Влияние нагрузки рабочей памяти и интервалов CS-US на формирование задержки моргания

Кондиционирование моргания используется у многих видов для изучения двигательного обучения и получения выводов о функции мозжечка. Однако различия в производительности между людьми и другими видами в сочетании с доказательствами того, что воля и осознанность могут модулировать обучение, позволяют предположить, что обучение морганию — это не просто пассивная форма обучения, которая опирается только на мозжечок.

Условные рефлексы и память тесно связаны. Когда мы подвергаемся воздействию каких-то стимулирующих вещей или ситуаций, наш мозг автоматически на них реагирует. Это условный рефлекс. Со временем эти реакции становятся автоматическими и становятся частью нашего повседневного поведения. Вот почему мы начинаем танцевать, когда слышим мелодию или радуемся, когда видим щенка.

А память — ключевой компонент нашего мозга. Он отвечает за хранение информации об этих реакциях, чтобы мы могли извлечь из нее пользу в дальнейшей жизни. Объединив его с условными рефлексами, мы можем лучше запоминать информацию и навыки, относящиеся к определенным ситуациям, тем самым еще больше улучшая нашу память.

Например, когда мы изучаем новый словарный запас, мы можем интегрировать эти слова в нашу повседневную жизнь и сочетать их с определенными ситуациями. Например, когда вы видите стол, вы думаете о слове «стол». Таким образом, с помощью условных рефлексов мы можем быстрее запомнить эти новые слова.

Короче говоря, между условными рефлексами и памятью существует неразрывная связь. Когда мы сможем в полной мере воспользоваться этой связью, мы сможем лучше реализовать потенциал нашего мозга и улучшить свои способности к обучению и памяти. Видно, что нам необходимо улучшить нашу память. Cistanche Deserticola может значительно улучшить память, поскольку Cistanche Deserticola — это традиционное китайское лекарственное средство, обладающее множеством уникальных эффектов, одним из которых является улучшение памяти. Эффективность мясного фарша обусловлена ​​различными содержащимися в нем активными ингредиентами, включая кислоты, полисахариды, флавоноиды и т. д. Эти ингредиенты могут способствовать здоровью мозга различными способами.

Нажмите «Знайте 10 способов улучшить память»

Здесь мы исследовали два способа уменьшить влияние воли и осознанности на кондиционирование моргания: (1) использовать короткий межстимульный интервал и (2) заставить участников выполнять задачи на рабочую память во время кондиционирования.

Наши результаты показывают, что участники, тренированные с короткими межстимульными интервалами (150 мс и 250 мс), производят очень мало условных ответов после 100 испытаний. Участники, тренированные с более длинными межстимульными интервалами (500 мс), которые одновременно выполняли задачи на рабочую память, произвели меньше условных ответов, чем участники, которые смотрели фильм во время тренировки. Наши результаты показывают, что выполнение участниками задач на рабочую память во время тренировки моргания может быть жизнеспособной стратегией для изучения обучения мозжечка, которое отсутствует под влиянием осознания и воления. Это может повысить сопоставимость результатов, полученных в исследованиях на людях, с результатами на животных моделях.

ВВЕДЕНИЕ

Обусловливание моргания — широко используемая экспериментальная парадигма для изучения ассоциативного обучения. При обучении морганию субъект учится моргать в ответ на условный стимул (CS), например, на многократное искупление, за которым следует безусловный стимул, вызывающий моргание (US). При кондиционировании моргания с задержкой начало УЗ начинается до окончания КС, тогда как при кондиционировании следящего моргания между окончанием КС и началом УЗ существует временной промежуток. Время условного ответа (CR) тесно связано с интервалом CS-US, используемым во время тренировки, так что закрытие века происходит непосредственно перед ожидаемым проведением УЗИ, что защищает глаз. Тренировка с коротким интервалом CS-US приводит к выученной реакции моргания с короткой задержкой, тогда как тренировка с коротким интервалом CS-US приводит к CR с более длительной задержкой1,2.

