Kuidas käitumine kujundab aju ja aju käitumist: ülevaated mälu arengust

Rohkem informatsiooni:ali.ma@wecistanche.com

Lähtemäluparaneb lapsepõlves oluliselt. Arvatakse, et see paranemine on tihedalt seotud hipokampuse küpsemisega. Nagu varasemates uuringutes, on vaheliste seoste hindamiseks kasutatud peamiselt ristlõike kujundusilähtemäluja hipokampuse funktsiooni, jääb teadmata, kas muutused ajus eelnevad paranemiselemäluvõi vastupidi. Selle lünga kõrvaldamiseks kasutati praeguses uuringus kiirendatud pikisuunalist kujundust (n=200, 100 meest), et jälgida 4- ja 6-aastasi inimlapsi 3 aasta jooksul. Jälgime arengumuutusilähtemäluja sisemine hipokampuse funktsionaalne ühenduvus ning hinnatud erinevused 4- ja 6-aastaste kohortide vahel prognoositavates suheteslähtemälumuutused ja sisemine hipokampuse funktsionaalne ühenduvus nõudliku ülesande puudumisel. Kooskõlas varasemate uuringutega ilmnes vanusega seotud tõusallikasmäluja sisemine funktsionaalne ühenduvus hipokampuse ja kortikaalsete piirkondade vahel, mis on teadaolevalt seotud mälu kodeerimisega. Uued leiud näitasid, et muutused mäluvõimes varases elus ennustasid hilisemat ühenduvust hipokampuse ja kortikaalsete piirkondade vahel ning et hipokampuse sisemine funktsionaalne ühenduvus ennustas hilisemaid muutusi lähtemälus. Need leiud viitavad sellele, et käitumiskogemus ja aju areng on interaktiivsed, kahesuunalised protsessid, nii et kogemused kujundavad tulevasi muutusi ajus ja aju kujundab tulevasi muutusi käitumises. Tulemused viitavad ka sellele, et nii ajastus kui ka asukoht on olulised, kuna täheldatud mõjud sõltusid nii laste vanusest kui ka konkreetsetest aju ROI-dest. Need leiud koos annavad kriitilise ülevaate kognitiivsete protsesside ja nende aluseks olevate neuroloogiliste aluste interaktiivsetest suhetest arengu ajal.

Märksõnad: kiirendatud pikisuunaline projekteerimine; aju areng;episoodiline mälu;hipokampuse funktsionaalne ühenduvus;mälu arendamine; lähtemälu

Fengji Geng, 1,3 Morgan Botdorf,2 ja Tracy Riggins2

1 Zhejiangi ülikooli õppekava ja õppeteaduste osakond, Zijingangi ülikoolilinnak, Hangzhou, 310058, 2 psühholoogia osakond,

Marylandi Ülikool, College Park, Maryland 20742 ja 3 lastehaigla, Zhejiangi ülikooli meditsiinikool, riiklik kliiniline

Laste tervise uurimiskeskus, Hangzhou, 310052

Olulisuse avaldus

Läbilõikeuuringud on näidanud, et võime meeles pidada varasemate kogemuste kontekstuaalseid üksikasju (stlähtemälu) on seotud hipokampuse arenguga lapsepõlves. Pole teada, kas hipokampuse funktsionaalsed muutused on enne paranemistmäluvõi vastupidi. Kiirendatud pikisuunalist kujundust kasutades leidsime selle varakultlähtemälumuutused ennustasid hilisemat sisemist hipokampuse funktsionaalset ühenduvust ja et see ühenduvus ennustas hilisemaid lähtemälu muutusi. Need leiud viitavad sellele, et käitumiskogemus ja aju areng on interaktiivsed, kahesuunalised protsessid, nii et kogemused kujundavad tulevasi muutusi ajus ja aju kujundab tulevasi käitumismuutusi. Veelgi enam, need koostoimed varieerusid sõltuvalt laste vanusest ja ajupiirkonnast, rõhutades arenguperspektiivi olulisust aju-käitumise interaktsioonide uurimisel.

Mälu saamiseks klõpsake Cistanche'i vitamiinipoes ja Cistanche'is

Sissejuhatus

Lähtemälu paraneb lapsepõlves oluliselt (nt Riggins, 2014). Täpsemalt, vanusega hakkavad lapsed paremini aru andma ja säilitama elukogemuste kontekstipõhiseid üksikasju (Bauer, 2007). See areng on tihedalt seotud hipokampuse küpsemisega, mida tõendavad vanusest ja mälust tulenevad erinevused hipokampuse struktuuris ja funktsioonides kogu arengus (vt ülevaadet Ghetti ja Bunge, 2012; Sastre et al., 2016; Tang et al., 2018; Riggins et al., 2020). Varasemates uuringutes on aju ja mälu arengu vaheliste suhete hindamiseks kasutatud peamiselt ristlõike kujundusi, mis ei võimalda uurida tegelikke arengumuutusi ja mida võivad mõjutada segavad tegurid, näiteks kohordiefektid. Seetõttu jääb teadmata, kas muutused ajus eelnevad mälu paranemisele või vastupidi. Lisaks on varasemad uuringud keskendunud kas väikelastele või kooliealistele lastele, mis teeb erinevate arenguperioodide võrdlemise keeruliseks. Nende lünkade kõrvaldamiseks kasutati praeguses uuringus kiirendatud pikisuunalist ülesehitust, et jälgida 4- ja 6-aastasi lapsi 3 aasta jooksul. See disain võimaldas meil uurida arengumuutusi sisemises hipokampuse funktsionaalses ühenduvuses (iHFC) ja hinnata erinevusi 4- ja 6-aastaste rühmade vahel lähtemälu ja funktsionaalse ühenduvuse vahelises ennustavas suhetes (vt joonis 1). . 1).

