Отделение по психиатрия и психотерапия, Университет в Любек, Любек, Германия

върху

Отделение по психиатрия и психотерапия, Университет в Любек, Любек, Германия

Отделение по психиатрия и психотерапия, Университет в Любек, Любек, Германия

Афилиация Обща и експериментална психология, Университет в Мюнхен (LMU), Мюнхен, Германия

Отделение по психиатрия и психотерапия, Университет в Любек, Любек, Германия

Отделение по психиатрия и психотерапия, Университет в Любек, Любек, Германия

Катедра по неврология, Университет Упсала, Упсала, Швеция

  • Нина Херцог,
  • Алексия Фридрих,
  • Наоко Фуджита,
  • Стефен Гайс,
  • Камила Jauch-Chara,
  • Керстин М. Олтманс,
  • Кристиан Бенедикт

Фигури

Резюме

Цитат: Herzog N, Friedrich A, Fujita N, Gais S, Jauch-Chara K, Oltmanns KM, et al. (2012) Ефекти от приема на храна през деня върху консолидацията на паметта по време на сън или лишаване от сън. PLoS ONE 7 (6): e40298. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0040298

Редактор: Джули А. Чоуен, Hospital Infantil Universitario Niño Jesús, Испания

Получено: 16 март 2012 г .; Прието: 7 юни 2012 г .; Публикувано: 29 юни 2012 г.

Финансиране: Изследването е подкрепено от Германската изследователска фондация (DFG, SFB 654, B7). Д-р Кристиан Бенедикт получи грант за научни изследвания от Novo Nordisk. Финансистите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Д-р Кристиан Бенедикт получи грант за научни изследвания от Novo Nordisk. Той няма съответна принадлежност, нито финансово участие в Novo Nordisk. Това не променя придържането на авторите към всички политики PLoS ONE за споделяне на данни и материали.

Въведение

Предишни проучвания показват, че човешкият сън подобрява превръщането на лабилната, наскоро придобита информация в стабилни, дългосрочни спомени, което означава, че доброволците са показали по-големи спестявания за памет при сън в сравнение с нощното будност след учебния процес [1] - [5] Такива консолидиращи ефекти на съня са открити за декларативни и за процедурни типове задачи с памет. Декларативните спомени са достъпни за съзнателен спомен (напр. Лексика), докато процедурните спомени включват умения и навици, които обикновено не са достъпни за съзнателен спомен (например свирене на пиано). В сравнение със съня, поддържането на будност води до повишено енергийно потребление, тъй като 24-часовите енергийни разходи надвишават този на редовен 24-часов цикъл сън/събуждане с ∼7% [6]. Предполага се, че разликата в 24-часовия енергиен разход се причинява от бавен сън в стадия на сън (SWS, често наричан дълбок сън), по време на която енергийната нужда на централната нервна система е значително по-ниска, отколкото по време на будност [7 ]; [8]. В този изглед снабдяването на организма с повече енергия, отколкото е необходимо през деня, може да противодейства на нарушената консолидация на паметта, която обикновено се наблюдава при условия на нощно будност [3].

Съществуват също доказателства, че както консумацията на калории, така и свързаните с приема на храна сигнали (напр. Нивото на инсулин в цереброспиналната течност) влияят върху обработката на паметта при хората по време на будност [9] - [12]. Например, доказано е, че прилагането на глюкоза подобрява паметта при здрави млади хора и този ефект се наблюдава най-малко до 24 часа след приложението на глюкоза [13]. Освен това е показано, че изпълнението по време на задачи с памет е свързано със значително намаляване на концентрациите на глюкоза в извънклетъчната течност при плъхове [14]. Предварително проучване също така демонстрира, че хипогликемията по време на сън е придружена от нарушения на когнитивните показатели при хора с диабет тип 1 и здрави хора [15]. Няма обаче проучвания, които систематично да изследват дали зависимото от съня консолидиране на декларативни и процедурни спомени е чувствително към вариациите в предходния дневен енергиен прием. Освен това въпросът дали влошаващият ефект от загубата на сън върху консолидацията на паметта може да бъде обърнат чрез прекомерно снабдяване с енергия все още не е разгледан.

На този фон в настоящото проучване консолидацията на паметта беше тествана при здрави мъже, участващи в четири условия. Два пъти те спяха според обичайния си цикъл на сън-събуждане, два пъти бяха лишени от сън за една нощ. Във всяко състояние на сън [т.е. сън и общо лишаване от сън (TDS), съответно] те веднъж са получили недостиг на енергия, а веднъж свръхдоставка на енергия през предходния ден.

Методи

Декларация за етика

Протоколът за изследване отговаря на Декларацията от Хелзинки и е одобрен от комисията по етика на университета в Любек. Всички участници дадоха писмено информирано съгласие.

