Понимание роли центральной и вегетативной активности во время сна в улучшении рабочей и эпизодической памяти. Часть 1.

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в выявлении механизмов сна, которые поддерживают познание. Большинство этих исследований сосредоточено на связи между электрофизиологическими событиями в центральной нервной системе во время сна и улучшениями в различных когнитивных областях, в то время как динамические сдвиги вегетативной нервной системы во время сна в значительной степени упускаются из виду.

Сон и память тесно связаны. Пока мы спим, наш мозг обрабатывает и консолидирует информацию, которую мы узнали в течение дня, помогая нам запоминать и учиться. Поэтому хороший механизм сна очень важен для улучшения нашей памяти.

Существует две основные стадии сна: быстрое движение глаз (БДГ) и медленное движение глаз (БДГ). Эти две стадии сна играют разную роль в разных типах воспоминаний. На стадии медленного сна мозг усиливает обработку воспоминаний и вводит важную информацию в долговременную память, чтобы лучше ее сохранить. На стадии быстрого сна мозг усиливает нашу креативность и воображение, вспоминая и реорганизуя информацию, также может произойти некоторое угасание памяти.

Чтобы обеспечить хорошее качество сна, мы должны уделять внимание развитию хороших привычек сна. Это включает в себя регулярное время сна, отказ от чрезмерного использования электронных устройств перед сном и поддержание комфортных условий для сна. Кроме того, поддержание физического здоровья посредством физических упражнений и контроля диеты также является ключом к качеству сна.

Короче говоря, механизм сна и память тесно связаны. Поддерживая хорошие привычки сна и образ жизни, мы можем улучшить качество нашего сна, тем самым помогая нам лучше поддерживать нашу память и способности к обучению. Видно, что нам необходимо улучшить нашу память. Cistanche Deserticola может значительно улучшить память, поскольку Cistanche Deserticola также может регулировать баланс нейротрансмиттеров, например, повышая уровень ацетилхолина и факторов роста. Эти вещества очень важны для памяти и обучения. Кроме того, мясо также может улучшить кровоток и способствовать доставке кислорода, что может гарантировать, что мозг получает достаточное количество питательных веществ и энергии, тем самым повышая жизнеспособность и выносливость мозга.

Нажмите «Знайте добавки для улучшения памяти»

Однако недавние исследования выявили значительный вклад вегетативной активности во время сна в когнитивные функции. Тем не менее, остаются значительные пробелы в понимании того, как центральная и вегетативная системы работают вместе во время сна, способствуя улучшению когнитивных функций. В этой статье мы исследуем доказательства независимой и интерактивной роли центральной и вегетативной деятельности во время сна и бодрствования в когнитивной обработке. Особое внимание мы уделяем префронтально-подкорковым структурам, поддерживающим рабочую память, и механизмам, лежащим в основе формирования гиппокамп-зависимой эпизодической памяти.

Наша модель медленного переключения колебаний определяет отдельные и конкурирующие основные механизмы, поддерживающие две области памяти на синаптическом, системном и поведенческом уровнях. Мы предполагаем, что сон — это арена конкуренции, на которой обе области памяти соперничают за ограниченные ресурсы, что экспериментально продемонстрировано, когда усиление одной системы приводит к функциональному компромиссу в электрофизиологических и поведенческих результатах.

Поскольку эти результаты неизбежно приводят к дальнейшим вопросам, мы предлагаем области будущих исследований, чтобы лучше понять, как мозг и тело взаимодействуют, поддерживая широкий спектр когнитивных областей во время одного эпизода сна.

Вегетативная нервная система (ВНС) разделена на две ветви: симпатическую ветвь, связанную с мобилизацией энергии во время так называемых реакций «бей-беги-замри» (1, 2), и парасимпатическую ветвь, связанную с вегетативными и восстановительными функциями во время так называемых реакций «бей-беги-замри». ответы «отдых – переваривание» (3). Эти ветви «работают антагонистически, синергетически и независимо, собирая информацию от органов чувств и координируя ответы на внутренние и внешние требования» (4).

И симпатическая, и парасимпатическая нервные системы взаимодействуют с центральной нервной системой (ЦНС), образуя систему, называемую центральной вегетативной сетью. Центральная вегетативная сеть представляет собой набор структур ЦНС, включая голубое пятно (LC), гипоталамус, миндалевидное тело, вентромедиальную префронтальную кору, гиппокамп и таламус, которые прямо или косвенно получают входные сигналы от ВНС и модулируют выходные данные в них.

