폐쇄 루프 경두개 신경 자극을 통한 수면 중 뇌 연결 변경으로 후기억 민감도 예측 3부
May 17, 2024
결과
행동 효과
Pilly 등이 보고한 바와 같습니다. (2020), STAMP 자극은 전반적인 기억 회상 정확도의 상당한 개선으로 이어지지 않았습니다. 그러나 STAMP 자극은 실험 3일차(2박 이후)에 메타메모리 민감도를 향상시켰습니다.
메타기억 민감도는 자신이 갖고 있는 기억 능력에 대한 개인의 인식과 이해를 의미하며, 기억 능력은 특정 실천에서 나타나는 개인의 기억 능력을 의미합니다. 둘 사이에는 긴밀한 관계가 있습니다.
첫째, 메타메모리 민감도는 메모리 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 어떤 사람이 특정 유형의 기억에 대해 자신이 있다고 믿는다면, 그 사람은 그것을 기억하기 위해 더 열심히 노력하고 해당 유형의 기억 작업을 더 잘 수행하는 경향이 있습니다. 대조적으로, 사람이 자신의 기억 능력에 대한 자신감이 부족하면 기억 작업 수행 능력이 저하되어 기억 능력이 저하될 수 있습니다.
둘째, 긍정적인 메타기억 민감도는 기억력 향상에 도움이 됩니다. 자신의 기억력에 개선의 여지가 있다고 생각하는 사람은 기억력 훈련에 더욱 적극적으로 참여하게 되어 기억의 정확성과 지속성이 향상됩니다. 자신의 기억력이 최고조에 달했다고 믿는 사람들은 종종 새로운 기억력 도전을 받아들이지 못하여 기억력을 향상시킬 수 있는 기회를 놓치게 됩니다.
그러므로 우리는 메타기억 민감성을 적극적으로 배양하고, 기억 능력에 대한 제한과 설정을 깨고, 기억 작업이 계속해서 향상될 수 있다고 믿어야 합니다. 동시에 우리는 기억력을 향상시키기 위해 축적된 훈련과 연습에 의존하여 특정 연습에서 더 효과적으로 사용할 수 있도록 해야 합니다. 이런 방법으로만 우리는 기억력 잠재력을 극대화하고 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다. 기억력 향상이 필요하다고 볼 수 있는데, Cistanche Deserticola는 아세틸콜린 수치와 성장인자 수치를 높이는 등 신경전달물질의 균형도 조절할 수 있기 때문에 기억력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이 물질은 기억과 학습에 매우 중요합니다. 또한 Cistanche Deserticola는 혈류를 개선하고 산소 전달을 촉진하여 뇌에 충분한 영양분과 에너지를 공급하여 뇌 활력과 지구력을 향상시킬 수 있습니다.
구체적으로, 여러 조건에 걸쳐 메타메모리 감도를 비교하는 종속 t-테스트에서는 태그 및 큐 조건의 감도가 태그 및 큐 없음 조건 [t(23)=3.51,adjusted p < 0)보다 훨씬 더 큰 것으로 나타났습니다. .01, 두 가지 비교에 대한 Holm–Bonferroni 수정; 쌍표본 Cohen'sd=0.72] 및 Sham 조건 [t(23)=2.089, 조정된 p=0.048, 두 비교에 대한 Holm–Bonferroni 보정; 대응표본 Cohen의 d=0.43].
메타메모리 감도의 상당한 개선은 실험 3일차에만 발견되었습니다. 따라서 원샷 시청 후 이틀 밤의 SWO 동안 STAMP를 적용하면 태그가 지정되고 신호가 전달된 에피소드에 대한 메타 메모리가 특정 향상되었습니다.
글로벌 일관성 변경
첫 번째 단계로, 우리는 자극이 연결성에 측정 가능한 변화를 가져왔는지 확인하기 위해 STAMP 자극으로 인해 두피 전체의 평균 일관성의 전반적인 변화를 조사했습니다.
