theta e fuso differivano significativamente tra le due condizioni.

Inoltre, abbiamo scoperto che i cambiamenti nella lunghezza del percorso nella banda beta predicevano cambiamenti nella sensibilità della memoria, in quanto gli aumenti delle prestazioni durante la notte erano correlati alla diminuzione della lunghezza del percorso beta in seguito alla stimolazione.

Presi insieme, questi risultati contribuiscono a un crescente corpus di ricerche che indagano i processi neurali alla base delle riattivazioni e del consolidamento della memoria durante il sonno e suggeriscono che la modulazione della lunghezza del percorso a frequenze specifiche durante il processo di consolidamento può portare a una maggiore fiducia e a un migliore processo decisionale per i ricordi appena consolidati.

Le brevi raffiche di tES, o STAMP, utilizzate nel presente esperimento hanno aumentato la coerenza complessiva del cuoio capelluto nelle bande di frequenza più basse, vale a dire nelle bande theta, alfa e fuso, o essenzialmente da 3 a 15 Hz. È interessante notare che cambiamenti nella connettività della banda fusiforme durante il sonno sono stati riscontrati anche dopo l'apprendimento; tuttavia, non sono stati riscontrati cambiamenti nella connettività nelle bande delta o gamma dopo la stimolazione STAMP, il che è in qualche modo in contrasto con il lavoro sperimentale precedente (Mölle et al., 2004).

Tuttavia, il protocollo di stimolazione utilizzato qui differiva ampiamente dagli studi precedenti: abbiamo utilizzato brevi raffiche di correnti elettriche distribuite spaziotemporalmente che erano progettate principalmente per richiamare ricordi specifici a causa della loro unicità e associazione con il periodo di codifica, non per modulare o trascinare oscillazioni specifiche. È importante sottolineare che l'attività nelle bande di frequenza riportate, in particolare nelle bande theta e fuso, è correlata al processo di consolidamento della memoria (Staresina et al., 2015).

Pertanto, gli STAMP potrebbero aver modulato i processi in corso di riattivazione o consolidamento della memoria durante il sonno, portando a cambiamenti nella connettività nelle bande di frequenza osservate. Lavori recenti hanno messo in dubbio l'efficacia di tES nell'influenzare in modo significativo il comportamento (Horvath et al., 2015), nonché come nella sua capacità di modulare modelli di attivazione neurale o attività oscillatoria (Lafon et al., 2017; Vöröslakos et al., 2018).

Tuttavia, altri studi hanno dimostrato cambiamenti neurali misurabili negli esseri umani e nei primati non umani dopo la tES, anche a livelli di intensità inferiori (Huang et al., 2017; Krause et al., 2017; Opitz et al., 2016). Una preoccupazione particolare è la capacità del tES, in particolare della stimolazione a corrente alternata, di trascinare le oscillazioni neurali a una frequenza specifica.

Qui, non affermiamo che i cambiamenti elettrofisiologici riportati siano dovuti al trascinamento oscillatorio dei brevi impulsi di stimolazione, o che stiamo inducendo questi cambiamenti de novo, ma piuttosto che gli STAMP agiscono per potenziare i processi di consolidamento della memoria in corso, che avvengono attraverso sottili modulazioni della rete connettività a livello. Vorremmo sostenere che i modelli di connettività osservati durante il sonno sono fenomeni naturali che si verificano e portano al consolidamento della memoria, e la stimolazione STAMP ha agito su questi processi preesistenti per aumentare la sensibilità della metamemoria.

La modulazione riportata delle metriche teoriche dei grafi nelle bande theta e del fuso che seguono gli STAMP è in linea con ricerche precedenti che implicano queste oscillazioni nei processi di riattivazione e consolidamento della memoria. La riattivazione mirata della memoria durante il sonno con segnali uditivi suscita aumenti della potenza theta e del fuso (Ong et al., 2016; Schreiner et al.,2015; Schreiner & Rasch, 2014).

