Cervelletto umano e connessioni corticocerebellari coinvolte nel potenziamento della memoria emotiva - Parte 2

Le informazioni emotive vengono ricordate meglio delle informazioni neutre. Numerose prove indicano che l’amigdala e le sue interazioni con altre regioni cerebrali svolgono un ruolo importante nell’effetto di potenziamento della memoria dell’eccitazione emotiva. Sebbene il cervelletto sia coinvolto nel condizionamento della paura, il suo ruolo nel potenziamento emotivo della memoria episodica è meno chiaro. Per affrontare questo problema, abbiamo utilizzato un approccio MRI funzionale dell’intero cervello in 1.418 partecipanti sani.

L'emozione si riferisce ai sentimenti e alle esperienze interiori dell'uomo ed è una parte importante delle attività psicologiche umane. La memoria è una capacità intellettuale fondamentale degli esseri umani. È il processo attraverso il quale gli esseri umani ottengono informazioni dalle esperienze passate, le preservano e le rivedono. Entrambi svolgono un ruolo importante nelle attività della vita umana e esiste una stretta relazione tra loro.

Il rapporto tra informazione emotiva e memoria è molto stretto. Secondo la ricerca, quando le persone sperimentano esperienze emotive, elaborano le informazioni emotive in modo più approfondito e dettagliato, migliorando così il punto di partenza e la forza di conservazione delle informazioni nella memoria. Ciò significa che l'esperienza interiore contenuta nell'esperienza emotiva è più facile da ricordare da parte del cervello umano e più difficile da dimenticare.

Pertanto, le informazioni emotive possono anche stimolare l’entusiasmo umano per l’apprendimento e la creazione. Durante le esperienze emotive, le persone sono più sensibili e curiose riguardo alle informazioni che ricevono, promuovendo così l’apprendimento e la creatività umana. Allo stesso tempo, l’esperienza emotiva può anche stimolare l’espressione emotiva e le abilità sociali delle persone, migliorando così l’intimità delle relazioni emotive umane.

In sintesi, il rapporto tra informazione emotiva e memoria è inscindibile. L’esperienza emotiva può promuovere una profonda comprensione delle informazioni e dell’immagazzinamento della memoria, e l’immagazzinamento della memoria può migliorare la risposta all’esperienza emotiva umana e le capacità di espressione emotiva. Pertanto, dovremmo prestare maggiore attenzione alle nostre esperienze emotive e cercare di trovare più bellezza e felicità nella comunicazione emotiva per promuovere il miglioramento delle nostre emozioni e della memoria. Si può vedere che dobbiamo migliorare la nostra memoria. La Cistanche deserticola può migliorare significativamente la memoria, perché la Cistanche deserticola può anche regolare l'equilibrio dei neurotrasmettitori, come aumentare i livelli di acetilcolina e fattori di crescita. Queste sostanze sono molto importanti per la memoria e l'apprendimento. Inoltre, la carne 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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Innanzitutto, abbiamo identificato cluster attivati ​​in modo significativo durante la codifica della memoria potenziata di immagini emotive negative e positive. Oltre alle ben note regioni cerebrali legate alla memoria emotiva, abbiamo identificato un cluster nel cervelletto. Abbiamo quindi utilizzato un modello causale dinamico e identificato diverse connessioni cerebellari con una maggiore forza di connessione corrispondente a una maggiore memoria emotiva, inclusa una con un cluster che copre l'amigdala e l'ippocampo e connessioni bidirezionali con un cluster che copre la corteccia cingolata anteriore. I presenti risultati indicano che il cervelletto è parte integrante di una rete coinvolta nel potenziamento emotivo della memoria episodica.

La memoria potenziata per le informazioni che suscitano emotivamente è un fenomeno ben riconosciuto che ha valore adattivo in termini evolutivi, poiché è vitale ricordare sia le situazioni pericolose che quelle favorevoli (1, 2). Da studi sui roditori, è ben noto che l'eccitazione emotiva porta all'attivazione noradrenergica dell'amigdala, che a sua volta attiva l'ippocampo e altre regioni del cervello per migliorare il consolidamento della memoria delle informazioni emotivamente stimolanti (3-5).

