Jak zachowanie kształtuje mózg, a mózg kształtuje zachowanie: wgląd w rozwój pamięci

Po więcej informacji:ali.ma@wecistanche.com

Pamięć źródłowapoprawia się znacznie w dzieciństwie. Uważa się, że ta poprawa jest ściśle związana z dojrzewaniem hipokampa. Jak poprzednie badania wykorzystywały głównie projekty przekrojowe do oceny relacji międzypamięć źródłowai funkcji hipokampa, nie wiadomo, czy zmiany w mózgu poprzedzają poprawępamięćlub odwrotnie. Aby rozwiązać tę lukę, w bieżącym badaniu wykorzystano przyspieszony schemat podłużny (n=200, 100 mężczyzn) do obserwacji 4- i 6-letnich dzieci przez 3 lata. Prześledziliśmy zmiany rozwojowe wpamięć źródłowai wewnętrzną łączność funkcjonalną hipokampa oraz ocenione różnice między kohortami w wieku 4- i 6-w zależnościach predykcyjnych międzypamięć źródłowazmiany i wewnętrzną funkcjonalną łączność hipokampa przy braku wymagającego zadania. Zgodnie z wcześniejszymi badaniami, nastąpił związany z wiekiem wzrostpamięć źródłowaoraz wewnętrzną funkcjonalną łączność między hipokampem a regionami korowymi, o których wiadomo, że są zaangażowane podczas kodowania pamięci. Nowe odkrycia wykazały, że zmiany zdolności pamięci we wczesnym okresie życia przewidywały późniejszą łączność między hipokampem a regionami korowymi, a wewnętrzna łączność funkcjonalna hipokampa przewidywała późniejsze zmiany w pamięci źródłowej. Odkrycia te sugerują, że doświadczenie behawioralne i rozwój mózgu są interaktywnymi, dwukierunkowymi procesami, w których doświadczenie kształtuje przyszłe zmiany w mózgu, a mózg kształtuje przyszłe zmiany w zachowaniu. Wyniki sugerują również, że zarówno czas, jak i lokalizacja mają znaczenie, ponieważ obserwowane efekty zależały zarówno od wieku dzieci, jak i od konkretnych ROI mózgu. Razem odkrycia te zapewniają krytyczną wiedzę na temat interaktywnych relacji między procesami poznawczymi a leżącymi u ich podstaw neurologicznymi podstawami podczas rozwoju.

Słowa kluczowe: przyspieszone projektowanie wzdłużne; rozwój mózgu;epizodyczna pamięć; funkcjonalna łączność hipokampa;rozwój pamięci;pamięć źródłowa

1 Wydział Programów Nauczania i Nauki, Uniwersytet Zhejiang, Kampus Zijingang, Hangzhou, 310058, 2 Wydział Psychologii,

University of Maryland, College Park, Maryland 20742 i 3 Szpital Dziecięcy, Zhejiang University School of Medicine, National Clinical

Centrum Badawcze Zdrowia Dziecka, Hangzhou, 310052

Oświadczenie o znaczeniu

Badania przekrojowe wykazały, że zdolność zapamiętywania kontekstowych szczegółów poprzednich doświadczeń (tj. pamięci źródłowej) jest związana z rozwojem hipokampu w dzieciństwie. Nie wiadomo, czy zmiany czynnościowe hipokampa poprzedzają poprawę pamięci, czy odwrotnie. Korzystając z przyspieszonego projektu podłużnego, odkryliśmy, że wczesne zmiany pamięci źródłowej przewidywały późniejszą wewnętrzną łączność funkcjonalną hipokampa i że ta łączność przewidywała późniejsze zmiany pamięci źródłowej. Odkrycia te sugerują, że doświadczenie behawioralne i rozwój mózgu są interaktywnymi, dwukierunkowymi procesami, w których doświadczenie kształtuje przyszłe zmiany w mózgu, a mózg kształtuje przyszłe zmiany behawioralne. Co więcej, interakcje te różniły się w zależności od wieku i regionu mózgu dzieci, co podkreśla znaczenie perspektywy rozwojowej w badaniu interakcji mózg-zachowanie.