Блуждающий нерв (10-й черепной нерв) состоит из ~80% афферентных связей (5), которые передают парасимпатическую/вагальную информацию от периферии к ядру одиночного тракта в стволе мозга и областям более высокого порядка в центральной вегетативной сети ( 6, 7). Кроме того, нисходящие проекции центральной вегетативной сети обеспечивают двунаправленную связь между мозгом и периферическими областями (8, 9).

У людей неинвазивным методом определения активности ВНС является вариабельность сердечного ритма (ВСР), которая исследует вариабельность между отдельными сокращениями сердца (интервалы R–R, отражающие деполяризацию желудочков) в комплексе QRS электрокардиограммы (ЭКГ) (10–12).

ВСР можно рассчитать во временной и частотной области. Измерения ВСР во временной области включают 1) стандартное отклонение всех интервалов R–R (SDNN), общий показатель вариабельности сердечного ритма, и 2) среднеквадратический показатель последовательных разностей (RMSSD), меру колебаний сердечного ритма. осуществляется преимущественно блуждающим нервом.

Измерения ВСР в частотной области включают 1) мощность высокочастотной ВСР (ВЧ-ВСР: от 0,15 до 0,40 Гц), показатель респираторной синусовой аритмии. и парасимпатическая активность блуждающего нерва, и 2) мощность низкочастотной ВСР (НЧ-ВСР: 0,04–0,15 Гц), смешанного сигнала как от симпатических, так и от парасимпатических источников. Учитывая неопределенность вклада сигналов, включающих НЧ-ВСР, по сравнению с известным вагусным происхождением сигнала ВЧ-ВСР, исследования вегетативной активности имеют тенденцию сосредотачиваться на ВЧ-ВСР.

Недавний обзор областей мозга и нейромодуляторных систем, включающих парасимпатические и симпатические ветви, а также их вклад в области мозга, отвечающие за когнитивную обработку, см. в Whitehurst et al. (4).

Наш обзор сосредоточен конкретно на доказательствах, подтверждающих роль ВНС в когнитивных процессах во время бодрствования и сна. Мы сообщаем о ряде результатов, связывающих парасимпатическую/вагальную активность во время бодрствования и сна с префронтально-подкорковой сетью, регулирующей когнитивный контроль, исполнительные функции и рабочую память (WM). Мы также выявили существенную нехватку доказательств того, что вегетативная активность способствует консолидации памяти во время сна, что является заметным пробелом, учитывая большое количество исследований, связывающих сон с формированием долговременных воспоминаний. Далее мы суммируем современные знания о механизмах, поддерживающих формирование долговременных воспоминаний во время сна.

На этом фоне мы развиваем гипотезу о том, что сети мозга и нейромодуляторные системы во время сна, которые поддерживают повышенную эффективность в WM и консолидацию гиппокампальных эпизодических воспоминаний, являются отдельными и конкурирующими механизмами. Мы представляем модель медленного переключения колебаний, которая дает представление о том, как эти механизмы взаимодействуют во время сна, а также возникающие проверяемые гипотезы и новые направления исследований для дальнейших исследований в этой области.

Автономные входы модулируют когнитивные способности

Когнитивные процессы, основанные на нисходящем тормозном контроле в префронтально-подкорковых сетях, такие как эмоциональная регуляция, когнитивный контроль или исполнительные функции, связаны с парасимпатической/вагальной активностью. Когнитивный контроль или исполнительная функция, координация психических процессов и действий по текущим целям и планам является основной функцией префронтальной коры.

Координация когнитивного контроля осуществляется множеством функциональных цепей, закрепленных в префронтальной коре, включая вентромедиальную префронтальную кору, переднюю поясную извилину и широкий спектр подкорковых областей (13). WM — это аспект управляющей функции, который поддерживает сохранение и манипулирование небольшим количеством информации, обычно длится от нескольких секунд до минут (14) и имеет схожие нейронные механизмы с когнитивным контролем (15). Цель данной статьи будет сосредоточена на одном аспекте исполнительной функции, а именно на WM (дополнительную информацию об эмоциональной регуляции см. в ссылках 16–19).

WM, в отличие от долговременной памяти (LTM), влечет за собой трансформацию представлений или следов памяти и представляет собой общий информационный онлайн-когнитивный процесс, который традиционно считается неизменяемой чертой. Тем не менее, исследования по обучению WM показали, что исполнительные функции в целом и WM в частности могут быть улучшены (20) и что эти улучшения поддерживаются повышением префронтальной эффективности и автоматизмом префронтально-подкорковых сетей (21, 22).

