A nappali táplálékfelvétel hatása a memória konszolidációjára alvás vagy alváshiány alatt

A Pszichiátria és Pszichoterápia Tanszéke, Luebecki Egyetem, Luebeck, Németország

Csatlakozási Pszichiátriai és Pszichoterápiás Osztály, Luebecki Egyetem, Luebeck, Németország

A Pszichiátria és Pszichoterápia Tanszéke, Luebecki Egyetem, Luebeck, Németország

Hovatartozás általános és kísérleti pszichológia, Müncheni Egyetem (LMU), München, Németország

A Pszichiátria és Pszichoterápia Tanszéke, Luebecki Egyetem, Luebeck, Németország

Az Uppsala Egyetem Idegtudományi Tanszéke, Uppsala, Svédország

Nina Herzog,
Alexia Friedrich,
Naoko Fujita,
Steffen Gais,
Kamila Jauch-Chara,
Kerstin M. Oltmanns,
Christian Benedict

Ábrák

Absztrakt

Idézet: Herzog N, Friedrich A, Fujita N, Gais S, Jauch-Chara K, Oltmanns KM és mtsai. (2012) A nappali táplálék bevitelének hatása a memória konszolidációjára alvás vagy alváshiány alatt. PLoS ONE 7 (6): e40298. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0040298

Szerkesztő: Julie A. Chowen, Hosptial Infantil Universitario Niño Jesús, Spanyolország

Fogadott: 2012. március 16 .; Elfogadott: 2012. június 7 .; Közzétett: 2012. június 29

Finanszírozás: A tanulmányt a Német Kutatási Alapítvány támogatta (DFG, SFB 654, B7). Dr. Christian Benedict kutatási támogatást kapott a Novo Nordisk-tól. A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmányok tervezésében, adatgyűjtésben és elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében.

Versenyző érdeklődési körök: Dr. Christian Benedict kutatási támogatást kapott a Novo Nordisk-tól. Nincs releváns kapcsolata és pénzügyi kapcsolata a Novo Nordiskkal. Ez nem változtatja meg a szerzőknek az adatok és anyagok megosztására vonatkozó PLoS ONE irányelvek betartását.

Bevezetés

Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy az emberi alvás fokozza a labilis, nemrégiben megszerzett információk stabil, hosszú távú emlékekké való átalakulását, ami azt jelenti, hogy az önkéntesek nagyobb megtakarítást mutattak ki az alvás során a memóriában, szemben az éjszakai ébrenléttel a tanulási folyamat után [1] - [5]. Az alvás ilyen konszolidációs hatásait a deklaratív és az eljárási típusú memóriafeladatoknál találták. A deklaratív emlékek hozzáférhetők a tudatos visszaemlékezéshez (pl. Szókincs), míg a procedurális emlékek olyan készségeket és szokásokat tartalmaznak, amelyek általában nem állnak rendelkezésre a tudatos visszaemlékezéshez (pl. Zongorázás). Az alvással összehasonlítva az ébren maradás megnövekedett energiaigényt eredményez, mivel a 24 órás energiafogyasztás ~ 7% -kal haladja meg a szokásos 24 órás alvás/ébrenlét ciklusét [6]. Feltételezzük, hogy a 24 órás energiafelhasználás különbségét az alvási szakasz lassú hullámú alvása (SWS, gyakran mély alvásnak nevezik) okozza, amelynek során a központi idegrendszer energiaigénye lényegesen alacsonyabb, mint az ébrenlét alatt [7]. ]; [8]. Ebben a nézetben az organizmus nappali szükségesnél több energiával történő ellátása ellensúlyozhatja az emlékezet konszolidációjának károsodását, amelyet általában az éjszakai ébrenlét körülményei mutatnak [3].

