הבנת התפקידים של פעילות מרכזית ואוטונומית במהלך השינה בשיפור זיכרון העבודה והזיכרון האפיזודי חלק 1

בעשור האחרון נרשמה התקדמות משמעותית בזיהוי מנגנוני שינה התומכים בקוגניציה. רוב המחקרים הללו מתמקדים בקשר בין אירועים אלקטרו-פיזיולוגיים של מערכת העצבים המרכזית במהלך השינה לבין שיפורים בתחומים קוגניטיביים שונים, בעוד שהשינויים הדינמיים של מערכת העצבים האוטונומית לאורך השינה התעלמו במידה רבה.

שינה וזיכרון קשורים קשר הדוק. בזמן שאנו ישנים, המוח שלנו מעבד ומגבש את המידע שלמדנו במהלך היום, ועוזר לנו לזכור וללמוד. לכן, מנגנון שינה טוב חשוב מאוד לשיפור הזיכרון שלנו.

ישנם שני שלבים עיקריים של שינה: תנועת עיניים מהירה (REM) ותנועת עיניים לא מהירה (NREM). שני שלבי השינה הללו ממלאים תפקידים שונים בסוגים שונים של זיכרונות. במהלך שלב שנת ה-NREM, המוח יחזק את עיבוד הזיכרונות ויזריק מידע חשוב לזיכרון לטווח ארוך כדי לשמר אותם טוב יותר. בשלב שנת REM, המוח ישפר את היצירתיות והדמיון שלנו על ידי זכירה וארגון מחדש של מידע, ועלולה להתרחש גם דהיית זיכרון מסוימת.

כדי להבטיח איכות שינה טובה, עלינו לשים לב לפיתוח הרגלי שינה טובים. זה כולל זמני שינה קבועים, הימנעות משימוש מופרז במכשירים אלקטרוניים לפני השינה ושמירה על סביבת שינה נוחה. בנוסף, שמירה על בריאות גופנית באמצעות פעילות גופנית ושליטה בתזונה היא גם מפתח לאיכות השינה.

בקיצור, מנגנון שינה וזיכרון קשורים קשר הדוק. על ידי שמירה על הרגלי שינה ואורח חיים טובים, אנו יכולים לשפר את איכות השינה שלנו, ובכך לעזור לנו לשמור טוב יותר על הזיכרון ועל יכולות הלמידה שלנו. ניתן לראות שעלינו לשפר את הזיכרון שלנו. Cistanche deserticola יכולה לשפר משמעותית את הזיכרון, מכיוון ש-Cistanche deserticola יכולה גם לווסת את איזון הנוירוטרנסמיטורים, כמו הגדלת רמות האצטילכולין וגורמי גדילה. חומרים אלו חשובים מאוד לזיכרון וללמידה. בנוסף, בשר יכול גם לשפר את זרימת הדם ולקדם אספקת חמצן, מה שיכול להבטיח שהמוח יקבל מספיק חומרים מזינים ואנרגיה, ובכך לשפר את חיוניות המוח וסיבולת.

לחץ על יודע תוספי מזון כדי להגביר את הזיכרון

מחקרים אחרונים, לעומת זאת, זיהו תרומות משמעותיות של תשומות אוטונומיות במהלך השינה לקוגניציה. עם זאת, נותרו פערים ניכרים בהבנה כיצד מערכות מרכזיות ואוטונומיות פועלות יחד במהלך השינה כדי להקל על שיפור קוגניטיבי. במאמר זה, אנו בוחנים את הראיות לתפקידים העצמאיים והאינטראקטיביים של פעילויות מרכזיות ואוטונומיות במהלך שינה ויקיצה בעיבוד קוגניטיבי. אנו מתמקדים במיוחד במבנים הפרה-פרונטאליים-תת-קורטיקליים התומכים בזיכרון העבודה ובמנגנונים העומדים בבסיס היווצרות זיכרון אפיזודי תלוי בהיפוקמפוס.