Участници

Четиринадесет здрави мъже доброволци за непушачи [възраст (средно ± SEM): 23,3 ± 0,5 години; индекс на телесна маса: висок енергиен прием/TSD: 23.01 ± 0.47 kg/m 2, нисък енергиен прием/TSD: 22.96 ± 0.49 kg/m 2, висок енергиен прием/сън: 22.97 ± 0.47 kg/m 2, нисък енергиен прием/сън: 22,89 ± 0,48 kg/m 2; F (1,13) = 0,06; p = 0,82 за висок/нисък енергиен прием * сън/събуждане ANOVA взаимодействие] са включени в анализите. Като цяло в изследването са участвали 16 субекта, но поради технически проблеми по време на задачите по памет, двама от тях са изключени от анализи. Всички субекти са имали редовен самостоятелно докладван ритъм на сън и събуждане през 6-те седмици преди експериментите и не са били на никакви лекарства. Острите заболявания са изключени чрез физически преглед и рутинни лабораторни изследвания (напр. Плазмена глюкоза на гладно, серумни триглицериди, серумна урея, серумен креатинин, серумна гама-глутамил-трансфераза, брой на белите кръвни клетки). През седмицата преди всеки експеримент участниците бяха инструктирани да си лягат между 2300 ч и 2330 ч, да стават до 0700 ч сутринта и да не дремят през деня. Общите нарушения на съня бяха изключени чрез проследяване на режима на съня в отделна адаптационна нощ, която също служи за привикване на субектите в експерименталната лабораторна среда.

Експериментален дизайн

Според рандомизиран, балансиран кръстосан дизайн, всеки субект участва в четири експериментални условия: висок срещу нисък енергиен прием, последван от редовен сън и висок срещу нисък енергиен прием, последван от TSD. За да се предотвратят възможни изпреварващи ефекти, субектите не са получавали информация относно това дали тяхната сесия ще включва сън или бодърстване до 2100 ч вечерта в деня на тестването.

След еднодневно гладуване субектите пристигнаха в лабораторията за сън в 0715 ч и беше измерено телесно тегло. Телесното тегло не се различава при условията. След това субектите участваха в сесия за кодиране на паметта между 0800 ч и 0830 ч (виж по-долу). От 09:00 ч. До 23:00 ч. На същия ден, субектите са били недостатъчно или прекалено снабдени с калории, последвани от сън или пълно лишаване от сън. През деня на участниците беше позволено да прекарват времето си с невъзбуждащи филми, игри и книги. В условията на сън светлините бяха изключени в 2300 h, а обектите бяха събудени в 000600 h. По време на TSD светлините бяха включени (∼300 lux) и обектите бяха държани будни и непрекъснато наблюдавани от експериментаторите. Участниците останаха в леглото през цялата нощ и им беше позволено да прекарат нощта с невъзбуждащи дейности, сравними с дневните. Пиенето и приемането на храна не бяха разрешени.

Сутрин след интервенцията на съня, след течна закуска в 0800 ч (1256 kJ), субектите бяха помолени да си припомнят спомените, които са научили предишния ден (1030 ч). Течно хранене за закуска преди теста за изтегляне беше дадено, за да се компенсира възможният енергиен дефицит поради TSD. За да се избегне тежък физически стрес по време на всички експерименти, субектите почивали или в леглото в легнало или седнало положение. Всички сесии бяха разделени най-малко на две седмици. Схема на експерименталния дизайн може да бъде намерена в Фигура 1.

Интервенция за приемане на енергия

Мониторинг на съня

Етапите на съня се наблюдават офлайн с полисомнографски записи, следвайки стандартни критерии [16]. Полисомнографските записи бяха извършени с помощта на цифрово ЕЕГ устройство, свързано към повърхностни електроди. Електродите бяха прикрепени към скалпа (електроенцефалограма, ЕЕГ), около очите (хоризонтална и вертикална електроокулограма, EOG) и към брадичката (електромиограма, ЕМГ) за стандартни измервания. За всяка нощ, начало на съня (с позоваване на изключени светлини в 2300 часа), общо време на сън, продължителност на различните етапи на сън (събуждане; етапи 1, 2, 3 и 4; и REM сън) и латентност на етапите на сън по отношение на настъпването на съня. Бавният сън се дефинира като времето, прекарано в етапи 3 и 4 без сън.

Тестове за памет

За да се изследва декларативното и процедурно консолидиране на паметта, на субектите бяха приложени задача за обучение на асоциирана двойка думи и задача за потупване с последователност на пръстите. Тези специфични тестове за памет са избрани, тъй като многократно е доказано, че ефективността върху тях се възползва от съня [5]; [17]; [18]. При пристигането в 0715 ч на първия ден, сесията за изучаване на предмети започна в 0800 ч, т.е.преди началото на периода за намеса за енергиен прием. Тестовете за извличане се проведоха в 1030 ч на следващата сутрин.

Съдружници на двойки думи [17]; [18].