또한, 우리는 이전 연구를 재현하고 자극이 수면 중 학습과 유사한 일관성 변화를 생성하는지 평가하려고 했습니다(Mölle et al., 2004). 이전 연구(Mölle et al., 2004)는 학습 후 수면 중 델타, 방추 및 감마대 일관성의 변조를 보고했습니다. 대조적으로, 다른 연구(Polanía et al., 2011)에서는 tDCS 자극 후 모든 주파수 대역에서 연결성이 증가한 것으로 나타났습니다.
따라서 우리는 STAMP 자극이 델타, 스핀들 및 감마 밴드에서 Sham 조건에 비해 평균 일관성을 증가시킬 것이라는 가설을 세웠지만 보수적인 통계 테스트를 통해 다른 밴드의 차이도 조사했습니다.
전역 연결성 변화를 조사하기 위해 Active 및 Sham 기준 수정 데이터에 대해 모든 주파수 대역의 평균 iCoh 값을 계산했으며, 이에 따라 각 주파수 대역의 평균 일관성 값에 대해 단측 t-테스트를 수행하고 p의 잘못된 발견률을 사용하여 수정했습니다.< 0.05 (Benjamini & Hochberg, 1995).
두피 전체의 활성 상태에서 더 큰 연결성을 보여주는 일관성 맵은 시각화 임계값을 각 주파수 대역에 대한 가짜 조건의 최대값으로 설정하여 시각화되었으며, 본질적으로 가짜 조건을 뺍니다. 다양한 주파수 대역에서 자극으로 유발된 평균 일관성 변화가 그림 3에 표시되어 있습니다.
지형 플롯은 가짜 조건의 일관성에 의해 임계값이 지정된 활성 상태의 전극 쌍 간의 일관성을 표시하는 반면, 임계값에 표시된 상자 그림은 전체 두피에 걸쳐 평균 일관성 값을 표시합니다. 두피 전반에 걸쳐 일관성의 전반적인 변화를 분석한 결과, STAMP가 여러 주파수 대역에서 평균 일관성이 크게 증가한 것으로 나타났습니다.
EEG 일관성은 Sham 조건과 비교하여 세타, 알파 및 스핀들 밴드(p < 0.05)에서 STAMP 후에 크게 증가했습니다. 델타, 베타 및 감마 밴드의 평균 일관성은 자극 조건 간에 크게 다르지 않았습니다. . 따라서 특정 주파수 대역에서 STAMP 자극으로 인해 뇌 연결성이 변화합니다.
분류 및 행동 예측
분류 분석 결과는 그림 4에 표시되고 표 1에 요약되어 있습니다. Boruta가 선택한 기능에 대한 접힌 부분의 평균 중요도 값은 왼쪽에 표시되어 있으며 지속적으로 중요하다고 간주되는 기능은 녹색으로 강조 표시되어 있습니다(평균 Shadowmax보다 훨씬 높음). 접힌 부분 전체에서 스핀들 밴드의 반경(12-15Hz)이 가장 중요한 특징으로 일관되게 선택되었습니다.
기타 중요한 기능으로는 경로 길이(12~15Hz) 및 평균 일관성 및 밀도(3~8Hz)가 있습니다. 분류기 성능의 ROC 곡선은 오른쪽에 표시됩니다. Mason과 Graham(2002)에 설명된 대로 Mann–Whitney U 테스트는 분류기 성능이 확률보다 통계적으로 유의한지 확인하기 위해 각 분류기에 대해 수행되었습니다(AUC=0.5). 모든 테스트에서 유의미한 p 값이 보고되었습니다(p < 0.001).
우리는 10000 부트스트랩 복제를 사용하여 계층화된 부트스트랩 리샘플링 접근 방식을 사용하여 95% 신뢰 구간을 추가로 계산했으며, 이는 가능성이 높은 분류 성능을 더욱 입증했습니다(Carpenter & Bithell, 2000).
따라서 분류 정확도는 확률보다 높았으며 분류 및 회귀 분석에서 상위 변수(16~30Hz의 경로 길이, 12~15Hz의 반경)를 사용하여 최고의 분류 성능을 얻었습니다.
후속 분석으로 분류를 위해 Boruta 알고리즘이 선택한 4가지 특징을 t-test에 제출하여 Active 조건과 Sham 조건 간의 연결성 차이를 테스트했습니다. 결과 p 값은 {{ 2}}.05.