Bizonyíték van arra is, hogy mind a kalóriafogyasztás, mind a táplálékfelvétellel kapcsolatos jelek (például az inzulinszint a cerebrospinális folyadékban) befolyásolják az emberek memóriafeldolgozását az ébrenlét alatt [9] - [12]. Például a glükóz beadása kimutatta, hogy egészséges fiataloknál javítja a memória teljesítményét, és ezt a hatást legalább 24 órával a glükóz beadása után figyelték meg [13]. Sőt, bebizonyosodott, hogy a memóriafeladatok során végzett teljesítmény a patkányok extracelluláris folyadékában a glükózkoncentráció jelentős csökkenésével járt [14]. Egy előzetes tanulmány azt is kimutatta, hogy az alvás közbeni hipoglikémia a kognitív teljesítmény romlásával jár együtt az 1. típusú cukorbetegeknél és egészséges embereknél [15]. Nincs azonban olyan tanulmány, amely szisztematikusan megvizsgálta volna, hogy a deklaratív és eljárási emlékek alvásfüggő konszolidációja érzékeny-e az előző nappali energiafogyasztás változásaira. Továbbá azt a kérdést, hogy az alvásvesztés memóriakonszolidációra gyakorolt káros hatását meg lehet-e fordítani az energia túlkínálatával, még nem foglalkozunk.

Ennek fényében a jelen tanulmányban a memória konszolidációt négy állapotban résztvevő egészséges férfi alanyokon tesztelték. Kétszer aludtak szokásos alvás-ébrenléti ciklusuk szerint, kétszer aludtak el egy éjszakára. Minden alvási állapotban [azaz alvás és teljes alvásmegvonás (TDS)], egyszer az energiaellátás alulteljesítésében részesültek, az előző napon pedig egyszer.

Mód

Etikai nyilatkozat

A vizsgálati protokoll megfelelt a Helsinki Nyilatkozatnak, és a Lübecki Egyetem etikai bizottsága jóváhagyta. Minden résztvevő írásos beleegyezését adta.

Résztvevők

Tizennégy egészséges, nemdohányzó férfi önkéntes [életkor (átlag ± SEM): 23,3 ± 0,5 év; testtömeg-index: magas energiafogyasztás/TSD: 23,01 ± 0,47 kg/m 2, alacsony energiafogyasztás/TSD: 22,96 ± 0,49 kg/m 2, magas energiafogyasztás/alvásidő: 22,97 ± 0,47 kg/m 2, alacsony energiafogyasztás/alvás: 22,89 ± 0,48 kg/m 2; F (1,13) = 0,06; p = 0,82 magas/alacsony energiafogyasztáshoz * alvás/ébrenlét ANOVA interakció] szerepeltek az elemzésekben. Összességében 16 alany vett részt a vizsgálatban, de a memóriafeladatok során felmerülő technikai problémák miatt kettőt kizártak az elemzésekből. A kísérleteket megelőző 6 hét alatt mindegyik alanynak rendszeres volt az alvás-ébrenlét ritmusa, és semmilyen gyógyszert nem szedett. Az akut betegségeket fizikai vizsgálat és rutin laboratóriumi vizsgálatok (pl. Éhomi plazma glükóz, szérum trigliceridek, szérum karbamid, szérum kreatinin, szérum gamma-glutamil-transzferáz, fehérvérsejtszám) kizárták. Az egyes kísérletek előtti héten a résztvevőket arra utasították, hogy 2300 és 2330 óra között feküdjenek le, reggel 0700 óráig keljenek fel, és ne szunyókáljanak napközben. Az általános alvászavarokat kizárták az alvásminták monitorozásával egy külön adaptációs éjszakában, amely arra is szolgált, hogy az alanyokat a kísérleti laboratóriumi környezethez hozzászoktassa.

Kísérleti terv

Véletlenszerű, kiegyensúlyozott keresztirányú tervezés szerint minden alany négy kísérleti körülményben vett részt: magas/alacsony energiafogyasztás, majd rendszeres alvás és magas/alacsony energiafogyasztás, majd TSD. Az esetleges várakozási hatások megelőzése érdekében az alanyok a teszt napján este 2100 óráig nem kaptak információt arról, hogy munkamenetük alvást vagy ébrenlétet jelent-e.