Inoltre, ci sono prove da studi sull'uomo che l'eccitazione emotiva e l'attivazione noradrenergica regolano già i processi di memoria durante la codifica (6-10) e che la forza della connessione dall'amigdalo all'ippocampo viene rapidamente aumentata durante la codifica delle informazioni emotivamente stimolanti rispetto alle informazioni neutre (11). Oltre all'amigdala e all'ippocampo, due meta-analisi di studi sull'attivazione del cervello umano utilizzando la risonanza magnetica funzionale (fMRI) hanno indicato la potenziale rilevanza di diverse regioni cerebrali aggiuntive per la codifica potenziata della memoria dichiarativa mediante eccitazione emotiva, tra cui il giro medio-occipitale, il giro frontale medio, il giro fusiforme giro, giro frontale inferiore, giro sopramarginale, corteccia orbitofrontale, corteccia parietale, claustro, caudato e insula (12, 13).

Anche se il cervelletto è stato occasionalmente elencato negli studi fMRI come potenziamento della memoria emotiva (14, 15), una meta-analisi comprendente 15 studi non lo ha elencato (12). Una meta-analisi più recente comprendente 25 studi ha rilevato che il cervelletto era significativamente attivato, ma dopo aver escluso tre studi che non mostravano alcun effetto di miglioramento comportamentale, il significato è svanito (13). Potenziali ragioni per questa ambiguità includono che il cervelletto potrebbe aver mostrato solo livelli di significatività sottosoglia in studi individuali o che il cervelletto non è stato incluso a priori nell'analisi (16).

Il cervelletto è tipicamente noto per il suo importante ruolo nel controllo delle funzioni motorie (17). Tuttavia, ci sono prove che gli output del cervelletto prendono di mira non solo le aree motorie corticali ma anche diverse regioni corticali e sottocorticali non motorie che sono coinvolte nelle funzioni cerebrali superiori, comprese le emozioni e la cognizione (18-21), e che il cervelletto stesso contiene robuste rappresentazioni di più reti coinvolte in queste funzioni (22, 23).

In particolare, è noto dagli studi sugli animali e sugli esseri umani che il cervelletto svolge un ruolo importante nel condizionamento della paura (19, 24–27), che è tradizionalmente classificato come una forma di apprendimento inconscia o non dichiarativa con una forte componente emotiva (5, 28). È meno chiaro, tuttavia, se il cervelletto sia coinvolto anche nell'effetto potenziante dell'eccitazione emotiva sulla memoria episodica, una forma dichiarativa di memoria che richiede la codifica della memoria cosciente e consente il ricordo cosciente delle informazioni insieme al loro contesto (5, 29, 30).

Studi su lesioni animali e umane e studi di neuroimaging umano indicano che il condizionamento alla paura e il potenziamento emotivo della memoria episodica dipendono in parte dalle stesse basi neurali, come l'amigdala (5, 12,31, 32). Pertanto, il cervelletto potrebbe essere coinvolto non solo nel condizionamento della paura ma anche nel potenziamento emotivo della memoria episodica. Nel presente studio, abbiamo indagato se il cervelletto e le connessioni cerebellare-cerebrali sono coinvolti nel fenomeno della memoria episodica superiore che suscita emotivamente informazioni visive.

Abbiamo utilizzato un campione fMRI di 1.418 partecipanti umani sani che hanno eseguito un compito di codifica di immagini contenente immagini emotive e neutre positive e negative, seguito da un test di richiamo libero, che valuta la memoria episodica (29, 30), 20 minuti dopo la fine della codifica. Sebbene sia stato identificato che l'eccitazione emotiva piuttosto che la valenza guida l'effetto di potenziamento della memoria delle informazioni salienti sulla memoria episodica (5, 33, 34), sono state identificate anche differenze legate alla valenza (35).
Qui ci siamo concentrati sull'identificazione degli effetti di eccitazione emotiva comuni alla valenza positiva e negativa. L'ampia dimensione del campione ci ha permesso di dividere il campione in una scoperta (n=945 partecipanti) e un campione di replica (n=473 partecipanti; vedere Materiali e metodi). Per misurare i correlati neurali della memoria superiore per le informazioni emotive durante la codifica, abbiamo utilizzato il successivo paradigma della memoria emotiva (12). Questo paradigma valuta la differenza tra l'attività di codifica degli elementi emotivi successivamente richiamati con successo rispetto a quella degli elementi emotivi non richiamati, rispetto agli elementi neutrali richiamati rispetto agli elementi neutri non richiamati (definita "codifica della memoria emotiva potenziata"). Inizialmente, abbiamo identificato voxel con un'attività significativamente aumentata durante la codifica della memoria emotiva potenziata nel campione scoperto. Abbiamo eseguito questa analisi per l'intero cervello, compreso il cervelletto.