מודל מתג התנודה האיטי שלנו מזהה מנגנונים בסיסיים נפרדים ומתחרים התומכים בשני תחומי הזיכרון ברמות הסינפטיות, המערכות וההתנהגותיות. אנו מציעים ששינה היא זירה תחרותית שבה שני תחומי הזיכרון מתחרים על משאבים מוגבלים, שהוכחו בניסוי כאשר חיזוק מערכת אחת מוביל לשינוי פונקציונלי בתוצאות אלקטרופיזיולוגיות והתנהגותיות.

מכיוון שממצאים אלה מובילים בהכרח לשאלות נוספות, אנו מציעים תחומי מחקר עתידיים כדי להבין טוב יותר כיצד המוח והגוף מתקשרים כדי לתמוך במגוון רחב של תחומים קוגניטיביים במהלך פרק שינה בודד.

מערכת העצבים האוטונומית (ANS) מחולקת לשני ענפים, כאשר הענף הסימפתטי הקשור לגיוס אנרגיה במהלך מה שנקרא תגובות קרב-טיסה-הקפאה (1, 2) והענף הפאראסימפתטי הקשור לתפקודים וגטטיביים ומשקמים במהלך מה שנקרא. תגובות מנוחה-עיכול (3). ענפים אלו "פועלים באופן אנטגוניסטי, סינרגטי ועצמאי לאיסוף מידע מאיברי חישה ולתאם תגובות לדרישות פנימיות וחיצוניות" (4).

מערכת העצבים הסימפתטית והפאראסימפתטית מתקשרות עם מערכת העצבים המרכזית (CNS), ויוצרת מערכת בשם הרשת האוטונומית המרכזית. הרשת האוטונומית המרכזית היא קבוצה של מבנים של מערכת העצבים המרכזית, כולל ה-locus coeruleus (LC), ההיפותלמוס, האמיגדלה, קליפת המוח הפרה-מצחית, היפוקמפוס והתלמוס, המקבלים, במישרין או בעקיפין, תשומות מה-ANS ומווסתות את הפלט ל-ANS.

עצב הוואגוס (העצב הגולגולתי ה-10) מורכב מ-80% חיבורים אפרנטיים (5) המעבירים מידע פאראסימפטטי/ווגאלי מהפריפריה לגרעין ה-Solitary tract בגזע המוח ואזורים מסדר גבוה ברשת האוטונומית המרכזית ( 6, 7). בנוסף, תחזיות יורדות מהרשת האוטונומית המרכזית מאפשרות תקשורת דו-כיוונית בין המוח והאזורים ההיקפיים (8, 9).

בבני אדם, שיטה לא פולשנית לזיהוי פעילות ANS היא שונות קצב הלב (HRV), הבוחנת את השונות בין פעימות לב בודדות (מרווחי R-R, המשקפים דפולריזציה חדרית) בקומפלקס QRS של אלקטרוקרדיוגרמה (ECG) (10-12).

ניתן לחשב HRV בתחום הזמן ובתחום התדר. מדדי תחום זמן של HRV כוללים 1) את ה-SD של כל מרווחי ה-R-R (SDNN), מדד כללי של שונות בקצב הלב, ו-2) את ריבוע הבסיס של ההבדלים העוקבים (RMSSD), מדד של תנודות קצב הלב מתווך בעיקר על ידי עצב הוואגוס.

מדדי תחום התדר של HRV כוללים 1) הספק של HRV בתדר גבוה (HF-HRV: 0.15 עד 0.40 הרץ), אינדיקטור להפרעת קצב סינוס נשימתית ופעילות נרתיקית פאראסימפתטית, ו-2) העוצמה של HRV בתדר נמוך (LF-HRV: 0.04 עד 0.15 הרץ), אות מעורב ממקורות סימפטיים ופאראסימפטיים כאחד. בהתחשב באי הוודאות בתרומת האותות הכוללים LF-HRV, ביחס למקורות הווגאליים הידועים של האות HF-HRV, מחקר על פעילות אוטונומית נוטה להתמקד ב-HF-HRV.