Egy éjszakai böjt után az alanyok 0715 órakor megérkeztek az alvás laboratóriumába, és megmérték a testtömegét. A testtömeg a körülmények között nem különbözött. Ezután az alanyok 0800 és 0830 óra között részt vettek egy memória kódoló ülésen (lásd alább). Ugyanazon a napon 0900 órától 2300 óráig az alanyok alultápláltak, vagy túlzottan voltak ellátva kalóriákkal, majd alvás vagy teljes alváshiány következett. A nap folyamán a résztvevők nem izgató filmekkel, játékokkal és könyvekkel tölthették az időt. Alvási körülmények között a lámpákat 2300 órakor kikapcsolták, és az alanyokat ~ 0600 órakor ébresztették fel. A TSD alatt a fények égtek (~ 300 lux), az alanyokat ébren tartották, és a kísérletezők folyamatosan figyelték őket. A résztvevők egész éjszaka ágyban maradtak, és a nappali tevékenységhez hasonló nem izgató tevékenységekkel tölthették az éjszakát. Az ivás és az étkezés nem volt megengedett.

Az alvási beavatkozást követő reggel folyékony reggelizés után 0800 órakor (1256 kJ) az alanyokat felkérték, hogy idézzék fel az előző nap (1030 óra) megtanult emlékeket. A visszahívási teszt előtt folyékony reggelit adtak a TSD miatti lehetséges energiahiány kompenzálására. Annak elkerülése érdekében, hogy a teljes kísérletek során súlyos testi megterhelés alakuljon ki, az alanyok fekvő vagy ülő helyzetben feküdtek ágyban. Az összes foglalkozást legalább két hét választotta el. A kísérleti terv vázlata megtalálható a 1.ábra.

Energiabevitel beavatkozása

Alvásfigyelés

Az alvási stádiumokat offline módon, poliszomnográfiai felvételekkel figyeltük, a szokásos kritériumoknak megfelelően [16]. A poliszomnográfiai felvételeket felszíni elektródákhoz kapcsolt digitális EEG eszköz segítségével hajtottuk végre. Az elektródákat a fejbőrhöz (elektroencefalogram, EEG), a szem körül (vízszintes és függőleges elektrokulogram, EOG) és az állhoz (elektromiogram, EMG) rögzítettük a szokásos mérésekhez. Minden éjszakára az alvás kezdete (a 2300 órakor kikapcsolt fényekre vonatkoztatva), a teljes alvási idő, a különböző alvási szakaszok időtartama (ébrenlét; 1., 2., 3. és 4. szakasz; és a REM alvás) és az alvási szakaszok késleltetése az alvás kezdetére való tekintettel meghatároztuk. A lassú hullámú alvást a nem REM-alvás 3. és 4. szakaszában töltött időként határoztuk meg.

Memória tesztek

A deklaratív és eljárási memória konszolidációjának kivizsgálása érdekében egy szópáros társult tanulási feladatot és egy ujjszekvenciát érintő feladatot adtak az alanyoknak. Ezeket a speciális memória teszteket azért választottuk, mert a velük kapcsolatos teljesítményről többször kimutatták, hogy előnyös az alvás [5]; [17]; [18]. Az első nap 0715 órakor történő megérkezéskor a tantárgyak tanulási órája 0800 órakor kezdődött, vagyis még azelőtt, hogy elkezdődött volna az energiafogyasztási beavatkozási időszak. A visszakeresési tesztre másnap reggel 1030 órakor került sor.

Szópár társak [17]; [18].

A résztvevőket arra utasították, hogy tanulják meg a német főnevek 40 szemantikailag rokon szópárját, szabványosítva a szó gyakorisága, hossza, érzelmessége, értelmessége és konkretitása szempontjából (pl. Autó és utca). Szópárokat vizuálisan mutattunk be, mindegyik 5 másodpercig. Az összes szópár bemutatása után az alanyokat arra kérték, hogy az első szó bemutatásakor szóban idézzék fel a pár második szavát (azonnali cued-felidézés). A tanulás során az alany válaszát mindig 1 másodpercig követte a helyes válaszszó bemutatása. A listát többször, más sorrendben mutatták be, amíg az alany helyesen felidézte legalább 24 szót (60% kritérium). Alvás vagy alvásmegvonás utáni visszakeresési teszt során az alanyokat ismét arra kérték, hogy idézzék fel a szópárokat ugyanazzal a cued felidézési eljárással, amelyet a tanulási szakaszban alkalmaztak, de ezúttal visszacsatolás nélkül. A megtartási teljesítményt a visszahívás során a visszahívott szópárok százalékos aránya határozta meg, a tanulási próba teljesítményét 100% -ra állítva. Az alanyokat párhuzamos tesztekkel teszteltük, amelyeket véletlenszerű sorrendben adtunk meg.