12~15Hz 경로 길이 및 반경과 3~8Hz 평균 일관성에 대한 수정된 p 값은 유의미했습니다(p= 0.029). 3~8Hz 밀도도 알파 유의 수준에서 유의미했습니다(p=0.05). 따라서 Sham 자극과 비교하여 Active 자극 후에 크게 변경된 연결 기능이 기능 선택 파이프라인에 의해 발견되었습니다. 자극 전에서 후까지의 경로 길이와 반경 특징은 Sham에 비해 활성 조건에서 크게 감소한 반면, 평균 일관성 및 밀도 특징은 Sham에 비해 크게 증가했습니다.
두 조건에 대해 이러한 특징을 보여주는 상자 그림은 지원 정보 그림 S3에 나와 있습니다. 행동 예측 분석의 결과는 그림 5에 표시되고 표 2에 요약되어 있습니다.
여기서 자극 후 신경 측정의 변화는 뇌-행동 관계를 식별하기 위해 2일차부터 3일차까지 태그 & 큐 및 가짜 조건 모두에 대한 회상 테스트 메타기억 민감도(AUC)의 변화를 예측하는 기능으로 사용되었습니다.
그래프 이론적 특징에 대한 Boruta의 중요도 값은 왼쪽에 표시되어 있으며, 베타 대역(16-30Hz)의 경로 길이는 메타메모리 민감도의 변화를 예측하는 데 매우 중요한 것으로 간주되었으며 선택된 유일한 특징입니다. 16-30Hz 경로 길이의 자극으로 인한 변화와 활성(태그 및 큐) 데이터 및 Sham 조건 모두에 대한 AUC 성능의 야간 변화 사이의 관계가 오른쪽에 표시됩니다.
활성 조건(r= −0.66, p= 0.003)에서 베타 대역 경로 길이 변화와 AUC 변화 사이의 상관 관계가 유의미했으며, 이는 STAMP 이후 경로 길이가 감소한 개인이 기억 성능에 긍정적인 변화를 보이는 경향이 있음을 나타냅니다. 이 관계는 Sham 조건(r=−0.22, p=0.39)에서는 중요하지 않았습니다.
이러한 분석 결과를 바탕으로 Active 데이터와 Sham 데이터 모두에 대해 16~30Hz 대역의 경로 길이를 사용하여 메타인지 감도의 밤새 변화를 예측하는 후속 선형 회귀를 실행했습니다.
활성 데이터의 경우 16–30Hz 경로 길이에서 AUC 변화(t=−3.56, p=0.003, adj. R{{7})가 크게 예측되었습니다. }.41). Sham 데이터의 경우 16~30Hz 경로 길이는 중요한 예측 변수가 아닙니다(t=−0.88, p=0.39, adj. R2=−0.01). 활성 조건과 가짜 조건을 비교하기 위한 추가 분석도 수행되었으며 자세한 내용은 지원 정보에 설명되어 있습니다.
논의
현재 실험에서 참가자들은 경두개 전기 자극의 고유한 시공간 패턴을 수신하면서 일화 기억 작업에 참여했으며, 패턴의 하위 집합은 특정 관련 기억의 재활성화 신호를 보내기 위해 다음 밤 SWO의 업 상태 동안 다시 적용되었습니다(Pilly et al., 2020).
여기에서 우리는 수면 중 이러한 tES 패턴에 의해 유도된 기능적 뇌 연결성의 변화를 보고합니다. 이는 수면 전에서 수면 후까지의 메타기억 민감도의 변화를 예측합니다.
능동 자극과 가짜 자극을 분류하기 위한 중요한 기능을 식별하기 위해 기계 학습 기술을 사용하여 우리는 세타 및 스핀들 밴드의 연결 기능이 두 조건 간에 크게 다르다는 것을 발견했습니다.
또한 우리는 베타 밴드의 경로 길이 변화가 기억 민감성 변화를 예측한다는 사실을 발견했습니다. 즉, 밤새 성능이 향상되면 자극 후 베타 경로 길이가 감소하는 것과 관련이 있다는 것입니다.