Täiskasvanutel arvatakse, et sisemine funktsionaalne ühenduvus peegeldab aju funktsionaalset arhitektuuri, mis ilmneb ajupiirkondade vahelise ülesandega esile kutsutud koaktivatsiooni tulemusena (Fox ja Raichle, 2007). Laste olemuslikud funktsionaalsed ühenduvusmustrid on tõenäoliselt konstrueeritud sarnasel viisil; Pikaajaline vormimise hüpotees on aga näidanud, et need ühenduvusmustrid kujunevad aja jooksul nii küpsemise kui ka kogemuse tulemusena (Gabard-Durnam et al., 2016). Näiteks jälgides 4- kuni 18-üle 2-aastastele lastele, näitasid tulevased analüüsid, et ülesandega esile kutsutud mandelkeha funktsionaalne ühenduvus ennustas puhkeoleku funktsionaalset ühenduvust 2 aastat hiljem, kuid mitte samaaegselt (Gabard-Durnam et al., 2016). Need leiud viitavad seostele ülesandepõhise ajuaktivatsiooni ja sisemise funktsionaalse ühenduvuse vahel nii lastel kui ka täiskasvanutel; sellised ühendused võivad aga arenguti erineda.

Empiirilised andmed toetavad ka kahesuunalist mõju aju ja käitumise vahel. Esiteks toetavad varasemad uuringud arvamust, et käitumuslikud muutused kujundavad ülesandepõhist ja sisemist funktsionaalset ühenduvust (nt Jolles et al., 2016; Clark jt, 2017; Rosenberg-Lee jt, 2018). Näiteks 8- kuni 9-aastastel lastel tugevdas 8-nädalane matemaatikaõpe iHFC-d intraparietaalseks sulcusiks (Jolles et al., 2016). Teiseks on empiirilised uuringud näidanud, et sisemine funktsionaalne ühenduvus võib ennustada kognitiivsete võimete kasvu hilisemas arengujärgus (nt Hoeft et al., 2011; Supekar et al., 2013; Evans jt, 2015). Näiteks Supekar et al. (2013) leidsid, et enne matemaatikaõpetust mõõdetud iHFC ennustas jõudluse paranemist pärast juhendamist keskmises lapsepõlves.

Nende uuringute põhjal uurisime, kas lähtemälu muutuste ja sisemise funktsionaalse ühenduvuse vahel hipokampusest ajupiirkondadega on kahesuunalised mõjud, mis väidetavalt toetavad kontekstuaalse teabe kodeerimist (Geng et al., 2019). Kasutasime kiirendatud pikisuunalist kujundust, et hinnata järgmist: (a) vanusega seotud muutused lähtemälu ja iHFC samaaegsetes suhetes; b) ennustavad seosed varase lähtemälu muutuste ja hilisemate iHFC vahel; ja (c) ennustavad seosed varase iHFC ja hilisemate lähtemälu muutuste vahel (joonis 1).

Me oletasime, et varajane allika mälu suurenemine ennustab hilisemat iHFC-d, kuna arvatakse, et kogemuste mõju aja jooksul koguneb (Gabard-Durnam et al., 2016). Oodati, et igapäevaste mälutegevustega kogunevad kogemused põhjustavad lapsepõlves iHFC arengumuutusi. Lisaks eeldasime, et suurema plastilisuse tõttu arengu alguses (nt Tottenham ja Sheridan, 2010), eeldasime, et mälumuutused ennustavad tugevamalt hilisemat ühenduvust nooremas ja vanemas rühmas.

Kuna on oletatud, et aju ühenduvus kujundab hilisemat käitumist (nt Evans et al., 2015), oletasime, et iHFC ennustab lähtemälu võimekuse kasvu. Lisaks, kuna hipokampuse funktsioon on keskmises ja varases lapsepõlves küpsem (Geng et al., 2019), oletasime, et ühenduvus 6-aastaselt ennustab tugevamalt tulevast mälu kui ühenduvus 4-aastaselt.

Materjalid ja meetodid

Osalejad Lapsed osalesid suures uuringus, milles uuriti mälu ja aju arengut varases lapsepõlves ja milles kasutati kiirendatud pikisuunalist disaini (N=200, 100 meest) (Riggins et al., 2018; Geng jt, 2019). Uuringu esimene laine (W1) hõlmas 4- kuni 8-aastaseid lapsi. 4- ja 6-aastased lapsed kutsuti tagasi kahele järgnevale testimise lainele (W2 ja W3; joonis 2). Kokku oli kolm lainet ja iga laine hõlmas noori ja vanu kohorte (noor kohor: W1=4 aastat, W2=5 aastat, W3=6 aastat; vana kohort: W{{ 17}} aastat, W2=7 aastat, W3=8 aastat). Tabelis 1 on näidatud nende laste arv, kes esitasid igas kohordis 3, 2 või 1 andmelaine lõplikuks analüüsiks. Neurokuvandi andmete kadumise peamisteks põhjusteks oli see, et lapsed liikusid liiga palju, jäid skaneerimise ajal magama, keeldusid skannerisse sisenemast või pered ei suutnud järgida.