Ujjszakasz megérintési feladat [5]; [17]; [19].

Az ujjasorozat-kopogtatási feladat megköveteli az alanyoktól, hogy a nem domináns kéz ujjaival a lehető leggyorsabban és a lehető legpontosabban nyomja meg ismételten egy ötelemes szekvenciát (pl. 3-4-1-2-4) a billentyűzeten. A numerikus szekvencia folyamatosan megjelent a képernyőn, hogy a munkamemóriaigény minimális legyen. Minden gombnyomás fehér pontot eredményezett a képernyő közepén. A tanulás során az alanyok tizenkét 30 másodperces próbát hajtottak végre, mindegyiket 30 másodperces szünetek szakították meg (a feladat teljes időtartama: 12 perc). A visszakeresési teszt három vizsgálatot tartalmazott. Minden 30 másodperces vizsgálat során meghatároztuk a helyesen csapolt szekvenciák számát. A retenciós teljesítményt a visszakeresés során a három kísérletben a helyesen leütött szekvenciák átlagos száma határozta meg, az utolsó három vizsgálat átlagos teljesítményét 100% -ra állítva. Az alanyokat párhuzamos öt elem szekvenciával teszteltük, amelyeket véletlenszerű sorrendben adtunk meg.

Plazma glükóz mérések

A plazma glükózkoncentrációjának szabályozásához a vért intravénás alkar katéterrel vettük közvetlenül a tanulás (azaz az első napon 0800 óra) és a visszakeresés (azaz az alvás vagy alváshiány utáni napon 1030 óra) előtt. Klinikai rutin vizsgálatot alkalmaztak a plazma glükóz meghatározására (Abbott, Abbott Park, IL).

Statisztikai elemzések

A statisztikai értékeléshez az SPSS 20.0 verziót (SPSS Inc, Chicago, IL) használtuk. Az adatokat átlag ± SEM-ként mutatjuk be. A statisztikai elemzések a variancia-elemzéseken (ANOVA) alapultak, beleértve az alvás/teljes alváshiány (TSD) és az alacsony/magas energiafogyasztás ismételt mérési tényezőit. Az ANOVA-kat post hoc összehasonlítások követték, a Student párosított adatokkal végzett t tesztjeivel. Összességében egy kétoldalas p≤0,05-et tekintettünk szignifikánsnak. Az adatok normális eloszlását Kolmogorov-Smirnov teszt alkalmazásával biztosítottuk (p> 0,750 az összes összehasonlításhoz).

Az értékek átlagként ± SEM-ként vannak feltüntetve. (A) Reggel helyesen felidézett szópárok száma egy éjszakai teljes alváshiány (TSD) vagy 7 órás alvási lehetőség után. Az alvás vagy az éjszakai ébrenlét előtti napon, de a tanulás után (0800 óra) az alanyok (n = 14) túl- (fekete sáv) vagy alultelítettek (fehér sáv) voltak kalóriákkal, azaz ~ 50% -ot vagy ∼-t fogyasztottak Becsült egyéni összes energiafelhasználásuk 150% -a. A retenciós teljesítményt a visszakereséskor visszahívott szópárok százalékos aránya jelzi (reggel 1030 óra alvás vagy TSD után), a kritériumkísérlet teljesítménye a tanulás során 100% -ra van állítva. Az ismételt intézkedések ANOVA szignifikáns fő hatást mutatott az alvás/TSD-re (p = 0,05). (B) Az ujjcsapolás képességének egyik napról a másikra történő növekedését jelzi a helyes szekvenciák számának átlagos százalékos aránya a 30 másodperces kísérlet során a három kísérlet során visszakeresési teszten (reggel 1030 óra alvás vagy TSD után), a tanulás végén az átlagos (10–12. próba) értéke 100%. Az ismételt mértékű ANOVA szignifikáns kölcsönhatást váltott ki az alvás/TSD körülmények és az energiafelvétel beavatkozása között (p = 0,05). * p≤0,05, *** p 3. táblázat: Alvási adatok alacsony vagy magas energiafogyasztás után az előző ébrenléti időszakban.