Kliknij, aby Cistanche tubulosa w proszku i Cistanche dla pamięci

Wstęp

Pamięć źródłowa ulega znacznej poprawie w dzieciństwie (np. Riggins, 2014). W szczególności, wraz z wiekiem, dzieci stają się lepsze w zgłaszaniu i zapamiętywaniu kontekstowych szczegółów doświadczeń życiowych (Bauer, 2007). Rozwój ten jest ściśle związany z dojrzewaniem hipokampa, o czym świadczą związane z wiekiem i pamięcią różnice w strukturze i funkcji hipokampa w całym rozwoju (przegląd patrz Ghetti i Bunge, 2012; Sastre i in., 2016; Tang i in., 2018; Riggins i in., 2020). Wcześniejsze badania wykorzystywały głównie projekty przekrojowe do oceny relacji między rozwojem mózgu a pamięcią, które nie pozwalają na zbadanie prawdziwych zmian rozwojowych i mogą być pod wpływem czynników zakłócających, takich jak efekty kohortowe. Dlatego nie wiadomo, czy zmiany w mózgu poprzedzają poprawę pamięci, czy odwrotnie. Ponadto wcześniejsze badania koncentrowały się na małych dzieciach lub dzieciach w wieku szkolnym, co utrudnia porównywanie różnych okresów rozwojowych. Aby zaradzić tym lukom, w obecnym badaniu wykorzystano przyspieszony model podłużny, aby śledzić 4- i 6-letnie dzieci przez 3 lata. Ten projekt pozwolił nam zbadać zmiany rozwojowe w wewnętrznej łączności funkcjonalnej hipokampa (iHFC) i ocenić różnice między kohortami w wieku 4- i 6-w predykcyjnych relacjach między pamięcią źródłową a łącznością funkcjonalną (patrz Ryc. 1).

Uważa się, że u dorosłych wewnętrzna łączność funkcjonalna odzwierciedla funkcjonalną architekturę mózgu, która powstaje w wyniku koaktywacji wywołanej zadaniami między regionami mózgu (Fox i Raichle, 2007). Wewnętrzne wzorce funkcjonalnej łączności dzieci są prawdopodobnie konstruowane w podobny sposób; jednak długoterminowa hipoteza formowania sugeruje, że te wzorce łączności kształtują się w czasie zarówno w wyniku dojrzewania, jak i doświadczenia (Gabard-Durnam i in., 2016). Na przykład, śledząc 4- do 18-latków przez 2 lata, analizy prospektywne wykazały, że wywołana zadaniem łączność funkcjonalna ciała migdałowatego przewidywała łączność funkcjonalną w stanie spoczynku 2 lata później, ale nie jednocześnie (Gabard-Durnam i in., 2016). Odkrycia te sugerują powiązania między zadaniową aktywacją mózgu a wewnętrzną funkcjonalną łącznością zarówno u dzieci, jak i dorosłych; jednak takie skojarzenia mogą się różnić w zależności od rozwoju.

Dane empiryczne potwierdzają również dwukierunkowe wpływy między mózgiem a zachowaniem. Po pierwsze, wcześniejsze badania potwierdzają pogląd, że zmiany behawioralne kształtują opartą na zadaniach i wewnętrzną łączność funkcjonalną (np. Jolles i in., 2016; Clark i in., 2017; Rosenberg-Lee i in., 2018). Na przykład, u dzieci w wieku od 8- do 9-lat, 8 tygodni korepetycji z matematyki wzmocniło iHFC do bruzdy śródciemieniowej (Jolles et al., 2016). Po drugie, badania empiryczne wykazały, że wewnętrzna łączność funkcjonalna może przewidywać wzrost zdolności poznawczych w późniejszym okresie rozwoju (np. Hoeft i in., 2011; Supekar i in., 2013; Evans i in., 2015). Na przykład Supekar i in. (2013) stwierdzili, że iHFC mierzone przed korepetycjami z matematyki przewidywało poprawę wydajności po korepetycjach w średnim dzieciństwie.

Na podstawie tych badań zbadaliśmy, czy istnieją dwukierunkowe wpływy między zmianami pamięci źródłowej a wewnętrzną funkcjonalną łącznością od hipokampa do regionów mózgu, o których zgłoszono, że wspierają kodowanie informacji kontekstowych (Geng i wsp., 2019). Zastosowaliśmy przyspieszony model podłużny, aby ocenić: (a) związane z wiekiem zmiany w równoczesnych relacjach między pamięcią źródłową a iHFC; (b) predyktywne relacje między wczesnymi zmianami pamięci źródłowej a późniejszymi iHFC; oraz (c) predyktywne relacje między wczesnymi iHFC a późniejszymi zmianami pamięci źródłowej (ryc. 1)

Postawiliśmy hipotezę, że przyrosty pamięci we wczesnym źródle będą przewidywać późniejsze iHFC, ponieważ uważa się, że wpływ doświadczenia narasta z czasem (Gabard-Durnam et al., 2016). Oczekiwano, że nagromadzenie doświadczeń z codziennymi czynnościami pamięciowymi będzie napędzać zmiany rozwojowe w iHFC w dzieciństwie. Dodatkowo, ze względu na większą plastyczność na wczesnym etapie rozwoju (np. Tottenham i Sheridan, 2010), spodziewaliśmy się, że zmiany w pamięci będą bardziej solidnie przewidywać późniejszą łączność w młodszej i starszej kohorcie.