Эксперименты по изучению повреждений и нейрофизиологические эксперименты показывают, что у таких млекопитающих, как кролики, кошки, хорьки, крысы и мыши, след ассоциативной памяти, формирующийся во время отсроченного моргания, расположен в мозжечке3–9. Исследования на пациентах с мозжечком10,11 и эксперименты по нейровизуализации12 подтверждают, что мозжечок играет ключевую роль в формировании кондиции моргания у людей. Однако это не означает, что другие части мозга не участвуют в обучении и не модулируют его. В предыдущем исследовании мы показали, что участники, если их попросят, могут добровольно производить то, что выглядит как условные реакции моргания, даже при отсутствии US13. Но в какой степени это происходит, когда участникам не дают никаких инструкций? Кондиционирование следов, по-видимому, зависит не только от мозжечка, но также от гиппокампа и головного мозга14,15. Это может объяснить, почему у пациентов с амнезией наблюдается дефицит следящего, а не отсроченного кондиционирования16,17. Однако другое исследование показало, что осознание непредвиденных обстоятельств стимулов не влияет на скорость обучения при задержке или следовании18. Более того, данные нейровизуализации показывают, что экстрамозжечковые области мозга активны во время формирования отсроченного моргания19.

Нецеребральное участие у людей может объяснить несоответствие между кривыми обучения у животных и людей. У нелюдей CR часто появляются в первых десяти исследованиях, после чего наблюдается лишь незначительное увеличение количества ответов20–22. Кривые обучения у животных, напротив, демонстрируют более постепенное увеличение вероятности CR, и редко можно увидеть значительное обучение в первых нескольких блоках5,23,24. ), ответственный за кондиционирование моргания и роль осознания, которая остается мешающей переменной. Чтобы связать нейрофизиологические механизмы мозжечка с обусловливанием моргания у животных и людей, желательно максимально уменьшить влияние осознания и воли.

Здесь мы протестировали две стратегии, позволяющие уменьшить влияние осознанности и волевых действий на кондиционирование участников-людей. Первая стратегия заключалась в использовании короткого интервала CS-US, чтобы минимизировать время добровольной реакции участников. Вторая стратегия заключалась в уменьшении вклада коры в обучение путем одновременного выполнения задач на рабочую память во время кондиционирования. Мы выбрали задачи на рабочую память, которые, как показали предыдущие исследования, занимают кору, а не мозжечок.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Линейная модель смешанных эффектов

Чтобы проверить влияние тренировки, межстимульного интервала (ISI) и задач на рабочую память на процент условных ответов, мы смоделировали процент CR, используя линейную модель смешанных эффектов. Вместо повторного дисперсионного анализа использовалась линейная модель со смешанными эффектами, поскольку она статистически более надежна, учитывает индивидуальные различия и справляется с недостающими данными25,26. В качестве фиксированных эффектов мы использовали тренировочный блок (1–10), ISI (150, 250 или 500 мс), пол (мужской или женский), а также выполнял ли испытуемый задачи на рабочую память (да или нет).

Мы также включили в модель идентификатор субъекта как случайный эффект. Модель была построена в MATLAB (Mathworks Inc.) с использованием функции fitlme по формуле: CRs ~1 + Block + Sex + WM + ISI + (1 |Subject).

Модель показывает, что задачи блока, ISI и WM оказывают существенное влияние на процент условных ответов. Для каждого блока из 1 0 испытаний процент CR увеличивается в среднем на 2,15%. Для десяти блоков это соответствует 2,15*10=21,5%. Это изменение статистически значимо (t=8.4339, P=4.4686e–16***, CI=1.65–2,65%). Наша модель также показала, что межстимульный интервал влияет на процент CR (рис. 1а). Увеличение ISI на 1 мс приводит к увеличению 0,17% процента CR. Переключение с ISI 150 мс на ISI 500 мс приводит к увеличению процента CR на 0,17*350=59,5%. Этот эффект также значителен (t=10,30, P=1,74e–22***, CI=0,13–0,20%). Однако, в отличие от наших предыдущих результатов20, пол не влиял на CR (t=1,621, P=0,11, CI=от -1,67 до 17,4%).