לסקירה עדכנית של אזורי המוח והמערכות הנוירו-מודולטוריות הכוללות את הענפים הפאראסימפתטיים והסימפתטיים, כמו גם את התשומות שלהם לאזורי מוח המוקדשים לעיבוד קוגניטיבי, ראה Whitehurst et al. (4).

הסקירה שלנו מתמקדת במיוחד בראיות התומכות בתפקיד של ANS בתהליכים קוגניטיביים על פני ערות ושינה. אנו מדווחים על קבוצה חזקה של ממצאים המקשרים בין פעילות פארה-סימפתטית/וואגלית במהלך ערות ושינה עם הרשת הפרה-פרונטלית-תת-קורטיקלית המסדירה שליטה קוגניטיבית, תפקוד ביצועי וזיכרון עבודה (WM). אנו גם מזהים מחסור משמעותי בראיות לפעילות אוטונומית המקלה על גיבוש זיכרון תלוי-שינה, פער בולט בהתחשב במכלול המחקר הגדול שמחבר בין שינה להיווצרות זיכרונות ארוכי טווח. לאחר מכן, אנו מסכמים את הידע הנוכחי על מנגנונים התומכים ביצירת זיכרונות ארוכי טווח במהלך השינה.

על רקע זה, אנו מפתחים את ההשערה שרשתות המוח והמערכות הנוירומודולטוריות במהלך השינה התומכות ביעילות מוגברת ב-WM ובגיבוש של זיכרונות אפיזודיים בהיפוקמפוס הם מנגנונים נפרדים ומתחרים. אנו מציגים את המודל של מתג תנודה איטית, שנותן קווי מתאר כיצד מנגנונים אלה מתקשרים במהלך השינה, יחד עם השערות הניתנות לבדיקה וקווי חקירה חדשים למחקר נוסף בתחום זה.

כניסות אוטונומיות מווסתות קוגניציה

תהליכים קוגניטיביים המסתמכים על שליטה מעכבת מלמעלה למטה ברשתות פרה-פרונטאליות-תת-קורטיקליות, כגון ויסות רגשי, שליטה קוגניטיבית או תפקוד ביצועי, נקשרו לפעילות פאראסימפטטית/ווגאלית. שליטה קוגניטיבית או תפקוד ביצועי, התיאום של תהליכים ופעולות נפשיות לפי מטרות ותוכניות נוכחיות הוא פונקציה ראשונית של הקורטקס הפרה-פרונטלי.

התיאום של שליטה קוגניטיבית מיושם על ידי מספר מעגלים תפקודיים המעוגנים בקליפת המוח הקדם-מצחית, כולל הקורטקס הפרה-פרונטלי של המוח, קליפת המוח הקדמית ומגוון רחב של אזורים תת-קורטיקליים (13). WM הוא היבט של תפקוד ניהולי התומך בתחזוקה ובמניפולציה של כמות קטנה של מידע, נמשך בדרך כלל שניות עד דקות (14), וחולק מנגנונים עצביים דומים עם שליטה קוגניטיבית (15). היקפו של מאמר זה יתמקד בהיבט אחד של תפקוד ביצועי, דהיינו WM (למידע נוסף על ויסות רגשי, ראה שופטים 16-19).

WM, בניגוד לזיכרון לטווח ארוך (LTM), גוררת טרנספורמציה של ייצוגי זיכרון או עקבות והוא תהליך קוגניטיבי מקוון-מידע כללי, אשר נחשב באופן מסורתי לתכונה בלתי ניתנת לשינוי. עם זאת, מחקרי אימון WM הוכיחו שניתן לשפר תפקוד ניהולי באופן כללי ובאופן ספציפי WM (20) וכי שיפורים אלה נתמכים על ידי יעילות קדם-מצחית מוגברת ואוטומטיות של רשתות פרה-פרונטאליות-תת-קורטיקליות (21, 22).