Numerosi studi hanno inoltre dimostrato l'importanza dell'attività della banda theta per la codifica e il recupero della memoria durante la veglia (Backus et al., 2016; Lega et al., 2012; Nyhus & Curran, 2010); in particolare, le oscillazioni theta nell'ippocampo sono fondamentali per la codifica della memoria episodica (Hasselmo et al., 2002; Lin et al., 2017). Allo stesso modo, i fusi talamocorticali sono correlati alla memoria episodica (Van Der Helm et al., 2011) e svolgono un ruolo importante nel processo di consolidamento della memoria, facilitando potenzialmente il trasferimento di informazioni appena codificate nei lobi temporali mediali a rappresentazioni stabili nella corteccia cerebrale (Sirota et al., 2003; Staresina et al., 2015).

Durante il sonno, l'attività Theta potrebbe essere indicativa del processo di riattivazione della memoria, mentre l'attività del fuso potrebbe riflettere il consolidamento attivo dei ricordi riattivati. In questo caso, gli STAMP potrebbero aver stimolato la riattivazione dei ricordi associati, portando a un maggiore consolidamento di queste informazioni. Questo consolidamento ha portato ad una maggiore fiducia per le memorie a valle.

Le misure teoriche del grafico in banda theta che erano significativamente modulate dagli STAMP erano coerenza e densità medie. La coerenza media si riferisce alla coerenza media tra tutti i vertici, mentre la densità è calcolata come il numero di connessioni nel grafico, normalizzato per il numero totale possibile di connessioni (Sporns, 2003).

I cambiamenti in queste misure suggeriscono che gli STAMP hanno aumentato la coerenza complessiva nella banda theta tra i canali, portando a un maggior numero di bordi sopra la soglia di interruzione e quindi a una densità di connessione media più elevata. Questa maggiore coerenza e densità possono riflettere un aumento nello scambio di informazioni nella thetaband attraverso le aree neurali che seguono gli STAMP. Ciò è in linea con i risultati precedenti che implicano un aumento della coerenza theta tra l'ippocampo e la corteccia rinale (Fell et al., 2003), nonché la corteccia frontale (Anderson et al., 2009; Benchenane et al., 2010), importanti per apprendimento e memoria e potenzialmente critici per le riattivazioni della memoria (Carr et al., 2011).

Le misure teoriche del grafico a banda fusiforme che differivano significativamente dopo la stimolazione STAMP erano la lunghezza e il raggio del percorso. Queste misure sono correlate: il raggio si riferisce all'eccentricità minima del grafico e la lunghezza del percorso si riferisce all'eccentricità media del grafico, dove l'eccentricità di un nodo è definita come la distanza massima da qualsiasi altro nodo (Sporns, 2003).

La lunghezza del percorso è spesso considerata una misura dell'integrazione della rete o dell'efficienza del trasferimento delle informazioni, con lunghezze del percorso più piccole che riflettono una maggiore efficienza (Bullmore & Sporns, 2009; Reijneveld et al., 2007).

In questo caso, gli STAMP hanno portato a una diminuzione media della lunghezza del percorso e del raggio nella banda del fuso, il che significa che l’eccentricità media e minima sono diminuite e l’efficienza del trasferimento delle informazioni è aumentata.

Ciò potrebbe riflettere una riorganizzazione della rete verso una rete di piccolo mondo (Watts & Strogatz, 1998), una struttura quasi ottimale tra un sistema perfettamente ordinato e organizzato in modo casuale, consentendo una maggiore flessibilità e sincronizzazione dell'attività neurale (Barahona & Pecora, 2002). ; Bassett e Bullmore, 2006; Masuda e Aihara, 2004). I cambiamenti nella "piccola mondanità" sono spesso misurati come cambiamenti nella lunghezza del percorso senza cambiamenti concomitanti nel clustering locale o nel coefficiente di cluster.

Pertanto, il cambiamento osservato nella lunghezza del percorso può suggerire una maggiore sincronizzazione tra le aree cerebrali, portando a un trasferimento di informazioni più efficiente da parte dei fusi. Si noti che gli effetti nella banda theta erano più strettamente correlati ai cambiamenti complessivi nella coerenza media, essenzialmente cambiamenti nell'entità della connettività rispetto all'efficienza.

Anche se i dati qui riportati non sono in grado di stabilire un nesso causale tra questi cambiamenti, una relazione ipotetica è che STAMP abbia causato una maggiore connettività nella banda theta (Fell et al., 2003) e l'efficienza di trasferimento delle informazioni del fuso, misurata come lunghezza del percorso, sia stata aumentata per compensare per questo aumento, portando ad una maggiore riattivazione della memoria.

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