Осознанность и рабочая память

После тренировки участников группы рабочей памяти спросили: «Заметили ли вы какую-либо связь между воздушными затяжками и тоном?» Из 11 испытуемых в этой группе трое сказали, что не заметили, что иногда стимулы сочетались вместе, а иногда по отдельности, но не более того. Шестеро из 11 участников сочли эти стимулы раздражающими и отвлекающими. Ни один из 11 участников ничего не сообщил о временной связи между стимулами. Несмотря на это, условные реакции были успешно приобретены. Таким образом, для успешного обуславливания не было необходимости в явном осознании. Независимо от того, решали ли участники задачи на рабочую память во время кондиционирования, влияло на процент CR (показано на рис. 1b). Те, кто выполнял рабочие задачи на запоминание, произвели на 13,68% меньше CR, чем те, кто смотрел фильм. Эта разница была статистически значимой (t=2.77, P=0.{{20}}057 **,ДИ=3,99–23,4%). В отдельной модели, в которую вошли только участники, выполнявшие задания на рабочую память, мы проверили, предсказывает ли относительный рейтинг испытуемого по производительности рабочей памяти процент CR. Результаты показали, что это не так (t=1,3189, P=0,18, CI=от -0,9 до 5,0%).

Краткое содержание

Таким образом, результаты показывают, что: (1) тренировка приводит к большему количеству CR; (2) более длинный интервал CS-US приводит к большему количеству CR; (3) пол не влияет на процент CR; (4) выполнение задачи на рабочую память снижает процент CR; и (5) то, насколько хорошо участники справляются с задачами на рабочую память, не влияет на процент CR.

ОБСУЖДЕНИЕ

Два основных вывода этого исследования заключаются в том, что (1) межстимульный интервал<250 ms produces very few conditioned responses, and (2) having participants do working memory tasks reduces the learning rate. The lack of learning with a short CS–US interval goes against results in animal models where CS–US intervals between 150 ms and 500 ms typically produce high rates (80–100%) of conditioned responses23,24,27–29. However, it is largely consistent with previous research on humans where interstimulus intervals of <250 ms are associated with poor learning1,21, although in one study, 200 ms did produce some learning30. Given that we only tested four participants with a 150 ms ISI, we are not able to rule out that learning can occur with such a short ISI. However, the lack of learning to both 150 ms and 250 ms ISIs, combined with results from previous studies, indicate that using short CS–US intervals does not support eyeblink conditioning in humans. Furthermore, this also means that using short ISIs is not a viable strategy to reduce active influences on eyeblink conditioning because no conditioning occurs, at least not when the training consists of ~100 trials.

Training with a 500 ms ISI did induce learning. In the control group (without the working memory distraction), there was a rapid increase in rates of responding. Within the first three blocks, the response rate reached an average of >80%, что для остальных семи блоков существенно не изменилось. Это согласуется с другими наблюдениями по обучению морганию участников-людей11,19,20,22,30–32. Однако он отличается от моделей обусловленности других млекопитающих. У интактных кроликов, крыс и мышей условные реакции иногда наблюдаются только после нескольких дней обучения5,24,27,28,33. Пиковые темпы реагирования и выход на плато средней кривой обучения обычно требуют дополнительных дней обучения. Вполне возможно, что тренировка людей в течение более длительного времени или несколько раз — как это традиционно делается с животными — может привести к более высокому уровню условных реакций.

Выполнение задач на рабочую память во время тренировки с интервалом 500 мсCS-US привело к тому, что участники не осознавали непредвиденные обстоятельства, но не препятствовали обучению. Поскольку мы не спрашивали участников, которые не выполняли задания на рабочую память, об их осведомленности, мы не можем сказать, осознавали ли они непредвиденные обстоятельства, связанные со стимулами. Однако наш опыт показывает, что участники быстро понимают, что затяжка воздуха следует за звуком, что также согласуется с наблюдениями, приведенными в ссылке. 18. Кривая обучения участников в группе с рабочей памятью достигла плато позже, чем в контрольной группе. Постепенное увеличение условных реакций распространялось на девять из десяти блоков обучения. Кроме того, хотя обучение было более постепенным, а уровень реагирования был ниже по сравнению с первым блоком, уровень ответа в конечном итоге достиг того же уровня (> 80%), что и в контрольной группе, к концу десяти блоков обучения. Наши результаты противоречат более ранним экспериментам, в которых задача маскировки не влияла на скорость обучения18. Однако в более раннем исследовании участников просили повторять слова. Наши задачи на рабочую память, вероятно, были значительно сложнее.