Mõõtsime laste IQ-d W1-s, kasutades sõnavara ja plokkide ülesehituse alamteste kas Wechsleri laste intelligentsuse skaala (4. väljaanne) (Wechsler, 2003) või Wechsleri koolieelse ja esmase intelligentsuse skaala (Wechsler, 2012) abil. ). Kõigil analüüsidesse kaasatud lastel oli keskmine kuni keskmisest kõrgem hinnanguline IQ. Sõnavara skaleeritud skoorides noorte ja vanade kohortide vahel erinevust ei leitud (noor: keskmine=11,07, SD=2,96; vana: keskmine=11,66, SD { {11}}.55; p=0.33) või plokkkujunduse alamtestid (noor: keskmine=12.96, SD=2.73; vana: keskmine=13). 03, SD=3.00; p=0.92). Vanemad teatasid, et kõik osalejad on terved, ilma närvisüsteemi arenguhäireteta, neuroloogiliste seisundite või psühhiaatriliste seisunditeta. Lisaks teatasid vanemad, et 88,5 protsenti lastest on paremakäelised, 6,8 protsenti vasakukäelised, 3,7 protsenti kahekäelised ja 1 protsenti lastest ei olnud võimalik kindlaks teha.

Eksperimentaalne disain Kodeerimine. Esimesel külastusel õppisid lapsed uudseid fakte (nt "Ninasarvikute gruppi nimetatakse krahhiks") ühest kahest erinevast allikast: täiskasvanud naissoost ("Abby") ja meeshäälega nukk ("Henry") digitaalsed videod (Drummey ja Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Iga allikas esitas 6 fakti kokku 12 fakti kohta. Faktide esitamine blokeeriti allika järgi, kus lapsed õppisid esmalt 6 fakti ühest allikast, millele järgnes 6 fakti teisest allikast ning blokkide järjekord jaotati osalejate lõikes juhuslikult. Faktide loetelu oli kolm; iga loend koosnes ainulaadsetest faktidest, mis olid loendite lõikes sarnased (nt "Rühma känguruid nimetatakse pööbliks" või "Rühma kitsesid nimetatakse hõimuks"). Need loendid määrati osalejate vahel juhuslikult. Lastel paluti pöörata tähelepanu faktidele, kuna neid testitakse faktide põhjal järgmisel nädalal, kuid neile ei öeldud, et neid testitakse faktide allika põhjal. Lastelt küsiti, kas nad teadsid fakte enne katset. Teadaolevad faktid jäeti välja ja asendati täiendavate uudsete faktidega sama allika loendist (kuid seda juhtus harva). Igal allikal oli 8 võimalikku fakti, et selgitada, et lapsed teavad ühte või kahte fakti. Kui laps teadis ühest allikast kolme või enamat fakti, vähenes last testitud faktide koguarv (kuid see oli haruldane, n=4).

Otsimine. Teisel külastusel testiti laste mälu põhjal esimese külastuse fakte ja allikaid. Lastel paluti vastata 22 triviaküsimusele ja öelda eksperimenteerijale, kust nad neile triviaküsimustele vastuseid õppisid. Neile öeldi, et nad õppisid mõned küsimused eelmisel nädalal kas "Abbylt" või "Henrylt", mõnda neist võisid nad õppida väljaspool laborit (nt õpetajalt või lapsevanemalt) ja mõnda, mida nad ei pruugi teada. Lapsed said teada 6 22 faktist, mis esitati "Abbyst", 6 "Henryst", 5 olid lastele üldiselt teadaolevad faktid (nt "Mis värvi on taevas?") ja 5 olid faktid, mida lapsed tavaliselt ei tea. (nt "Kuidas nimetatakse teie silma värvilist osa?"). Igal 22 faktist koosneval loendil oli kaks juhuslikku esitlusjärjekorda ja need järjekorrad olid osalejate vahel tasakaalustatud. Kui lapsed ei suutnud konkreetse küsimuse allikat meelde tuletada, anti viis valikvastustega valikut: vanemad, õpetaja, tüdruk videos, nukk videos või lihtsalt teadis/arvas.

Allikamälu arvutati küsimuste osakaaluna, mille puhul lapsed nii fakti kui ka allika täpselt meelde tuletasid või ära tundsid õpitud faktide koguarvust (vt allolevat valemit). Arvatakse, et see lähtemälu mõõt peegeldab faktide ja allikate seotust, mis on episoodilise mälu oluline aspekt (Miller et al., 2013; Cooper ja Ritchey, 2020).

Ülesandevaba skannimise ajal jälgiti osaleja pea liikumist reaalajas. Kui osaleja avaldas mis tahes jooksu esimesel poolel pea liigset liikumist (0,2 mm mis tahes suunas), alustati skannimist uuesti ja osalejale tuletati meelde, et ta peab võimalikult paigal püsima.