종합해 보면, 이러한 결과는 수면 중 기억 재활성화 및 통합의 기초가 되는 신경 프로세스를 조사하는 연구가 점점 늘어나고 있는 데 기여하며, 통합 과정 중 특정 주파수에서 경로 길이의 변조가 새로 통합된 기억에 대한 더 높은 신뢰도와 더 나은 의사 결정으로 이어질 수 있음을 시사합니다.
현재 실험에 사용된 tES 또는 STAMP의 짧은 버스트는 낮은 주파수 대역, 즉 세타, 알파 및 스핀들 대역 또는 본질적으로 3~15Hz에서 전반적인 두피 일관성을 증가시켰습니다. 흥미롭게도 수면 중 방추-밴드 연결의 변화는 학습 후에도 발견되었습니다. 그러나 STAMP 자극 후 델타 또는 감마 밴드에서는 연결성의 변화가 발견되지 않았으며 이는 이전 실험 작업과 다소 상충됩니다(Mölle et al., 2004).
그러나 여기에 사용된 자극 프로토콜은 이전 연구와 크게 달랐습니다. 즉, 특정 진동을 변조하거나 동반하지 않고 고유성과 인코딩 기간과의 연관성으로 인해 특정 기억에 신호를 보내도록 주로 설계된 시공간적으로 분산된 전류의 짧은 버스트를 사용했습니다. 중요한 것은 보고된 주파수 대역, 특히 세타 및 스핀들 대역의 활동이 메모리 통합 프로세스와 관련이 있다는 것입니다(Staresinaet al., 2015).
따라서 STAMP는 수면 중 기억 재활성화 또는 통합의 진행 중인 프로세스를 조절하여 관찰된 주파수 대역의 연결성을 변화시켰을 수 있습니다. 최근 연구에서는 행동에 중대한 영향을 미치는 tES의 효과에 대해 의문을 제기했습니다(Horvath et al., 2015). 신경 발화 패턴이나 진동 활동을 조절하는 능력도 마찬가지입니다(Lafon et al., 2017; Vöröslakos et al., 2018).
그러나 다른 연구에서는 심지어 낮은 강도 수준에서도 tES 이후 인간과 인간이 아닌 영장류에서 측정 가능한 신경 변화가 입증되었습니다(Huang et al., 2017; Krause et al., 2017; Opitz et al., 2016). 특히 우려되는 점은 신경 진동을 특정 주파수로 끌어들이는 tES, 특히 교류 자극의 능력입니다.
여기서 우리는 보고된 전기 생리학적 변화가 자극의 짧은 폭발에 대한 진동 동반으로 인한 것이라고 주장하지 않거나 이러한 변화를 새롭게 유도하고 있다고 주장하지 않고 오히려 STAMP가 네트워크의 미묘한 변조를 통해 발생하는 지속적인 메모리 통합 프로세스를 향상시키는 역할을 한다고 주장합니다. -레벨 연결. 우리는 수면 중에 관찰된 연결 패턴이 발생하여 기억 통합으로 이어지는 자연적인 현상이며, STAMP 자극은 메타기억 민감도를 높이기 위해 이러한 기존 프로세스에 작용한다고 주장합니다.
STAMP 이후 세타 및 스핀들 밴드에서 그래프 이론 메트릭의 보고된 변조는 메모리 재활성화 및 통합 프로세스에서 이러한 진동을 암시하는 이전 연구와 일치합니다. 청각 단서를 통해 수면 중 표적 기억 재활성화는 세타 및 방추력의 증가를 유도합니다(Ong 외, 2016; Schreiner 외, 2015; Schreiner & Rasch, 2014).
수많은 연구에서도 깨어 있는 동안 기억 인코딩 및 검색에 대한 세타 밴드 활동의 중요성이 나타났습니다(Backus et al., 2016; Lega et al., 2012; Nyhus & Curran, 2010). 특히 해마의 세타 진동은 일화 기억 인코딩에 중요합니다(Hasselmo et al., 2002; Lin et al., 2017). 마찬가지로, 시상피질 방추는 일화 기억과 관련이 있으며(Van Der Helm et al., 2011) 기억 강화 과정에서 중요한 역할을 하며, 잠재적으로 내측 측두엽에서 새로 암호화된 정보를 대뇌 피질의 안정적인 표상으로 전달하는 것을 촉진합니다(Sirota 등, 2003; Staresina 등, 2015).