Vita

Jelen tanulmányban megmutatjuk, amint azt az alvási körülmények között a helyesen felidézett szópárok nagyobb száma jelzi, hogy a deklaratív memória konszolidációja jobb alvás után, mint teljes alváshiány (TSD) után. Ez a hatás nem volt érzékeny az alvást megelőző nap energiafogyasztásának változásaira. Ezzel szemben a TSD-t megelőző energia-túlkínálat olyan eljárási memóriagyarapodást váltott ki, amely hasonló volt az alvási körülményekhez. Ilyen hatást nem láttak az energiaellátás hiányában. Ezek az adatok egyrészt arra utalnak, hogy az alvás alatti memória konszolidációja robusztus a test energiaállapotának akut ingadozásaival szemben, mint például a diéta (azaz a kalóriafogyasztás korlátozása) vagy a túlevés. Másrészt feltételezhetjük, hogy a procedurális hosszú távú memória termelése nemcsak alvás után, hanem ébrenlét körülményei között is bekövetkezik, amennyiben elegendő energia van ellátva.

A deklaratív memóriamegtakarítás (vagyis a tanulás utáni retenciós intervallum után helyesen felidézett szópárok száma) nagyobb volt alvás után, mint ébrenlét után, ami összhangban áll a meglévő szakirodalommal [3]; [18]; [20]; [21]. Az alvás jótékony hatását a deklaratív memóriakonszolidációra azonban nem befolyásolta az alvást megelőző nap energiafogyasztása. Ráadásul a deklaratív memória-megtakarítások nem maradtak fenn, amikor az alváshiányos alanyokat túlfeszítették energiával. Ez a minta azt sugallja, hogy a deklaratív információ hosszú távú emlékeinek kialakulása az alvást nem energiafüggő folyamatoknak köszönheti. Ennek a feltételezésnek megfelelően a tanulmányok kimutatták, hogy a tanulás után még nagyon rövid alvási időszakok is (pl. ~ 40 perc) javítják a deklaratív memóriakonszolidációt az ébrenléthez képest [1].

Korlátozás

Vizsgálatunk legfőbb korlátja, hogy nem tudtuk kimutatni az eljárási memória növekedését, függetlenül az energiafogyasztástól, ahogyan azt más tanulmányok is láthatták [4]. Elképzelhető, hogy a minta mérete túl kicsi volt ahhoz, hogy jelentős alvás/TSD fő hatást találjon. Ezenkívül az alkalmazott eljárási és deklaratív memória teszteket a jövőbeni vizsgálatok során meg kell vizsgálni, hogy megismételjük eredményeinket. Gyakorlati okokból a nőket nem vették fel, mivel ehhez a menstruációs hormonok további ellenőrzésére lett volna szükség, amelyek köztudottan modulálják mind az alvást, mind az energia-anyagcserét. Így a jövőbeli tanulmányoknak meg kell vizsgálniuk, hogy a menstruációs ciklus hogyan befolyásolja az alvástól függő memóriakonszolidációt, és hogy ez függ-e az alvást megelőző nap energiafogyasztásától.

Következtetés

Adataink azt sugallják, hogy az eljárási memória online módon is eléggé konszolidálható, az ébrenléti retenciós időszak alatt, mindaddig, amíg elegendő energia áll rendelkezésre a retenciós intervallum alatt. Vizsgálatunk továbbá azt mutatja, hogy az alvás előtti kalóriabevitel nem befolyásolja a deklaratív memória későbbi, alvásfüggő konszolidációját. Ezenkívül a korábbi megállapításokkal [22] összhangban a nappali energiafogyasztás változásai nem befolyásolták az alvás architektúráját, amint az az EEG felvételekből kiderült.

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük Colin Chapman-nak (Idegtudományi Osztály, Uppsala Egyetem, Svédország) a kézirat szerkesztéséért.

Szerző közreműködései

A kísérletek megtervezése és megtervezése: CB KMO NH AF KJC SG. Végezte a kísérleteket: NH NF. Elemezte az adatokat: NH CB. Hozzájáruló reagensek/anyagok/elemző eszközök: CB KMO. Írtam a cikket: NH CB NF KMO CB SG.