Aprenem dormint: Implicacions funcionals del son en la memòria

Lluís Fuentemilla, PhD1,2

1Institute of Cognitive Neuroscience (UCL, London)2Institut d‘Investigació Biomèdica de Bellvitge (IDIBELL, Barcelona)

ÍNDEX

1. El son

1. Classificació i definició

2. Sistemes de Memòria. Classificació

3. Son i memòria:

1. Interaccions en sistemes de memòria

2. Mecanismes neuronals

3. Implicacions de la migdiada

4. Detecció de reactivació de memòria en humans

5. Conclusions

Per què dormim?

-Estat natural de descans del cos i el cervell el qual els ulls estàn tancats-Acompanyat de pèrdua total o parcial de consciència

Definició (funcional)

-Conservació energètica-Restauració de l‘organisme-Consolidació de la memòria

Com el podem caracteritzar?

-Electroencefalografia (EEG)

-Electromiografia (EMG)

-Electrooculograma (EOG)

ARQUITECTURA DEL SON

- Fase 1:a) EEG irregular, ones de voltatge baix.

- Fase 2:a) Spindles del son: ones 12-14-Hz de menys de mig segon.b) Complexes-K: ona de gran amplitud negativa seguida per una de més petita positiva.

- Fases 3 i 4:a) Anomenat “Son d’ones lentes (Slow Wave Sleep; SWS)”b) EEG amb ones molt lentes i de gran amplitut.c) L’activitat cortical està altament sincronitzada.d) Enlentiment del ritme cardíac, el ritme respiratori i

activitat cerebral.

- Fase REM (Rapid Eye Movement):a) Moviments ràpids ocularsb) EEG irregular, de voltatge baix i ràpid. c) Màxima relaxació muscular.

ARQUITECTURA DEL SON

a) SWS-REM alternanca

b) Seqüència concreta

c) Diferenciació 1a i 2a part

d) Components específics d‘activitat neuronal

Memòria

Declarativa No-declarativa

• Recuperació conscient d’informació

• Pot ser proposicional (declarada)

• Exemples:– “Què he menjat per esmorzar?”

(episòdica)– “Quina és la capital d’Alemanya?”

(semàntica)– “Què acabo de dir?”

(de treball)

• Canvi conductual induit per l’experiència

• No pot ser proposicional

• Exemples– Anuncis subliminals?

(priming)– Com anar en bicicleta

(habilitats)– Fòbies

(condicionament)

Cohen and Squire, 1980

Memòria

Declarativa No-declarativa

Semàntica De TreballEpisòdica Priming Procedural CondicionamentQuè

acabo de dir?

Què he esmorzat?

Quina és la capital alemana?

Procés de facilitació

Resposta reflex a un estímul

nou

Com anar en bici

Hipocamp-IndepenentHipocamp-Depenent

Per què dormim?-Conservació energètica-Restauració de l‘organisme-Consolidació de la memòria

Consolidació de la memòria

Adquisició - Consolidació - Recuperació

Adquisició: Incorporació d‘informació (nova) durant aprenentatge i la seva codificació com a traca vulnerable en la memòria.

Consolidació: Estabilització de “memòries noves”. També inclou processos d’integració amb memòries pre-existentsa llarg plac.

Recuperació: Reproducció d’informació enmagatzemada en memòria

Diekelmann and Born, 2010 (Nature Neuroscience Reviews)

Memòria procedural(p.e.,anar en bici)

-La més estudiada en relació al son

-Consolidació en fase REM

-Independent d‘hipocamp

Memòria declarativa (p.e.,què he esmorzat aquest matí)

-La que se‘n coneixen més bé els mecanismes neuronals

-Consolidació en SWS

-Dependent d‘hipocamp

Interaccions memòria i son

Evidències experimentals en humans

Plihal and Born, 1997 (J Cogn Neurosc)

Mirror Tracing (MT)

Memòria declarativa

Rasch et al., 2007 (Science)

-Mem declarativa i SWS

-Memòria espacial/associacions

-1a evidència causal

Mecanismes Neuronals (Consolidació)

- Nivell macroscòpic:a) Reactivació de grups neuronals implicats en la fase d‘adquisició d‘informaciób) Implicació de l‘hipocamp com a estructura necessària de reactivació

- Indicadors neurofisiològics:a) Consolidació en SWS:

1) Oscilacions corticals lentes (~0.8Hz) 2) Spindles (~10-15Hz)3) Ripples (100-300Hz)

b) Consolidació en REM:1) Ones ponto-geniculo-occipital (pGo) (rates)2) Ritme theta de l‘EEG (4-8Hz)

Nivell Macroscòpic

Reactivació neuronal

Maquet et al., 2000 (Nature Neuroscience) Cuenus Premotor

3 grups:1. Tasca SRT (no son)2. Tasca + entrenament (son)3. Tasca (son)

Resultats:- Àrees involucrades en aprenentatge

augmenten activitat en REM

- Si no hi ha aprenentatge pre-REM,aquestes àrees no es reactiven

Rasch et al., 2007 (Science)

Nivell Macroscòpic

Implicació hipocamp

Procediment:-fMRI-Grup I: olor en SWS; Grup II: olor desperts

Resultats:-Millor memòria en Grup I-Hipocamp en Grup I > Grup II-Parahipocamp en Grup I > Grup II