Pildiandmete eeltöötlus Analüüsidesse kaasati kõik 21 0 kogutud puhkeoleku fMRI-pilti, kuna esimesed neli mahtu jäeti enne andmete kogumist kõrvale esialgse MR-signaali ja osalejate kohanemise ebastabiilsuse tõttu. Eeltöötlus hõlmas järgmisi samme. Esiteks viidi läbi DPABI 1.3 abil viiluaja korrigeerimine, pea liikumise korrigeerimine ja silumine (Yan et al., 2016). Seejärel viidi silutud andmete põhjal läbi sõltumatu komponentanalüüs, kasutades FSL-i tööriistakasti MELODIC, et eemaldada artefaktidega seotud komponendid (Geng et al., 2019). Pärast kõigi artefaktidega seotud komponentide eemaldamist viidi läbi aju ekstraheerimine, normaliseerimine ja filtreerimine. Järgides Tillmani jt soovitatud protseduuri. (2018), viidi T1-kaalutud kujutise aju ekstraheerimine läbi eraldi kuues tööriistakastis: Advanced Normalisation Tools, AFNI, FSL, BSE, ROBEX ja SPM8, et tagada kvaliteetsed andmed. Vähemalt nelja tööriistakastiga eraldatud vokslid lisati aju maski. Kaasregistreerimise ja normaliseerimise teostamiseks kasutati täiustatud normaliseerimistööriistu. Statistilised analüüsid viidi läbi AFNI-s (Cox, 1996). Normaliseeritud andmetel viidi AFNI-s läbi ajaline ribapääsfiltreerimine (0.01-0,1 Hz) ja ruumiline silumine 5 mm FWHM Gaussi tuumaga.

Üksikud seemnepiirkonnad (kahepoolne eesmine ja tagumine hipokampus) tuletati struktuuri skaneerimisest, kasutades programmi Freesurfer 5.1 (Fischl, 2012) ja redigeeriti automaatse segmenteerimisadapteri tööriista abil (Wang et al., 20 11). Hipokampus jagati standardsete anatoomiliste orientiiride käsitsi tuvastamise abil eesmiseks ja tagumiseks segmendiks. Onu tipp oli piiriks eesmise ja tagumise hipokampuse vahel (Duvernoy, 2005; Weiss et al., 2005). Hindajad olid osaleja vanuse ja soo suhtes pimedad. Nende orientiiride tuvastamise usaldusväärsus näitas 94,60-protsendilist kokkulangevust 1 lõigus ja 99,99-protsendilist kokkulangevust 2 lõigu piires. Klassisisesed korrelatsioonikoefitsiendid olid kõrged ja jäid vahemikku 0,897–0,985. Kui hindajate vahel tekkis lahkarvamusi õige lõigu asukoha osas, kasutati kogenuma hindaja lõiku.

Individuaalsete puhkeseisundi funktsionaalsete ühenduvuskaartide loomiseks arvutati korrelatsioonid üksikute seemnepiirkondade (kahepoolne eesmine ja tagumine hipokampus) ja kogu aju aegridade vahel. Seejärel kasutati Fisheri r-to-z teisendust r-kaartide teisendamiseks z-kaartideks, et saada ühenduvuskaartide normaalselt jaotatud väärtused. Z väärtused eraldati 6 ROI-st: alumine/ülemine parietaalsagara (IPL/SPL), alumine kuklaluu ​​(IOG), vasakpoolne alumine oimulihas (ITG), vasakpoolne alumine eesmine gyrus (IFG), fusiform gyrus ja orbitaalne eesmine gyrus (OFG) (joonis 3). Need ajupiirkonnad määrati kindlaks varasemate uuringute kohaselt, mis näitasid, et 4- kuni 8--aastastel lastel ilmnes nendes piirkondades suurem aktiveerumine üksuste (st loomade ja objektide piltide) kodeerimisel, mis hiljem meelde jäid. õiged allikad kui need, millel on valed allikad (st koomiksitegelaste pildid) (üksikasju vt Geng et al., 2019). Aktiveerimiserinevused viitavad sellele, et need kuus ajupiirkonda on kontekstuaalse teabe kodeerimiseks kriitilise tähtsusega. Seetõttu valiti need piirkonnad käesolevas uuringus ROI-deks.

Statistilised analüüsid Kasutati lineaarseid segamudeleid, võttes arvesse nende võimet käsitleda tasakaalustamata ja mittetäielikke pikisuunalisi andmeid. Täpsemalt, SPSS 20.0-s käivitati rida fikseeritud efektidega mudeleid, et testida seoseid vanuse, lähtemälu ja iHFC vahel. Esiteks hinnati vanusega seotud muutusi lähtemälus. Seejärel analüüsiti seoseid vanuse, lähtemälu ja iHFC vahel iga ROI vahel, et hinnata samaaegsete suhete muutusi. Järgmisena kasutati mudeleid, et uurida, kas varasemad muutused lähtemälus ennustasid hilisemat iHFC-d iga ROI-ga ja kas varasem funktsionaalne ühenduvus iga ROI-ga ennustas hilisemaid muutusi lähtemälus.