Подводя итог, можно сказать, что предыдущие эксперименты показывают, что осознание условий стимулирования и произвольное моргание могут быть источником ускоренного обучения во время тренировки с задержкой моргания. Это исследование показывает, что если участники одновременно выполняют задания на рабочую память во время кондиционирования, это может снизить активное влияние на обучение, что может привести к тому, что процесс обучения станет более зависимым от мозжечка и, следовательно, будет более сопоставим с условными реакциями моргания, описанными в литературе о животных.

МЕТОДЫ

Участники

В исследовании приняли участие 42 студента (женщины=22; мужчины=20) Лундского университета. Возрастной диапазон составлял 24,6 ± 5,38 лет (среднее ± стандартное отклонение). Участники были разделены на четыре отдельные группы (см. Таблицу 1). Три группы тренировались с тремя разными интервалами CS-US: 150, 250 и 500 мс. Четвертая группа тренировалась с интервалом 500 мс, но в дополнение к тренировкам участникам было дано указание выполнять задачи на рабочую память (WM) во время тренировки. Перед экспериментом испытуемые подписывали письменное согласие, в котором указывалось, что они были проинформированы о процедуре в общих чертах, т. е. что их реакции на моргание будут записываться и что им будут предъявляться звуковые сигналы и воздушные потоки, направленные в глаза. Форма согласия также подтверждала, что испытуемые знали, что могут отказаться от участия в любое время. В знак благодарности по окончании эксперимента испытуемые получали билет в кино (независимо от того, выполнили ли они весь протокол). Местноэтический комитет (Regional etikprövningsnämnden Lund) одобрил исследование (DNR 2017–785).

Материалы

Экспериментальная установка показана на рис. 2. Для регистрации движений век небольшой круглый неодимовый магнит (диаметр: 3 мм, толщина: 1 мм) прикреплялся к левому веку испытуемого с помощью двойной липкой ленты. Результирующие изменения магнитного поля были записаны с помощью чипа GMR (AAH002-02E, NVE Corporation). Чип GMR и сопло, подающее поток воздуха, были прикреплены к правой стороне пары очков, которые испытуемый носил во время теста. . Данные датчика GMR собирались с частотой 1000 Гц и передавались в компьютер через AD-преобразователь Micro 1401 (Cambridge Electronic Design). Micro 1401 также использовался для запуска громкоговорителей, воспроизводящих тон — сигнал частотой 1000 Гц длительностью 1 с — и открытия электромагнитного клапана D132202 (Aircom), выпускающего воздушную затяжку.

Кондиционирование моргания

Эксперименты проводились в тихой комнате кампуса. Для каждого испытуемого мы регулировали интенсивность подачи воздуха так, чтобы она вызывала рефлекторное моргание, не раздражая глаза. Результирующее давление варьировалось от 0,5 до 1 бар. Аналогично, громкость звука была отрегулирована так, чтобы ее было слышно, но не неприятно. Каждый человек получил общее количество 100 испытаний (10 блоков по 10 испытаний). Из этих 100 испытаний 25% были пробными, что означает, что КС было представлено отдельно. Межиспытательный интервал составлял 10 ± 2 с.

В группах, которые не выполняли задания на рабочую память, участникам было предложено выбрать любимую телепередачу для просмотра на ноутбуке во время тренировки. Испытуемого попросили сконцентрироваться на программе и постараться не контролировать движения век. В группе, которая получала задания на рабочую память во время кондиционирования, участникам было сказано сосредоточиться и как можно лучше выполнить задачи на рабочую память. Им сказали, что цель эксперимента состояла в том, чтобы увидеть влияние на рабочую память отвлекающих стимулов в виде тонов и дуновений воздуха. Цель состояла в том, чтобы испытуемые восприняли эксперимент как проверку рабочей памяти и не осознавали, что на самом деле это был эксперимент по тренировке моргания. После обучения участников группы рабочей памяти спросили, заметили ли они какую-либо закономерность в предъявление стимулов.