Исследования роли ВНС в познании показали, что парасимпатическая/вагальная активность может быть индикатором степени, в которой префронтально-подкорковый контур регулирует свои составляющие системы в ответ на внутренние и внешние требования. В частности, активность этих тормозных цепей положительно связана с ВЧ-ВСР в покое (9, 23), и предполагается, что оптимальное функционирование этих цепей позволяет прогнозировать гибкие и адаптивные реакции на изменения окружающей среды (24). Одной из известных моделей, призванных объяснить, как двунаправленная связь между ЦНС и ВНС является важнейшим предиктором адаптивного когнитивного успеха, является Модель нейровисцеральной интеграции, разработанная Тайером и его коллегами (9, 23) (Приложение SI, рис. S1).

Эта модель предполагает, что ВСР является показателем префронтально-подкоркового тормозного влияния на широкий спектр областей мозга, поддерживающих познание, эмоции и физиологическую реактивность, включая исполнительную функцию, WM, ожидание будущих результатов, эмоциональную регуляцию, эмоциональную реакцию на стресс и периферическое функционирование (24).

Модель нейровисцеральной интеграции получила эмпирическую поддержку в исследованиях, показывающих взаимосвязь между ВСР во время бодрствования и исполнительной функцией. По сравнению с людьми с низкой ВЧ-ВСР в покое (что отражает плохой парасимпатический тонус блуждающего нерва во время бодрствования), люди с высокой ВЧ-ВСР демонстрируют лучшие результаты WM [nback-задача (25); задача продолжительности операции (26)] и тормозящий контроль [т. е. задача Струпа (27)].

Кроме того, вызванные тренировкой изменения в когнитивном контроле связаны с улучшением парасимпатической активности, и верно и обратное: увеличение парасимпатической активности, вызванное тренировкой, также способствует улучшению когнитивных функций. Например, было показано, что когнитивная тренировка (скорость обработки данных на основе зрения) увеличивает ВЧ-ВСР и усиливает активацию префронтально-подкорковой сети (22). В этом исследовании пожилые люди с легкими амнестическими когнитивными нарушениями прошли 6-недельную когнитивную тренировку.

По сравнению с контрольной группой, пожилые люди в группе активных тренировок продемонстрировали повышенную ВЧ-ВСР и снижение префронтально-стриарной связи во время выполнения задания, что указывает на эффективную префронтально-подкорковую вегетативную регуляцию. Аналогичные результаты были получены у здоровых участников (28). Кроме того, сообщалось, что увеличение ВЧ-ВСР в состоянии покоя посредством аэробных тренировок приводит к параллельному улучшению показателей WM (27).

В этом исследовании участники были случайным образом разделены на группу аэробных тренировок и группу детренировки (состояние пониженной нагрузки), при этом ВЧ-ВСР и WM в покое измерялись до и после упражнений. После вмешательства группа аэробных тренировок продемонстрировала более высокие показатели ВЧ-ВСР и МВ по сравнению с контрольной группой, не подвергавшейся тренировке, что указывает на связь между усилением парасимпатического/вагусного функционирования и сетей МВ посредством сердечных упражнений.

Одним из потенциальных механизмов того, как вагусная/парасимпатическая активность может улучшить функцию префронтальной зоны и ВМ, является модуляция норадреналина (NE). Последние 20 лет исследований показали, что наряду с традиционным мнением о том, что основным нейромодулятором активности вагуса является ацетилхолин (АХ), афференты вагуса также модулируют уровни NE в мозге. Блуждающий нерв представляет собой основной компонент парасимпатической нервной системы, и активация восходящих волокон блуждающего нерва опосредует действие НЭ на мозг (29, 30).

Терминалы афферентных вагусных передач находятся непосредственно внутри ядра одиночного тракта, которые передают информацию структурам, регулирующим когнитивные функции более высокого порядка, таким как миндалевидное тело, гиппокамп и лобная кора, через полисинаптический путь от LC. Хотя АХ является основным нейромедиатором в периферических синапсах блуждающего нерва, как только информация распространяется в LC, НЭ становится основным нейромодулятором, опосредующим синаптическую связь в ЦНС.

LC имеет два режима работы: фазический и тонический, которые влияют на функцию префронтальной области. Тоническая активация связана со стрессом или возбуждением, тогда как фазовая активация связана с реакцией на новизну и познание более высокого порядка (31). Фазическая и тоническая активации независимы, при этом фазовая активность оптимизируется при умеренном уровне тонической активности (32), тогда как повышенный тонический разряд может ухудшить фазовый разряд (33). У приматов фазовая активация NE-нейронов LC во время когнитивных сдвигов может провоцировать или облегчать динамическую реорганизацию целевых нейронных сетей, обеспечивая быструю поведенческую адаптацию к изменяющимся императивам окружающей среды (34).