Nagu sissejuhatuses soovitati, kulub käitumis- ja ajumuutuste teineteise vormimiseks aega. Seetõttu analüüsisime W1 ja W2 vaheliste mälumuutuste seoseid W3 funktsionaalse ühenduvusega (joonis 1). Lisaks arvutasime välja W1 funktsionaalse ühenduvuse seosed mälumuutustega W1 ja W3 vahel (joonis 1). Veel üks praktiline põhjus, miks mälumuutuste intervallid olid kahe ennustusanalüüsi vahel erinevad, oli see, et vanas kohordis ei toimunud olulisi muutusi lähtemälus W2 ja W3 vahel. [Teine huvipakkuv küsimus oleks, kuidas on lähtemälus muutused seotud iHFC muutustega; praeguses valimis oli aga liikumise tõttu liiga palju andmekadu, et uurida iHFC muutusi kahes kohordis. Seetõttu kasutatakse funktsionaalse ühenduvuse analüüsiks ühe ajapunkti andmeid.]

Nende mudelite pidevad ühismuutujad (vanus, keskmine FD, allika mälu muutus ja iHFC) standarditi kogu valimi ulatuses. Akaike teabekriteeriumit kasutati põhiefektide mudelite võrdlemiseks mudelitega, mis sisaldasid nii peamisi kui ka interaktiivseid efekte. Kõige paremini sobivaks mudeliks valiti madalaima Akaike teabekriteeriumi väärtusega mudelid. Arvestades valimi mõõdukat suurust (vt tabel 1) ja ROI piiratud arvu, ei rakendatud mitme võrdluse parandusi. Kui täheldati interaktsioone, mis hõlmasid kohorti (noored ja vanad), hinnati lähtemälu mõõtmiste ja iHFC vahelist seost iga kohordi jaoks uuesti, standardiseerides iga rühma ühismuutujad eraldi ja hinnates uuesti mudeli parameetreid.

Tulemused

Käitumuslikud tulemused

Käitumisanalüüsideks andmeid esitas 194 last (tabel 1). Lähtemälu jõudluse ennustamiseks sobisid fikseeritud efektide mudelid, sealhulgas vanus, kohort (noor vs vana) ja vanuserühma interaktsioon, paremini kui mudel, mis hõlmas ainult põhiefekte. Vanus oli positiivselt seotud lähtemälu jõudlusega (b=0.051, SE=0.023, t(353)= 2.281, lk=0.023) ning vanuse ja rühma vahel esines märkimisväärne interaktsioon (b=–0,075, SE=0.031, t(353) {{17 }} 2.423, lk=0.016). Kui seda interaktsiooni uuriti, näitasid tulemused, et vanusega seotud muutused lähtemälus olid suuremad noorte kui vanade kohordis (p, 0,001 vs p=0,028; joonis 4). Mingeid erinevusi ei täheldatud 6--aastaste laste vahel noorest kohordist, keda testiti kolmandal nädalal, ja 6-aastaste laste vahel vanast kohordist, keda testiti esimesel nädalal (lk 0,90). Lisaks testisime, kas iga kohordi vanuserühmade vahel oli lähtemälus erinevusi. Kõik vanuserühmade võrdlused saavutasid olulisuse, välja arvatud erinevus 7 ja 8 aasta vahel (p=0,24).

Vanusega seotud muutused lähtemälu ja funktsionaalse ühenduvuse samaaegsetes suhetes Lineaarsete segamudelite fikseeritud mõjud hõlmasid sõltumatute muutujatena alampiirkonda, vanust ja lähtemälu ning sõltuvat muutujat iHFC. Keskmine FD kaasati mudelisse ka vanuse ja keskmise FD vahelise marginaalselt olulise seose tõttu, nagu eespool kirjeldatud. Peamiste efektide mudelid sobisid paremini kui vanuseallika mälu interaktsiooniga mudelid. Hipokampuse ja vasaku IPL/SPL, IOG, vasaku ITG, vasaku IFG, fusiform gyruse ja OFG vahelise ühenduvuse ennustamisel oli vanusel olulisi põhimõjusid. Täpsemalt, vanuse kasvades suurenes ka iHFC (joonis 5). Lähtemälu peamine mõju ei olnud hipokampuse ja mis tahes ROI vahelise ühenduvuse jaoks oluline.

Lisaks esines erinevusi ühenduvuses eesmise ja tagumise hipokampuse ja fusiformi, vasakpoolse ITG, IOG, OFG ja vasakpoolse IPL/SPL vahel (tabel 3). Kõigis piirkondades, välja arvatud OFG, oli ühenduvus tagumises osas suurem kui eesmise hipokampusega. IFG-s oli hipokampuse funktsionaalses ühenduvuses trendikas erinevus (eesmine, tagumine; tabel 3).

Ennustavad seosed lähtemälu muutuste vahel W1-lt W2-le ja funktsionaalse ühenduvuse vahel W3-s

Lineaarsete segamudelite fikseeritud efektid hõlmasid alampiirkonda (eesmine vs tagumine), kohorti (noor vs vana) ja lähtemälu muutust (määratletud kui erinevused lähtemälus W1 ja W2 vahel). Mudelitesse ei kaasatud keskmist FD-d, kuna noorte ja vanade kohortide (p . 0.60) liikumisparameetrites (keskmine FD, absoluutne liikumine ja andmete pikkus) ei olnud erinevusi. Mudelid, mis sisaldavad kohordi allika mälu muutmise interaktsiooni, andsid parema mudeli vasaku IFG ja OFG jaoks. Seevastu põhiefektide mudelid sobisid paremini ülejäänud nelja ROI-ga. Lähtemälu muutused W1 ja W2 vahel olid positiivselt seotud W3 hipokampuse funktsionaalse ühenduvusega vasakpoolse IPL/SPL, IOG, vasaku ITG ja fusiform gyrusega (tabel 4; joonis 6).