Dai voxel che mostravano una maggiore attività durante la codifica della memoria emotiva potenziata, abbiamo definito le regioni di interesse (ROI). Abbiamo definito le ROI funzionalmente, piuttosto che anatomicamente, poiché la sensibilità nel rilevare la presenza di connessioni può essere aumentata utilizzando ROI che corrispondono ai confini funzionali effettivi (36). Nello specifico, abbiamo combinato voxel con un profilo di risposta simile per creare ROI spazialmente coerenti e temporalmente omogenee utilizzando un approccio di clustering (37). Abbiamo quindi testato se le ROI identificate mostrassero un aumento di attività durante la codifica della memoria emotiva potenziata nel campione di replica.

Con le ROI replicate (cioè una ROI cerebellare, 25 ROI cerebrali) abbiamo finalmente esplorato la connettività effettiva diretta tra la ROI cerebellare e le ROI cerebrali utilizzando il modello causale dinamico (DCM) (38, 39) in entrambi i campioni. Mentre la DCM è stata originariamente sviluppata Per testare ipotesi specifiche riguardanti la presenza, la direzione e i modulatori della connettività effettiva tra un insieme di regioni cerebrali predefinite, può anche essere applicato in modo esplorativo coinvolgendo un gran numero di regioni e modelli del cervello ([40]; vedere Materiali e metodi).

Qui abbiamo applicato la DCM per esplorare la connettività diretta ed effettiva tra la ROI cerebellare e le ROI cerebrali coinvolte nel potenziamento della memoria emotiva. La DCM ci ha permesso di determinare 1) se la forza di quelle connessioni è stata aumentata durante la codifica della memoria emotiva con successo, e 2) la direzione della connettività effettiva per apprendere se l'input dal cervelletto guida causalmente un ROI cerebrale implicato nel miglioramento della memoria emotiva o se la direzione dell'influenza è la il contrario.

Risultati

Dati comportamentali: miglioramento della memoria emotiva. I risultati comportamentali sia nei campioni di scoperta che in quelli di replica hanno indicato che i partecipanti ricordavano liberamente più immagini emotive (positive e negative) rispetto alle immagini neutre (campione di scoperta, differenza media: 4,50 ± 2,76 [media ± SD], T {{4} },01, P=7,53 x10-268, n=945; campione di replica, differenza media: 4,65 ±2,60 [media ± SD], T=38,82, P=7.03 x 10-149, n=473). Per una descrizione dettagliata dei dati comportamentali, vedere riferimento(11). Questo miglioramento della memoria emotiva non era significativamente associato all'età o al sesso (P > 0,05; 2-sided).

Attività correlata alla codifica potenziata della memoria emotiva.

Per il contrasto che rappresenta una codifica della memoria emotiva potenziata, sono stati identificati 7,708 voxel con maggiore attività nel campione scoperto a livello dell'intero cervello, corretti per confronti multipli utilizzando la procedura di tasso di errore familiare (FWE) (n { {4}}, Pwhole-brain-FWE-corretto < 0.05; Appendice SI, Fig. S2 e Tabella S3). Non abbiamo osservato associazioni positive o negative significative tra l'attività e gli effetti di sesso, età, cambiamenti nel software dello scanner o cambiamenti nelle bobine del gradiente (Pwhole-brain-FWE-corretto > 0,05).

I voxel relativi alla codifica della memoria emotiva migliorata sono stati suddivisi in 30 cluster (cioè ROI) per ridurre la dimensionalità dei dati (Fig. 1 e Appendice SI, Fig. S3-S7, vedere Materiali e metodi per i dettagli sul metodo di parcellizzazione). Un cluster (ROI 11) conteneva voxel isolati e piccoli cluster di voxel che non erano spazialmente coerenti e sono stati quindi rimossi da ulteriori analisi.

Delle 29 ROI rimanenti, 28 erano localizzate nelle regioni neocorticali e sottocorticali del cervello e una era nel cervelletto (Fig. 1; vedere Appendice SI, Tabella S5 per dettagli sul numero di voxel e sul percluster di corrispondenza anatomica). Secondo un atlante probabilistico di risonanza magnetica (RM) del cervelletto umano (41), il cluster cerebellare nel campione di scoperta mappava principalmente sul verme del cervelletto (massimo locale del 76% nel lobulo IX e del 22% nel campione di replicazione) .