מחקר על תפקידו של ה-ANS בקוגניציה הראה שפעילות פאראסימפתטית/ואגלית עשויה להוות אינדיקטור למידת מידת הסדרת המעגל הפרה-פרונטלי-תת-קורטיקלי את מערכות המרכיבים שלו בתגובה לדרישות פנימיות וחיצוניות. באופן ספציפי, פעילות במעגלים מעכבים אלו נקשרת באופן חיובי ל-HF-HRV במנוחה (9, 23), ותפקוד מיטבי של מעגלים אלו מנבא תגובות גמישות ומסתגלות לשינויים סביבתיים (24). מודל בולט אחד שמטרתו להסביר כיצד התקשורת הדו-כיוונית בין מערכת העצבים המרכזית ל-ANS היא מנבא קריטי להצלחה קוגניטיבית אדפטיבית הוא מודל האינטגרציה הנוירו-ויסצרלית, שפותחה על ידי תאייר ועמיתיו (9, 23) (נספח SI, איור S1).

מודל זה מציע ש-HRV הוא מדד להשפעה מעכבת פרה-פרונטלית-תת-קורטיקלית על מגוון רחב של אזורי מוח התומכים בקוגניציה, רגש ותגובתיות פיזיולוגית, כולל תפקוד ניהולי, WM, ציפייה לתוצאות עתידיות, ויסות רגשי, תגובה רגשית ללחץ, ו תפקוד היקפי (24).

מודל האינטגרציה הנוירו-ויסצרלית זכה לתמיכה אמפירית ממחקרים שהראו את הקשר בין HRV בזמן ערות לתפקוד ניהולי. בהשוואה לאנשים עם HF-HRV במנוחה נמוכה (משקף טונוס נרתיק ירוד בזמן מנוחה ערה), אנשים עם HF-HRV גבוהים מראים ביצועי WM טובים יותר [משימה nback (25); משימת טווח פעולה (26)] ובקרה מעכבת [כלומר, משימת Stroop (27)].

בנוסף, שינויים הנגרמות על ידי אימון בשליטה קוגניטיבית קשורים לשיפורים בפעילות הפאראסימפתטית, וההיפוך נכון גם שהעליות הנגרמות על ידי אימון בפעילות הפאראסימפתטית מקדמות גם שיפור קוגניטיבי. לדוגמה, אימון קוגניטיבי (מהירות עיבוד מבוססת ראייה) הוכח כמגביר HF-HRV ומשפר את ההפעלה ברשת הפרה-פרונטלית-תת-קורטיקלית (22). במחקר זה, מבוגרים עם ליקוי קוגניטיבי קל אמנסטית עברו 6 שבועות של אימון קוגניטיבי.

בהשוואה לביקורות, מבוגרים יותר בקבוצת האימון הפעיל הפגינו HF-HRV מוגבר וירידה בקישוריות הפרה-פרונטלית-סטריאטלית במהלך המשימה, דבר המצביע על ויסות אוטונומי קדם-פרונטלי-תת-קורטיקלי יעיל. תוצאות דומות דווחו במשתתפים בריאים (28). יתר על כן, הגדלת HF-HRV במנוחה באמצעות אימון אירובי דווחה לשיפור מקביל בביצועי WM (27).

במחקר זה, המשתתפים חולקו באופן אקראי לקבוצת אימון אירובי ולקבוצת דחיית אימון (מצב פעילות גופנית מופחת), כאשר HF-HRV ו-WM במנוחה נמדדו לפני ואחרי ההתערבות באימון. לאחר התערבות, קבוצת האימון האירובי הראתה ביצועים גבוהים יותר של HF-HRV ו-WM בהשוואה לקבוצת הביקורת המבטלת את האימון, דבר המצביע על קשר בין חיזוק התפקוד הפאראסימפטטי/ווגאלי ורשתות WM באמצעות תרגיל לב.