수면 중 세타 활동은 기억 재활성화 과정을 나타낼 수 있는 반면 방추 활동은 재활성화된 기억의 활성 통합을 반영할 수 있습니다. 여기서 STAMP는 관련 기억의 재활성화를 신호하여 이 정보의 통합을 강화할 수 있습니다. 이러한 통합으로 인해 다운스트림 메모리에 대한 신뢰도가 향상되었습니다.
STAMP에 의해 크게 변조된 세타밴드 그래프 이론 측정은 평균 일관성과 밀도였습니다. 평균 일관성은 모든 정점에 대한 평균 일관성을 나타내며, 밀도는 가능한 총 연결 수로 정규화된 그래프의 연결 수로 계산됩니다(Sporns, 2003).
이러한 측정값의 변화는 STAMP가 채널 간 세타 대역의 전반적인 일관성을 증가시켜 컷오프 임계값 이상의 에지 수가 많아지고 이에 따라 평균 연결 밀도가 높아진다는 것을 의미합니다. 이러한 더 큰 일관성과 밀도는 STAMP 이후 신경 영역 전반에 걸쳐 세타밴드의 정보 교환 증가를 반영할 수 있습니다. 이는 해마와 코뿔소 피질(Fell et al., 2003)뿐만 아니라 전두엽 피질(Anderson et al., 2009; Benchenane et al., 2010) 사이의 세타 일관성의 증가를 암시하는 이전 연구 결과와 일치합니다. 학습 및 기억에 영향을 미치며 기억 재활성화에 잠재적으로 중요합니다(Carr et al., 2011).
STAMP 자극에 따라 크게 다른 스핀들 밴드 그래프 이론 측정은 경로 길이와 반경이었습니다. 이러한 측정값은 관련 반지름은 그래프의 최소 이심률을 나타내고 경로 길이는 그래프의 평균 이심률을 나타냅니다. 여기서 노드의 이심률은 다른 노드까지의 최대 거리로 정의됩니다(Sporns, 2003).
경로 길이는 종종 네트워크 통합 또는 정보 전송 효율성의 척도로 간주되며, 경로 길이가 짧을수록 효율성이 더 높아집니다(Bullmore & Sporns, 2009; Reijneveld et al., 2007).
여기서 STAMP는 스핀들 밴드의 경로 길이와 반경의 평균 감소로 이어졌으며, 이는 평균 및 최소 편심이 감소하고 정보 전달 효율성이 증가했음을 의미합니다.
이는 신경 활동의 더 큰 유연성과 동기화를 허용하는 완벽하게 정렬된 시스템과 무작위로 구성된 시스템 사이의 거의 최적의 구조인 소규모 네트워크(Watts & Strogatz, 1998)를 향한 네트워크의 재구성을 반영할 수 있습니다(Barahona & Pecora, 2002). ; Bassett & Bullmore, 2006; Masuda & Aihara, 2004). "작은 세계성"의 변화는 로컬 클러스터링 또는 클러스터 계수의 수반되는 변화 없이 경로 길이의 변화로 측정되는 경우가 많습니다.
따라서 관찰된 경로 길이의 변화는 뇌 영역 간의 동기화가 강화되어 방추에 의한 정보 전송이 더 효율적이라는 것을 암시할 수 있습니다. 세타 대역의 효과는 평균 일관성의 전반적인 변화, 즉 효율성이 아닌 연결성 크기의 변화와 더 밀접하게 관련되어 있습니다.
여기의 데이터는 이러한 변화 사이의 인과 관계를 확립할 수 없지만, 가설적인 관계는 STAMP가 세타 대역에서 더 큰 연결성을 유발했으며(Fell et al., 2003), 경로 길이로 측정된 스핀들 정보 전송 효율성이 이를 보상하기 위해 증가했다는 것입니다. 이러한 증가로 인해 메모리 재활성화가 증가합니다.
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