Ponieważ sugerowano, że łączność mózgu kształtuje późniejsze zachowanie (np. Evans i in., 2015), postawiliśmy hipotezę, że iHFC będzie przewidywać wzrost zdolności pamięci źródła. Dodatkowo, ponieważ funkcja hipokampu jest bardziej dojrzała w średnim niż we wczesnym dzieciństwie (Geng i in., 2019), postawiliśmy hipotezę, że łączność w wieku 6 lat lepiej przewidywałaby pamięć przyszłą niż łączność w wieku 4 lat.

Materiały i metody

Uczestnicy Dzieci uczestniczyły w dużym badaniu dotyczącym pamięci i rozwoju mózgu we wczesnym dzieciństwie, w którym zastosowano przyspieszony model podłużny (N=200, 100 mężczyzn) (Riggins i in., 2018; Geng i in., 2019). Pierwsza fala (W1) badania obejmowała 4- dzieci w wieku 8-lat. 4- i 6-letnie dzieci zostały zaproszone z powrotem na dwie kolejne fale testów (W2 i W3; Ryc. 2). W sumie były trzy fale, a każda fala zawierała młode i stare kohorty (młoda kohorta: W1=4lata, W2=5lata, W3=6lata; stara kohorta: W{{ 17}} lat, W2=7 lat, W3=8 lat). Tabela 1 pokazuje liczbę dzieci, które dostarczyły 3, 2 lub 1 falę danych do końcowych analiz w każdej kohorcie. Głównymi przyczynami utraty danych z neuroobrazowania były zbyt duże ruchy dzieci, zasypianie podczas badania, odmowa wejścia do skanera lub brak kontroli rodzin.

Zmierzyliśmy IQ dzieci w T1 za pomocą podtestów słownictwa i projektu bloków ze Skali Inteligencji Wechslera dla Dzieci (Ed 4) (Wechsler, 2003) lub Skali Inteligencji Wechslera w wieku przedszkolnym i podstawowym (Wechsler, 2012). ). Wszystkie dzieci objęte analizami miały szacowany IQ średni do ponadprzeciętnego. Nie stwierdzono różnic między młodą i starą kohortą w skalowanych wynikach słownika (młodzi: średnia=11.07, SD=2.96; stara: średnia=11.66, SD { {11}}.55; p=0.33) lub podtesty projektu blokowego (młody: średnia=12.96, SD=2.73; stary: średnia=13. 03, SD=3,00; p=0,92). Rodzice zgłaszali, że wszyscy uczestnicy byli zdrowi, bez żadnych zaburzeń neurorozwojowych, neurologicznych ani psychiatrycznych. Ponadto rodzice zgłosili, że 88,5% dzieci jest praworęcznych, 6,8% leworęcznych, 3,7 procent oburęcznych, a 1 procent niemożliwych do ustalenia.

Projekt eksperymentalny Kodowanie. Podczas pierwszej wizyty dzieci poznały nowe fakty (np. „Grupa nosorożców nazywa się katastrofą”) z jednego z dwóch różnych źródeł: dorosłej kobiety („Abby”) i marionetki o męskim głosie („Henry”) za pośrednictwem wideo cyfrowe (Drummey i Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Każde źródło podało 6 faktów, co daje łącznie 12 faktów. Prezentacja faktów była blokowana według źródła, gdzie dzieci najpierw uczyły się 6 faktów z jednego źródła, a następnie 6 faktów z drugiego źródła, a kolejność bloków była losowa wśród uczestników. Były trzy listy faktów; każda lista składała się z unikalnych faktów, które były podobne na różnych listach (np. „Grupa kangurów nazywana jest motłochem” lub „Grupa kóz nazywana jest plemieniem”). Listy te zostały losowo przydzielone uczestnikom. Dzieci zostały poproszone o zwrócenie uwagi na fakty, ponieważ będą testowane na faktach w następnym tygodniu, ale nie powiedziano im, że będą testowane na źródle faktów. Zapytano dzieci, czy znały fakty przed eksperymentem. Znane fakty zostały wykluczone i zastąpione dodatkowymi nowymi faktami z listy tego samego źródła (ale zdarzało się to rzadko). Każde źródło miało 8 możliwych faktów wyjaśniających możliwość, że dzieci poznają 1 lub 2 fakty. Jeśli dziecko znało 3 lub więcej faktów z jednego źródła, całkowita liczba faktów, na których dziecko było testowane, zmniejszała się (ale było to rzadkie, n=4).