מנגנון פוטנציאלי אחד לאופן שבו פעילות ואגלית/פאראסימפתטית יכולה להועיל לתפקוד הפרה-פרונטלי ול-WM הוא באמצעות אפנון של נוראדרנלין (NE). 20 שנות המחקר האחרונות הוכיחו שיחד עם הסיפור המסורתי לפיו הנוירומודולטור העיקרי של הפעילות הנרתיקית הוא אצטילכולין (ACh), אפרנטים ואגליים גם מווסתים את רמות ה-NE במוח. עצב הוואגוס מייצג את המרכיב העיקרי של מערכת העצבים הפאראסימפתטית, והפעלת סיבים עולים של עצב הוואגוס מתווכים את הפעולות של NE על המוח (29, 30).

הטרמינלים של התמסורות הנרתיקיות האפרנטיות נמצאים ישירות בתוך הגרעין של המסלול הבודד, אשר מעביר מידע למבנים המווסתים קוגניציה מסדר גבוה כגון האמיגדלה, ההיפוקמפוס והקורטקס הקדמי דרך מסלול פוליסינפטי מה-LC. למרות ACh הוא הנוירוטרנסמיטר העיקרי בסינפסות ההיקפיות של עצב הוואגוס, ברגע שהמידע מתפשט ל-LC, NE הופך לנוירומודולטור הראשי המתווך תקשורת סינפטית ב-CNS.

ל-LC יש שני מצבי ירי, פאזי וטוניק, המשפיעים על התפקוד הפרה-פרונטלי. ירי טוניק נקשר ללחץ או עוררות, בעוד שירי פאזי נקשר לתגובות לחידושים וקוגניציה מסדר גבוה (31). הפעלות פאזיות וטוניקיות אינן תלויות, כאשר פעילות פאזית מותאמת כאשר רמת פעילות טוניק מתונה (32), בעוד שהפרשה טוניקית מוגברת עלולה לפגוע בהפרשה פאזית (33). בפרימטים, הפעלה פאזית של נוירונים NE של ה-LC בזמן עם שינויים קוגניטיביים יכולה לעורר או להקל על ארגון מחדש דינמי של רשתות עצביות מטרה, ולאפשר הסתגלות התנהגותית מהירה לצווי הסביבה המשתנים (34).

יתר על כן, לאחרונה הוכח כי הפעלה אופטוגנטית פאזית של LC מגינה מפני השפעות טאו מזיקות של מלבן אנושי וירידה קוגניטיבית בעוד שהפעלת טוניק-LC מעוררת מתח מחמירה את השפעותיה (35, 36). באופן ספציפי, במחקר שנערך על ידי Omoluabi et al. (36), לעכברים הוזרקו טאו סבוך, ונוירוני ה-LC שלהם הופעלו בדפוסים פאזיים או טוניים. הם מצאו שגירוי פאזי הציל עכברים מחסרים התנהגותיים ו-LC, בעוד שגירוי טוניק הוביל להחמרה בתסמינים.

יתר על כן, מחקרים במכרסמים וקופים הראו שלאיזון מעורר-מעכב אופטימלי של NE פרה-פרונטלי, הנשמר על ידי קולטנים אדרנרגיים שונים, (למשל, 1 ו-Pre- ופוסט-סינפטי 2), יש השפעה מועילה חשובה על ביצועי WM (37, 38) . הגדלת ריכוזי NE בניסוי בקליפת המוח הקדם-מצחית משפרת את ביצועי עיכוב התגובה במכרסמים ובני אדם (39, 40).

גוף מחקר זה מדגיש את התפקיד של תפקוד מעכב מוגבר במהלך תנאים מסיחים המשרתים תועלת ספציפית ל-WM (41) בעוד שאין להם תועלת לזיכרון ההיפוקמפוס (42). מעניין לציין ש-2 קולטנים אדרנרגיים מגבירים את ה-NE הפרה-פרונטלי ושומרים על האיזון המעורר-מעכב האופטימלי שלו, אשר בתורו משפר את התפקוד הפרה-פרונטלי (43-45), בעוד ש-1 קולטנים עוקפים פעילות של 2 קולטנים ופוגעים בתפקוד ה-WM (38).