Задачи на рабочую память

Участникам группы рабочей памяти были даны сложные задачи на рабочую память во время сеанса тренировки моргания. Мы выбрали некоторые из наиболее распространенных тестов рабочей памяти, которые можно было объединить с протоколом тренировки и которые напрямую не требовали расчета времени и двигательных навыков. Тем не менее, есть данные, показывающие, что некоторые из этих задач рабочей памяти действительно задействуют мозжечок34,35. В частности, участники выполнили следующие восемь тестов в следующем порядке: (1) Корси, (2) умственное вращение, (3) многозадачность, (4) n-back (3-back), (5) Navon, (6 ) Струп, (7) визуальный поиск и (8) задача по сортировке карточек Висконсина. Тесты рабочей памяти проводились с помощью онлайн-программного обеспечения PsyToolkit (PsyToolkit разработан профессором GijsbertStoet и принадлежит ему и доступен на сайте www.psytoolkit.org). Каждая задача рабочей памяти начиналась с экранных инструкций, предоставляемых PsyToolkit. Дополнительная информация была представлена ​​устно по запросу участников. Каждый тест начинался с нескольких обучающих примеров (предоставляемых программным обеспечением), после чего начиналось тестирование. Ответы давались с помощью компьютерной клавиатуры и мыши. Когда участник завершил все 8 тестов, ему было предложено начать заново с первого теста. Участники обычно выполняли 1,5 раунда испытаний. Результаты второго тура далее не анализировались.

Анализ данных

Данные Eyeblink собирали с помощью программного обеспечения Spike2 v9.10 (CED). Данные задач рабочей памяти сохраняли в Microsoft Excel. Все данные впоследствии были экспортированы и проанализированы в Matlab R2022a (Mathworks). Используя специальные сценарии Matlab, мы классифицировали каждое испытание как (1) CR, (2) отсутствие CR или (3) недействительное испытание. Если присутствовал CR, сценарий оценивал начало и пик ответа. Все проверки проверялись вручную, чтобы убедиться, что сценарий выполнил правильную категоризацию. Ошибки исправлялись вручную. Для анализа производительности теста рабочей памяти мы выбрали две переменные: время реакции (RT) и успех в тесте (правильные ответы в %). Ранг рассчитывался с использованием ранговой функции программного обеспечения Microsoft Excel, а средний рейтинг представлял собой одно значение для каждой переменной RT и успеха у тестируемого на человека.

Сводная отчетность

Дополнительную информацию о дизайне исследования можно найти в сводке отчетов NaturePortfolio, связанной с этой статьей.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Кимбл Г.А. Обусловливание как функция времени между условными и безусловными раздражителями. Дж. Эксп. Психол. 37, 1–15 (1947).

2. Штейнмец А.Б. и др. Оценка двунаправленного межстимульного интервала (ISI) изменяет слуховую задержку моргания у здоровых людей. Учиться. Поведение. 39 358–370 (2011).

3. Маккормик Д.А. и Томпсон Р.Ф. Мозжечок: существенное участие в классической обусловленной реакции век. Наука 223, 296–299 (1984).

4. Йео, Ч.Х., Хардиман, М.Дж. и Гликштейн, М. Дискретные поражения коры мозжечка отменяют классически обусловленную реакцию мигательной мембраны кролика. Поведение. Мозговой Рес. 13, 261–266 (1984).

5. Тен Бринке, М.М. и др. Развивающиеся модели павловской обусловленности: динамика коры мозжечка у мышей, ведущих себя бодрствующе. Cell Rep. 13, 1977–1988 (2015).

6. Джиренхед, Д.-А. & Хесслоу, Г. Являются ли паузы клеток Пуркинье движущей силой классических условных реакций моргания? Мозжечок 15, 526–534 (2016).

7. Зукка Р., Расмуссен А. и Бенгтссон Ф. Регуляция спонтанной активности клеток Пуркинье с помощью восходящих волокон и мозжечково-зависимых реакций мигания. eNeuro 3,ENEURO.0067-15.2015 (2016).

8. Фриман Дж. Х. и Стейнмец А. Б. Нейронные схемы и механизмы пластичности, лежащие в основе формирования задержки моргания. Учиться. Память 18, 666–677 (2011).

9. Норман, Р.Дж., Виллабланка, Дж.Р., Браун, К.А., Швафель, Дж.А. и Бухвальд, С.К. Классическое кондиционирование моргания у кошки, подвергшейся билатеральной гемисферэктомии. Эксп.Нейрол. 44, 363–380 (1974).

10. ван Гаален Дж. и др. Аномальное моргание является ранним маркером дисфункции мозжечка у носителей доклинической мутации SCA3. Эксп. Мозговой Рес. 237 427–433 (2019).

For more information:1950477648nn@gmail.com