Kohordi ja lähtemälu muutuste vahel esines olulisi koostoimeid, mis ennustasid sisemist funktsionaalset ühenduvust hipokampusest vasakpoolse IFG ja OFG vahel (tabel 4). Nende interaktsioonide uurimiseks kasutati fikseeritud efektide mudeleid, et hinnata iga kohordi eraldi. Noores kohordis olid lähtemälu muutused oluliselt seotud iHFC-ga vasakpoolse IFG ja OFG-ga (b=0.109, SE=0.025, t( 73)=4.341, p , 0,001; b=0.068, SE=0.022, t(73)=3.117, p=0 .003). Kuid vanas kohordis ei olnud need seosed ilmsed (p väärtused 0,20). Seetõttu kujunes ainult noores kohordis lähtemälu käitumuslik paranemine hiljem sisemise funktsionaalse ühenduvuse hipokampuse ja nende ajukoore piirkondade vahel (joonis 7). Lisaks tegime ülaltoodud analüüsid uuesti mudelitesse kaasatud lähtemäluga W1 ja W2, et testida seoseid lähtemälu muutuste ja hilisema hipokampuse funktsionaalse ühenduvuse vahel. Kõik tulemused jäid samaks, välja arvatud see, et lähtemälu muutuste peamine mõju vasakpoolses IPL-is/SPL-is ja IOG-is muutus ebaoluliseks (p=0.18; p=0.11). Lisaks näitas tagumine hipokampus suuremat ühenduvust fusiformiga, lahkus ITG-st, IOG-st ja lahkus IPL/SPL-ist kui eesmisest hipokampusest. OFG ja vasakpoolse IFG erinevus ei saavutanud tähtsust (tabel 3).

Ennustavad seosed W1 funktsionaalse ühenduvuse ja lähtemälu vahel muutuvad W1-lt W3-le

Fikseeritud efektide mudelid hõlmasid sõltumatute muutujatena iHFC at W1 ja kohorti (noor vs vana) ning sõltuva muutujana lähtemälu muutust W1-lt W3-le. Keskmist FD-d mudelisse ei kaasatud, kuna see ei erinenud oluliselt kohortide vahel (lk 0.70). Vasakpoolse ITG ja fusiformi jaoks sobisid interaktsioonimudelid paremini. Teiste ROI-de puhul sobisid põhiefektide mudelid paremini, kuid need ei toonud olulisi leide.

Kohordi ja iHFC vahelised koostoimed vasakpoolses ITG-s ja fusiform gyrus ennustasid märkimisväärselt lähtemälu muutust (tabel 5). Interaktsioonide uurimiseks kasutati fikseeritud efektidega mudeleid, et testida seoseid igas kohordis eraldi. Vanemas kohordis oli iHFC vasakpoolse ITG ja fusiform gyrusega seotud allika mälu muutusega (b=–0.{{10}}90, SE=0 .024, t(60)=3.76, p , 0.001; b=0.086, SE=0.029, t(60)= 2.998, lk=0.004). Seda seost aga noorte kohordis ei täheldatud (p 0,80). Seetõttu ennustas ainult vanas kohordis funktsionaalne ühenduvus hipokampuse ja vasaku ITG ja fusiform gyrus vahel lähtemälu hilisemat paranemist (joonis 7).

Arutelu

Selles uuringus kasutati kiirendatud pikisuunalist ülesehitust, et uurida prognoositavaid seoseid lähtemälu muutuste ja iHFC vahel lapsepõlves. Esiteks avastasime lähtemälu jõudluse vanusega seotud suurenemise, toetades varasemaid uuringuid, mis valgustasid selle vanuserühma lähtemälus vanusega seotud erinevusi (Drummey ja Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Teiseks näitasid tulemused, et iHFC mäluvõrgus suurenes lapsepõlves, mis on kooskõlas varasemate ristlõikeuuringutega, mis näitasid sarnaseid seoseid vanuse ja hipokampuse funktsionaalse ühenduvuse vahel (Blankenship et al., 2017; Geng jt, 2019). Lõpuks näitasid tulemused, et muutused mälu jõudluses ennustasid hilisemat funktsionaalset ühenduvust ja varajane funktsionaalne ühenduvus ennustasid hilisemaid lähtemälu muutusi.