Van Der Werf et al., 2000 (Nature Neuroscience)

Nivell Macroscòpic

Implicació hipocamp

Hipocamp dret

Procediment:-Inducció perturbació de SWS mitjancant estimulació acústica lleu-Estudi imatges noves pre-son-fMRI en el test

Ind. Neuofisiològics: SWS

Ones corticals lentes (~0.8Hz)

TranscranialMagnetic

Stimulation (TMS)

Marshall et al., 2006 (PNAS)

frontal

parietal

Ind. Neurofisiològics: SWS

Spindles

Spindle-EEG 10-15Hz-Fase 2 i SWS (però també desperts)-Originats al tàlem-Funció de sincronització tàlamo-cortical i sincronització de zones corticals distants

Ones lentes i spindles-Comunicació inter-cortical a través de momentsd‘alta i baixa polarització neuronal (Ones lentes)- Spindles estàn modulats per ones lentes

Wierzynski et al., 2009 Neuron

Ind. Neurofisiològics : SWS

Spindles

Spindles i ones lentes estàn acoplats

Ind. Neurofisiològics : SWS

Ripples

Eschenko et a., 2008 (Learn. Mem.)

-En rates-Associació olor-reforc

-Origen en hipocamp-100-300Hz-Difícils de registrar en humans-Implicats en processos de LTP

Girardeau et al., 2009 (Nature Neuroscience)

-En rates-Memòria espacial

Wierzynski et al., 2009 Neuron

Ind. Neurofisiològics : SWS

Ones lentes-Spindles-Ripples

Interacció hipocamp-còrtex durant SWS

-La reactivació de la nova informació es produeix en el mateix ordre

Ind. Neurofisiològics : REM

Ritme Theta

Louie and Wilson, 2001 (Neuron)

Lisman, 2005 (Neuron)

SWS i REM estàn altament interrelacionats

Human-Reactivation and nap time

Rudoy et al., 2009 (Science)

Es manté millor allò que s‘ha mostrat durant la migdiada? Indicadors neurofisiològics?

Podem detectar REACTIVACIÓ d‘informació en el cervell de forma directa?

Classificació de patrons neuronals específics

Norman et al., 2005 (Trends in Cognitive Sciences)

Polyn et al., 2005 (Science)

Is neural activity elicited at sensory input reactivated during its maintenance?

Configural information

Replay en manteniment es va comparar amb:

‘Replay’ de patrons neuronals elicitats durant l’adquisició

Sum of all reactivations during delay maintenance

Configural > Non-Configural > Control**: p<0.01; * p<0.05

Fuentemilla et al., in press (Current Biology)

Recordar el context implica reactivar (Preliminary results)

ENCODING 1 RETRIEVAL

Fuentemilla et al., in prep

Conclusions (´puntualitzacions´)

1. Mentre dormim, consolidem en memòria informació nova que hem adquirit recentment

2. La consolidació ocorre en etapes diferenciades del son en funció del tipus de memòria involucrada1. REM- memòria procedimental2. SWS- memòria declarativa

3. Tant SWS com REM estàn altament relacionats i encara no es coneix exactament la rellevànciad‘aquesta interacció.

4. Existeixen mecanismes neuronals específics relacionats amb la consolidació. (Ones lentes, Spindles, Ripples)

5. La reactivació neuronal és un mecanisme de consolidació.

6. Existeixen mètodes de detecció de reactivació de la informació.

7. La implicació específica dels trastorns del son en la memòria encara són molt desconeguts1. Inferències d‘estudis de depriació de son

Moltes gràcies!

Dyssomnias - A broad category of sleep disorders characterized by either hypersomnolence or insomnia. The three major subcategories include intrinsic (i.e., arising from within the body), extrinsic (secondary to environmental conditions or various pathologic conditions), and disturbances of circadian rhythm.

InsomniaNarcolepsyObstructive sleep apneaRestless leg syndromePeriodic limb movement disorderHypersomnia

Recurrent hypersomnia - including Kleine-Levin syndromePosttraumatic hypersomnia "Healthy" hypersomnia

Circadian rhythm sleep disordersDelayed sleep phase syndromeAdvanced sleep phase syndromeNon-24-hour sleep-wake syndrome

ParasomniasREM sleep behaviour disorderSleep terrorSleepwalking (or somnambulism) Bruxism (Tooth-grinding) Bedwetting or sleep enuresis. Sleep talking (or somniloquy) Sleep sex (or sexsomnia) Exploding head syndrome - Waking up in the night hearing loud noises.

Medical or Psychiatric Conditions that may produce sleep disorders Psychoses (such as Schizophrenia) Mood disorders

DepressionAnxiety

PanicAlcoholism

Sleeping sickness - a parasitic disease which can be transmitted by the Tsetse flySnoring - Not a disorder in and of itself, but it can be a symptom of deeper problems. Sudden infant death syndrome (or SIDS)

Informació explícita/implícita (memòria procedural)

- L‘augment de la memòria procedural es veu altament afectat per la qualitat de la informació en l‘adquisició.- 1a evidència que els efectes de SWS i REM en memòria no són totalment independents