Wyszukiwanie. Podczas drugiej wizyty testowano pamięć dzieci pod kątem faktów i źródeł z pierwszej wizyty. Dzieci zostały poproszone o udzielenie odpowiedzi na 22 ciekawostki i poinformowanie eksperymentatora, gdzie poznały odpowiedzi na te ciekawostki. Powiedziano im, że niektórych z pytań nauczyli się tydzień wcześniej od „Abby” lub „Henry”, niektórych mogli nauczyć się poza laboratorium (np. od nauczyciela lub rodzica), a niektórych mogą nie znać. Dzieci dowiedziały się 6 z 22 faktów przedstawionych od „Abby”, 6 od „Henryka”, 5 było faktami powszechnie znanymi dzieciom (np. „Jakiego koloru jest niebo?”), a 5 było faktami, których dzieci zazwyczaj nie znają. (np. „Jak nazywa się kolorowa część twojego oka?”). Każda lista 22 faktów miała dwie losowe kolejność prezentacji, a kolejność ta była równoważona między uczestnikami. Jeśli dzieci nie były w stanie przypomnieć sobie źródła konkretnego pytania, podano pięć opcji wielokrotnego wyboru: rodzice, nauczyciel, dziewczyna w filmie, kukiełka w filmie lub po prostu wiedział/zgadł

Pamięć źródłową obliczono jako proporcję pytań, w przypadku których dzieci dokładnie przypomniały lub rozpoznały zarówno fakt, jak i źródło, z ogólnej liczby poznanych faktów (patrz poniższy wzór). Uważa się, że ta miara pamięci źródłowej odzwierciedla powiązanie faktów i źródeł, co jest ważnym aspektem pamięci epizodycznej (Miller i in., 2013; Cooper i Ritchey, 2020).

Podczas skanowania bez zadań, ruch głowy uczestnika był monitorowany w czasie rzeczywistym. Jeśli uczestnik wykazywał nadmierny ruch głowy (0,2 mm w dowolnym kierunku) podczas pierwszej połowy dowolnego biegu, skanowanie zostało wznowione, a uczestnikowi przypominano, aby pozostał tak nieruchomo, jak to możliwe.

Wstępne przetwarzanie danych obrazowania W analizach uwzględniono wszystkie 210 zebranych obrazów fMRI w stanie spoczynku, ponieważ pierwsze cztery objętości zostały odrzucone przed zebraniem danych z powodu niestabilności początkowego sygnału MR i adaptacji uczestnika. Wstępne przetwarzanie obejmowało następujące kroki. Najpierw wykonano korekcję czasu przekrojów, korekcję ruchu głowy i wygładzanie za pomocą DPABI 1.3 (Yan i in., 2016). Następnie przeprowadzono niezależną analizę komponentów na wygładzonych danych za pomocą MELODIC, zestawu narzędzi FSL, w celu usunięcia komponentów związanych z artefaktami (Geng i in., 2019). Po usunięciu wszystkich elementów związanych z artefaktami przeprowadzono ekstrakcję mózgu, normalizację i filtrowanie. Zgodnie z procedurą sugerowaną przez Tillmana i in. (2018), ekstrakcję mózgu na obrazie ważonym T1- przeprowadzono oddzielnie w sześciu zestawach narzędzi: Advanced Normalization Tools, AFNI, FSL, BSE, ROBEX i SPM8 w celu zapewnienia wysokiej jakości danych. Woksele wyekstrahowane przez co najmniej cztery skrzynki narzędziowe były zawarte w masce mózgowej. Do wspólnej rejestracji i normalizacji wykorzystano zaawansowane narzędzia normalizacyjne. Analizy statystyczne przeprowadzono w AFNI (Cox, 1996). Czasowe filtrowanie pasmowoprzepustowe (0,01-0,1 Hz) i wygładzanie przestrzenne z jądrem gaussowskim 5 mm FWHM przeprowadzono w AFNI na znormalizowanych danych.

Poszczególne regiony nasion (dwustronne