Lähtemälu muutused ennustasid hilisemat hipokampuse funktsionaalset ühenduvust

Lähtemälu muutused varases elus ennustasid hilisemat sisemist ühenduvust hipokampuse ja kortikaalsete piirkondade vahel ülesande puudumisel, mis viitab sellele, et käitumine kujundas hilisema funktsionaalse ühenduvuse. Täpsemalt, kõigi laste puhul ennustasid muutused mälus sisemist ühenduvust hipokampusest fusiformile, lahkusid ITG-st, IOG-st ja lahkusid IPL/SPL-ist 1 aasta hiljem. Lisaks ennustasid varased mälumuutused nooremas kohordis ka hipokampuse funktsionaalset ühenduvust vasakpoolse IFG ja OFG-ga. Kuid analüüsides, milles hinnati samaaegsete suhete vanusega seotud muutusi, ei olnud mälu võime iHFC-ga seotud. Need leiud toetavad ideed, et elukogemus kujundab aju kogu arengu jooksul – seda arusaama on toetanud ka teised järeldused (Fox ja Raichle, 2007; Gabard-Durnam et al., 2016). Näiteks on näidatud, et ülesandega esile kutsutud funktsionaalne ühenduvus ennustab puhkeoleku funktsionaalset ühenduvust 2 aastat hiljem, kuid mitte samaaegselt (Gabard-Durnam et al., 2016). Lisaks, nagu soovitab interaktiivne spetsialiseerumisraamistik, tõlgendasime tulemusi, et näidata, et muutused mälus varases eas võivad põhjustada funktsionaalset integratsiooni hipokampuse mäluvõrgustikus ja et selle protsessi arenemine võtab aega (Johnson, 2011; Poppenk et al., 2013). Teisisõnu, varajane mälu suurenemine võib kajastada hipokampuse mäluvõrgu järkjärgulist täiustamist aja jooksul, mis lõppkokkuvõttes viib täiustatud iHFC-ni isegi konkreetse ülesande puudumisel. See on kooskõlas varasemate uuringutega teistes kognitiivsetes valdkondades, mis näitavad, et aritmeetiline treening põhjustas muutusi hipokampuse ja parietaalse ühenduvuses keskmises lapsepõlves (Rosenberg-Lee et al., 2018).

Hippokampuse funktsionaalne ühenduvus ennustas hilisemaid lähtemälu muutusi

Ühenduvus hipokampusest fusiformi ja ITG-ga ennustas mälumuutusi 2 aastat hiljem. Kuid see kehtis ainult vanema kohordi kohta, nii et iHFC koos fusiformiga ja lahkunud ITF-ist 6 aasta pärast ennustas mälumuutusi 2 aastat hiljem. Need leiud toetavad väidet, et ajutegevus võib kujundada ka käitumist, ja viitavad sellele, et funktsionaalne integratsioon hipokampuse mäluvõrgustikus võib ennustada juba 6-aastaste laste mäluvõime edasist arengut. See leid on kooskõlas varasemate uuringutega, mis viitavad sellele, et varasem iHFC võib ennustada sekkumisest põhjustatud käitumismuutusi tüüpilistes ja ebatüüpilistes arengupopulatsioonides (Hoeft et al., 2011; Supekar et al., 2013). Seetõttu viitab meie uuring sellele, et varases eas ei ole aju ja käitumise arengu koostoime ühesuunaline, vaid hoopis vastastikune protsess: käitumuslikud muutused kujundavad tulevast ajutegevust ja ajutegevus kujundab tulevasi käitumismuutusi.

Ajastusmõjud käitumise ja aju arengu koostoimes

Meie tulemused näitavad, et ajastus on aju ja käitumise arengu vahelise koostoime seisukohalt oluline. Täpsemalt, kuigi varasemad mälumuutused ennustasid hilisemat hipokampuse ühenduvust teatud ajukoore piirkondadega nii noortes kui ka vanades kohordis, olid varajased mälumuutused seotud funktsionaalse ühenduvusega hipokampusest vasakpoolsesse IFG-sse ja OFG-sse. Seevastu varajane funktsionaalne ühenduvus fusiformi ja vasakpoolse ITG-ga ennustas märkimisväärselt hilisemaid mälumuutusi ainult vanemas kohordis. Pakume nende ajastuse erinevuste kohta kaks võimalikku selgitust. Esiteks võivad need leiud tuleneda teadaolevatest erinevustest vanusega seotud muutuste ulatuses lähtemälu arengus lapsepõlves. Kooskõlas varasemate käitumisuuringutega, mis viitavad lähtemälu kiirenenud muutustele enne kuuendat eluaastat (Riggins, 2014), näitab käesolev uuring, et mälumuutused 4-kuni-6-aastases kohordis olid suuremad. märkimisväärne kui 6-kuni -8-aastasele kohortile. Suuremad mälumuutused võivad põhjustada suuremaid muutusi ajus. See võib aidata selgitada, miks varasemad mälumuutused nooremas kohordis ennustasid ühenduvust hipokampuse ning IFG ja OFG vahel.