Кроме того, недавно было показано, что фазовая оптогенетическая активация LC защищает от вредных эффектов тау-прямоугольника человека и снижения когнитивных функций, в то время как стресс-индуцирующая активация тонического LC ухудшает его эффекты (35, 36). В частности, в исследовании, проведенном Омолуаби и соавт. (36) мышам вводили запутанный тау-клеточный комплекс, и их LC-нейроны активировались либо по фазическому, либо по тоническому паттерну. Они обнаружили, что фазовая стимуляция спасала мышей от поведенческого дефицита и дефицита LC, тогда как тоническая стимуляция приводила к ухудшению симптомов.

Кроме того, исследования на грызунах и обезьянах показали, что оптимальный возбуждающе-тормозной баланс префронтальных NE, поддерживаемый различными адренергическими рецепторами (например, 1, пре- и постсинаптическим 2), оказывает важное благотворное влияние на работоспособность WM (37, 38). . Экспериментально увеличение концентрации NE в префронтальной коре улучшает эффективность торможения реакции у грызунов и людей (39, 40).

В этом блоке исследований подчеркивается роль усиления тормозной функции во время отвлекающих состояний, которые приносят пользу именно WM (41), но не оказывают положительного воздействия на гиппокампальную память (42). Интересно, что 2 адренергических рецептора преимущественно увеличивают префронтальную NE и поддерживают ее оптимальный возбуждающе-тормозной баланс, что, в свою очередь, улучшает префронтальную функцию (43–45), тогда как 1 рецептор подавляет активность 2 рецепторов и ухудшает функцию WM (38).

Складывается картина, что различные типы адренергических рецепторов могут играть роль в оптимизации общего возбуждающе-тормозного баланса в префронтальной коре. В частности, NE управляет физиологическими функциями, которые переключают мозг и тело из нестрессового состояния, в котором фазовая активность LC задействует 2 рецептора и увеличивает префронтальную функцию WM, в стрессовое состояние, которое стимулирует тоническую активацию и активность 1 рецептора, нарушая WM при сохранении других функций. , такие как бдительность и внимание (46).

У людей причинно-следственная связь между входами блуждающего нерва, модулирующими активность LC-NE, и когнитивными доменами, поддерживаемыми префронтальной корой, была установлена ​​​​в исследованиях, активно манипулирующих тонусом блуждающего нерва с помощью стимуляции блуждающего нерва (ВНС) или неинвазивной чрескожной стимуляции блуждающего нерва (тВНС). ВНС активирует фазовые импульсы нейронов в LC и увеличивает уровни NE в префронтально-подкорковых сетях, включая неокортекс, гиппокамп, миндалевидное тело и другие части мозга с афферентными проекциями из LC (33, 47–49).

В одном исследовании пациенты, получавшие инвазивную ВНС, выполняли когнитивные задачи с включенной или выключенной стимуляцией. Пациенты продемонстрировали улучшение показателей WM в периоды включения стимуляции по сравнению с периодами ее отключения (50). Совсем недавно tVNS продемонстрировал эффекты, аналогичные когнитивному контролю (51). В этом исследовании здоровые участники выполняли задачу тормозного контроля (Go/NoGo) с активной tVNS или имитацией стимуляции.

В состоянии NoGo, которое требовало когнитивного торможения, tVNS приводил к значительному снижению амплитуды лобных потенциалов, связанных с событием N2, биомаркера, требующего когнитивного контроля, что позволяет предположить, что tVNS может привести к более эффективной нейронной обработке с меньшим количеством необходимых ресурсов при успешном лобном тормозном контроле. Аналогичные эффекты tVNS были продемонстрированы в другом исследовании (52), в котором tVNS увеличивал тета-активность средней лобной линии, что, как полагают, отражает временную активацию префронтальной коры в ситуациях, требующих усиления исполнительного контроля действий.

Учитывая, что стимуляция вагуса усиливает фазовую LC-NE и что парасимпатическая активность естественным образом увеличивается во время сна с медленным движением глаз (NREM), заманчиво предположить, что увеличение фазовой активности LC-NE при естественном повышении парасимпатической активности вагуса во время сна может быть одним из механизмов, посредством которого регулируется префронтальная функция и повышается способность WM.

В совокупности фазовые LC-NE во время сна могут способствовать увеличению емкости WM посредством нескольких возможных механизмов, включая реорганизацию нейронных представлений, устранение тау и/или увеличение фазовой активности рецепторов LC-NE 2 наряду с префронтальной функцией. В то же время вызванный стрессом тонизирующий LC-NE нарушает сон, а также функцию префронтальной области. В следующем разделе будут рассмотрены результаты взаимосвязи между сном и активностью ВНС.

For more information:1950477648nn@gmail.com