התמונה המתגבשת היא שסוגים שונים של קולטנים אדרנרגיים עשויים למלא תפקיד באופטימיזציה של האיזון המעורר-מעכב הכולל בקליפת המוח הקדם-מצחית. באופן ספציפי, NE מתזמר תפקודים פיזיולוגיים המעבירים את המוח והגוף ממצב ללא לחץ, שבו פעילות LC פאזית עוסקת בשני קולטנים ומגבירה את תפקוד WM פרה-פרונטלי, למצב לחוץ הממריץ ירי טוניק ופעילות קולטן 1, הפוגע ב-WM תוך שמירה על תפקודים אחרים , כגון עירנות ותשומת לב (46).

בבני אדם, קשר סיבתי בין תשומות נרתיק המווסתות פעילות LC-NE לבין תחומים קוגניטיביים הנתמכים על ידי קליפת המוח הקדם-מצחית התבסס על ידי מחקרים המפעילים מניפולציה אקטיבית של טונוס נרתיק באמצעות גירוי עצב נרתיק (VNS) או גירוי עצב וגוסי לא פולשני (tVNS). VNS מפעיל ירי נוירון פאזי ב-LC ומגביר את רמות ה-NE ברשתות הפרה-פרונטאליות-תת-קורטיקליות, כולל הניאוקורטקס, ההיפוקמפוס, האמיגדלה וחלקים אחרים של המוח עם תחזיות אפרנטיות מ-LC (33, 47-49).

במחקר אחד, חולים שטופלו ב-VNS פולשני ביצעו משימות קוגניטיביות עם גירוי מופעל או כבוי. מטופלים הראו שיפור בביצועי WM במהלך תקופות הגירוי בהשוואה לתקופות הגירוי כבוי (50). לאחרונה, tVNS הראה השפעות דומות לשליטה קוגניטיבית (51). במחקר זה, משתתפים בריאים ביצעו משימת בקרה מעכבת (Go/NoGo) עם tVNS פעיל או גירוי דמה.

במצב NoGo שדרש עיכוב קוגניטיבי, tVNS הביא לירידה משמעותית באמפליטודה של פוטנציאלים הקשורים לאירועי N2 פרונטאליים, סמן ביולוגי לדרישת שליטה קוגניטיבית, מה שמצביע על כך ש-tVNS עשוי להוביל לעיבוד עצבי יעיל יותר עם פחות משאבים הדרושים עם בקרה מעכבת חזיתית מוצלחת. השפעות דומות של tVNS הוכחו במחקר אחר (52) שבו tVNS הגביר את פעילות התטא בקו האמצע הקדמי, הנחשב לשקף הפעלה חולפת של קליפת המוח הקדם-מצחית במצבים הדורשים שליטה ביצועית מוגברת בפעולות.

בהתחשב בכך שגירוי נרתיק משפר את ה- LC-NE הפאזי, ושהפעילות הפארא-סימפתטית מוגברת באופן טבעי במהלך שנת תנועת עיניים לא מהירה (NREM), מפתה לשער כי עלייה בפעילות הפאזי של LC-NE עם החיזוק הטבעי בפעילות הפאראסימפתטית הנרתיק במהלך השינה להיות מנגנון אחד שלפיו מווסת התפקוד הפרה-פרונטלי ושיפור קיבולת ה-WM.

ביחד, LC-NE פאזי במהלך השינה עשוי לתרום להגברת קיבולת WM באמצעות מספר מנגנונים אפשריים, כולל ארגון מחדש של ייצוגים עצביים, ביטול טאו ו/או הגברת הפעילות הפזית של קולטני LC-NE 2 יחד עם תפקוד פרה-פרונטלי. יחד עם זאת, טוניק LC-NE המושרה במתח מפריע לשינה וכן לתפקוד הפרה-פרונטלי. החלק הבא יסקור ממצאים על הקשר בין שינה ופעילות ANS.

For more information:1950477648nn@gmail.com