Teise võimalusena võib ajastuse erinevus tuleneda teadaolevatest erinevustest hipokampuse arengumuutustes lapsepõlves. Inimeste ja loomadega tehtud uuringud näitavad järjekindlalt, et hipokampuse mäluvõrgustik areneb märkimisväärselt kuuendal eluaastal (Serres, 2001; Lavenex ja Lavenex, 2013). Seetõttu võib 4-6 aastat olla hipokampuse arengu jaoks tundlik periood, mida iseloomustab suurem plastilisus (Tottenham ja Sheridan, 2010). See väide on kooskõlas argumendiga, et funktsionaalse arhitektuuri kujundamine võib olla eriti väljendunud arenguperioodidel, mil närvisüsteemid on kõige plastilisemad ja alluvad keskkonnasisenditele (Bick ja Nelson, 2017). Pärast tundliku perioodi lõppu võib küpsem hipokampuse mäluvõrk alustada mäluvõimete arengumuutusi. See võib selgitada, miks iHFC ennustas käitumismuutusi ainult vanemas kohordis. Seetõttu oletame, et alles pärast seda, kui aju jõuab teatud küpsemisläveni, saab selle funktsioon usaldusväärselt ja järjekindlalt ennustada käitumist. Ajastuse efektid võivad sõltuda ka konkreetsetest ajupiirkondadest, millel on funktsionaalne ühenduvus hipokampusega. Varajased mälumuutused 4–5 aastast ennustasid funktsionaalset ühenduvust hipokampuse ja prefrontaalsete piirkondade (IFG ja OFG) vahel 6 aasta pärast. Vanemas kohordis ei ennustanud funktsionaalset ühenduvust 8-aastaselt käitumise muutused 6–7 aastani. Seevastu ainult vanemas kohordis ennustas iHFC mälumuutusi 2 aastat hiljem ja see oli spetsiifiline fusiformile ja ITG-le. Need leiud võivad olla tingitud nende närvipiirkondade erinevast arengutrajektoorist. Varasemad uuringud on näidanud, et aju areng kulgeb hierarhilises järjestuses sensoorsest assotsiatsioonikoorest kuni kognitiivsete funktsioonide jaoks oluliste piirkondadeni (Gogtay et al., 2004; Shaw et al., 2008). IFG ja OFG on kõrgema astme tunnetusega seotud piirkonnad, mis küpsevad hiljem kui sensoorsed või assotsiatsioonipiirkonnad. Seega on käesoleva uuringu tulemused kooskõlas arusaamaga, et prefrontaalsed piirkonnad, nagu IFG ja OFG, on nooremas ja vanemas kohordis vähem küpsed ja seetõttu plastilisemad. See on kooskõlas ka varasemate uuringutega, mis näitavad, et hipokampuse suurenenud funktsionaalne sidumine PFC-ga on seotud mäluvõimete arenguga (Qin et al., 2014). Käesolevad leiud laiendavad seda tööd ja viitavad sellele, et 4-6 aastat võib olla tundlik periood hipokampuse ja frontaalpiirkondade funktsionaalseks integreerimiseks. Seevastu fusiform ja ITG on seotud visuaalse töötlemisega ja küpsevad varem kui prefrontaalsed piirkonnad. Selline varajane küpsemine võib olla aluseks fusiformi ja ITG võimele ennustada käitumismuutusi.

Tugevused ja piirangud

Praegusel uuringul on mitu tugevat külge. Kiirendatud pikisuunalist disaini kasutades jälgisime lähtemälu, iHFC ja nendevaheliste suhete arengumuutusi. See disain võimaldas meil testida ka ajastuse erinevusi, võrreldes kahte lasterühma. Keskendudes lähtemälu arendamise kavandatud tundlikule perioodile, saime uurida, kuidas hipokampuse mäluvõrk on selles olulises arenguaknas täpsustatud ja kuidas see on seotud mälu paranemisega.

Sellel uuringul on ka piirangud. Piiratud valimi suuruse tõttu ei saanud me uurida, kuidas funktsionaalse ühenduvuse muutused aja jooksul on seotud mäluga. Samuti otsustasime valimi suuruse tõttu mitte läbi viia kogu aju analüüse ja tuginesime selle asemel ROI-dele, mis saadi ülesandepõhisest uuringust, milles osalesid samast pikisuunalisest uuringust pärit lapsed. Seega võib esineda ka leide täiendavate ajupiirkondadega, mis ei sisaldu praeguses ROI-de komplektis. Lisaks määrati ülesandes ROI-d, kasutades ainult pildimaterjali. Seevastu lähtemälu selles uuringus mõõdeti ülesandes, mis hõlmas nii pildilist kui ka sõnalist materjali. Pole teada, kas erinevad ajupiirkonnad aktiveeritakse kontekstuaalse teabe kodeerimiseks, kasutades visuaalset ja verbaalset modaalsust. Lõpuks, kuigi osa valimisse kuuluvatest lastest esitas ROI-de määratlemiseks ülesandepõhiseid fMRI-andmeid, ei olnud meil piisavalt ülesandepõhiseid MRI-andmeid, et hinnata arengusuhteid ülesandepõhise hipokampuse funktsionaalse ühenduvuse ja ilma nõudliku ülesandeta mõõdetud ühenduvuse vahel. kehtestatud.

Kokkuvõttes keskendus meie uuring mehhanismidele, mis on seotud allikamälu arengumuutustega ja selle aluseks oleva hipokampuse võrgustikuga vanuses 4–8 aastat. Tulemused näitavad, et käitumuslikud kogemused ja ajumuutused on interaktiivsed protsessid, nii et kogemused kujundavad muutusi ajus ja aju kujundab muutusi käitumises. Lisaks toetavad ja laiendavad meie leiud varasemaid aju arengu uuringuid, näidates, et ajastus on oluline aju ühenduvust kujundavate käitumuslike muutuste seisukohalt ning sellised ajastuse erinevused sõltuvad ka sellest, millised ajupiirkonnad on kaasatud. Need leiud koos annavad kriitilise ülevaate allikamälu arengust varases lapsepõlves ja aitavad kaasa kasvavale kirjandusele, mis dokumenteerib interaktiivseid ja keerulisi seoseid kognitiivsete protsesside ja nende neuroloogiliste aluste vahel arenevas ajus.