Delle 29 ROI identificate nel campione di scoperta, 26 ROI (incluso il cervelletto) sono state attivate in modo significativo anche durante la codifica della memoria emotiva potenziata nel campione di replica (soglia di significatività per i massimi ROI: T=4.41, P < {{ 4}}.05, unilaterale, corretto da Bonferroni per tutti i voxel significativi delle 29 ROI identificate nel campione di scoperta). I massimi per le ROI 7, 13 e 25 non hanno raggiunto la significatività nel campione di replica e pertanto queste ROI non sono state considerate per l'analisi DCM.

In sintesi, le 26 ROI replicate sono mappate sulla corteccia occipitale, temporale, parietale e frontale e sull'amigdala/ippocampo, sul cingolato, sul talamo, sul tronco encefalico e sul cervelletto (Fig. 1; Appendice SI, Tabella S5).

In particolare, l'attività correlata alla codifica della memoria riuscita non differiva in modo significativo tra le immagini positive e negative nella ROI cerebellare sia nei campioni di scoperta che in quelli di replica (Pwhole-brain-FWE-corretto > 0.05, P corretto per piccoli volumi > 0,001).

DCM: forza della connessione durante la codifica della memoria emotiva migliorata.

Le 26 ROI replicate relative alla codifica potenziata della memoria emotiva sono entrate nell'analisi DCM. Per studiare i cambiamenti nella forza della connessione durante la codifica potenziata della memoria emotiva tra la ROI cerebellare e le restanti 25 ROI cerebrali, abbiamo utilizzato una serie di DCM 2-nodo (cervelletto per tutti gli altri) per esplorare tutte le connessioni a coppie (bidirezionali) (notare che a un gran numero di parametri del modello ha impedito l'inclusione di tutte le 26 ROI in un unico modello DCM).

All'interno del campione scoperto, 25 connessioni (delle 50possibili connessioni unidirezionali) hanno mostrato una maggiore forza durante la codifica della memoria emotiva potenziata (probabilità posteriore > 0.99). Considerando il numero di test, abbiamo applicato una soglia di probabilità conservativa di 0.99 e replicato i risultati in un campione indipendente utilizzando la stessa soglia (38, 42, 43). Quindici delle 25 connessioni avevano anche una maggiore forza nel campione di replica (probabilità posteriore> 0,99) (Fig. 2 e Appendice SI, Figg. S8-S10). Di queste 15 connessioni replicate, 11 connessioni hanno mostrato una maggiore forza di connessione dal cervelletto alle regioni cerebrali.

Di particolare interesse è la forte connessione dalla ROI cerebellare alla ROI 26 che include i voxel dell'amigdala e dell'ippocampo (Fig. 2). Quattro connessioni hanno mostrato una maggiore forza di connessione dalle regioni cerebrali al cervelletto (Fig. 2). Le connessioni tra la ROI cerebellare e la ROI 22 che include i voxel della ROI cingolata rostraanteriore e tra la ROI cerebellare e la ROI 9 che contiene i voxel della corteccia precentrale hanno mostrato una maggiore forza in entrambe le direzioni.

Discussione

Il presente studio mirava a indagare se il cervelletto e le connessioni cerebellare-cerebrali sono coinvolti nel fenomeno della memoria episodica superiore per informazioni visive emozionalmente stimolanti. Nella prima fase, abbiamo identificato i cluster che mostravano una maggiore attività durante la codifica potenziata delle immagini emotive. I cluster cerebrali sono mappati sulla corteccia occipitale, temporale, parietale e frontale, sull'amigdala/ippocampo, sul cingolato e sul talamo. Questi risultati sull'attivazione cerebrale sono in gran parte in linea con i risultati di due meta-analisi sulla codifica della memoria emotiva potenziata negli esseri umani (12, 13) e con un ampio lavoro sperimentale sugli animali (4, 32, 44).

Oltre a queste regioni cerebrali, abbiamo trovato prove consistenti di un cluster situato principalmente all'interno del verme del cervelletto che mostra un aumento dell'attività durante la codifica della memoria emotiva potenziata in due grandi campioni. È interessante notare che la linea mediana del cervelletto viene attivata durante il ricordo di episodi emotivi della vita personale, indicando il ruolo di questa regione nel recupero della memoria emotiva (21).

Sono sempre più numerose le prove che il cervelletto, in particolare il verme cerebellare, è coinvolto in modo cruciale nel condizionamento alla paura (19, 24, 26, 27). Nei roditori è stato dimostrato che le lesioni del verme aboliscono il condizionamento della frequenza cardiaca (45) e che il verme è necessario per un condizionamento intatto della paura (46). Negli esseri umani, è stato riportato che i pazienti con lesioni del verme cerebellare mostrano una ridotta acquisizione della bradicardia condizionata dalla paura (47). Inoltre, uno studio fMRI su partecipanti sani ha scoperto che il verme è coinvolto nel condizionamento classico dell'ammiccamento (48).

Il verme ha proiezioni efferenti alle regioni limbiche, tra cui l'amigdala e l'ippocampo, strutture coinvolte rispettivamente nel ritardo del condizionamento e nel tracciamento del condizionamento (49). La connessione del verme con l'amigdala e l'ippocampo consentirebbe anche un'influenza del verme sul potenziamento dei ricordi episodici attraverso l'eccitazione emotiva, che dipende da entrambe le strutture (5). I risultati del presente studio infatti indicano che il verme non è coinvolto solo nel condizionamento alla paura, ma è anche coinvolto nel fenomeno della memoria episodica superiore delle informazioni visive che suscitano emotivamente.

La successiva analisi della connettività DCM ha indicato che diverse connessioni cerebellari-cerebrali hanno mostrato una maggiore forza durante una maggiore codifica della memoria emotiva (Fig. 2), suggerendo che il cervelletto è una componente integrale della rete coinvolta nel miglioramento della memoria emotiva. Nello specifico, abbiamo trovato 11 connessioni con maggiore forza di connessione dal cervelletto alle regioni cerebrali. Nel contesto della codifica potenziata della memoria emotiva, la connessione alla ROI che include i voxel dell'amigdala e dell'ippocampo (ROI 26) sembra di particolare interesse. È stato dimostrato che il cervelletto e l'amigdala sono funzionalmente interconnessi durante il condizionamento alla paura (50, 51).

Inoltre, studi su ratti e gatti hanno dimostrato che la stimolazione elettrica del verme (al di fuori di un contesto di apprendimento) modula (cioè alcune unità sono facilitate e altre sono inibite) l'attività dell'amigdala e dell'ippocampo (52, 53), indicando che il verme è funzionalmente connesso con questi sistemi limbici. regioni. Questi risultati concordano con la direzione trovata nell’attuale analisi DCM, indicando un’influenza del verme sulla ROI 26. Esistono ampie prove che l’amigdala e l’ippocampo, così come le loro interazioni, sono coinvolti in modo cruciale nell’effetto di potenziamento dell’eccitazione emotiva nella memoria episodica ( 4, 5, 11, 54).

Abbiamo anche trovato prove del coinvolgimento delle connessioni bidirezionali del cervelletto con la ROI, che includevano voxel della corteccia cingolata anteriore (ROI 22), nel potenziamento della memoria emotiva. Uno studio MRI sulla connettività funzionale in stato di riposo su esseri umani sani ha dimostrato che il cingolo è funzionalmente connesso con il cervelletto (23). Inoltre, il cingolato anteriore è stato correlato alle emozioni, alla valutazione della ricompensa e alle rappresentazioni di valore (55). È stato postulato che la corteccia cingolata anteriore, oltre all'amigdala e all'insula, sia una parte fondamentale di una rete di salienza su larga scala che funziona per separare gli stimoli più rilevanti tra interni ed extrapersonali per guidare il comportamento (56, 57).

Inoltre, è stato riportato che la rete di salienza viene attivata dall'attivazione noradrenergica (58), un sistema di neurotrasmettitori coinvolto in modo cruciale non solo nei processi di eccitazione e attenzione ma anche nel potenziamento della memoria emotiva (59). È interessante notare che il locus coeruleus, il sito principale per la sintesi cerebrale di noradrenalina, proietta anche ad aree di tutto il cervelletto (60). Non è ancora stato stabilito se il cervelletto venga attivato direttamente dal locus coeruleus o indirettamente dalla rete di salienza.

Inoltre, abbiamo trovato una connessione bidirezionale del cervelletto con la ROI nella corteccia frontale (principalmente precentrale) che potrebbe essere correlata alla regolazione delle funzioni motorie (61), possibilmente all'apprendimento motorio, nel contesto del miglioramento della memoria emotiva. Infine, abbiamo trovato connessioni con maggiore forza di connessione da due ROI cerebrali al cervelletto (cioè, ROI 10, inclusi i voxel del giro linguale e peri calcarino, e ROI 23, inclusi i voxel della corteccia occipitale laterale).

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