Участниците бяха инструктирани да научат 40 семантично свързани двойки думи от немски съществителни, стандартизирани по отношение на честотата, дължината, емоционалността, значимостта и конкретността (напр. Кола и улица). Двойките думи бяха представени визуално за 5 секунди всяка. След представяне на всички двойки думи, субектите бяха помолени да си припомнят устно втората дума в двойка след представяне на първата дума (незабавно изземване с реплика). По време на обучението отговорът на субекта винаги е бил последван от представяне на правилната дума за отговор в продължение на 1 секунда. Списъкът беше представен многократно в различен ред, докато субектът не си припомни правилно поне 24 думи (60% критерий). По време на тестовете за извличане след сън или лишаване от сън, субектите отново бяха помолени да си припомнят двойките думи, използвайки същата процедура за извикване с реплика, която беше приложена по време на фазата на обучение, но този път без обратна връзка. Ефективността на задържане се дефинира от процента на извиканите двойки думи по време на извличане, като ефективността на учебния опит е зададена на 100%. Субектите бяха тествани с помощта на паралелни тестове, които бяха дадени в произволен последователен ред.

Задача за потупване с последователност на пръстите [5]; [17]; [19].

Задачата за докосване на последователността на пръстите изисква от обектите да натискат многократно последователност от пет елемента (например 3-4-1-2-4) на клавиатура, използвайки пръстите на недоминиращата ръка, възможно най-бързо и възможно най-точно. Цифровата последователност се показваше на екрана през цялото време, за да се запазят минималните изисквания за работна памет. Всяко натискане на клавиш води до бяла точка в центъра на екрана. По време на обучението субектите са провели дванадесет 30 s опити, всяко прекъснато от 30 s паузи (обща продължителност на задачата: 12 минути). Тестовете за извличане включват три изпитания. За всяко 30 s изпитване беше определен броят на правилно подбраните последователности. Ефективността на задържане се определя от средния брой правилно подбрани последователности в трите изпитания при извличане, като средното представяне за последните три изпитания при обучение е зададено на 100%. Субектите бяха тествани с помощта на паралелни последователности от пет елемента, които бяха дадени в произволен ред.

Измервания на плазмен глюкоза

За да се контролира концентрацията на глюкоза в плазмата, кръвта се взема чрез интравенозен катетър за предмишницата непосредствено преди обучението (т.е. 0800 часа през първия ден) и извличането (т.е. 1030 часа в деня след сън или лишаване от сън). Използвано е клинично рутинно изследване за определяне на плазмената глюкоза (Abbott, Abbott Park, IL).

Статистически анализи

За статистическа оценка е използвана SPSS версия 20.0 (SPSS Inc, Чикаго, Илинойс). Данните са представени като средни стойности ± SEM. Статистическите анализи се основават на дисперсионни анализи (ANOVA), включително факторите за повтарящи се измервания Сън/Общо лишаване от сън (TSD) и Нисък/Висок енергиен прием. ANOVA бяха последвани от post hoc сравнения, използващи t-тестове на Student за сдвоени данни. Като цяло двустранен p≤0,05 се счита за значим. Нормалното разпределение на данните беше осигурено чрез използване на теста на Колмогоров-Смирнов (p> 0,750 за всички сравнения).

Стойностите са представени като средни стойности ± SEM. (А) Брой на правилно извиканите двойки думи сутрин след една нощ или на пълно лишаване от сън (TSD), или 7-часова възможност за сън. В деня преди сън или нощно събуждане, но след учене (0800 ч), субектите (n = 14) са били прекалено (черна лента) или недостатъчно снабдени (бяла лента) с калории, т.е. те са консумирали или 50% или ∼ 150% от техните прогнозни индивидуални общи енергийни разходи. Ефективността на задържане се показва от процента на двойките думи, извикани при извличането (1030 часа сутрин след сън или TSD), като ефективността на критериалното изпитване по време на обучението е настроена на 100%. Повторните мерки ANOVA разкриват значителен основен ефект за сън/TSD (p = 0,05). (Б) Печалбата през нощта в умението за потупване с пръсти се показва от средния процент от броя на правилните последователности за 30 s изпитание в трите изпитания при тестване за извличане (1030 h сутрин след сън или TSD), със средното представяне в края на обучението (проба 10–12) е зададена на 100%. Повтарящите се мерки ANOVA произвеждат значително взаимодействие между условията на сън/TSD и интервенцията за приемане на енергия (p = 0,05). * p≤0.05, *** p Таблица 3. Данни за съня след нисък или висок енергиен прием през предходния период на събуждане.

Дискусия

В настоящото проучване ние показваме, както се посочва от по-големия брой правилно извикани двойки думи в условията на сън, че консолидацията на декларативна памет е по-добра след сън, отколкото след пълно лишаване от сън (TSD). Този ефект не е бил чувствителен към вариациите в енергийния прием в деня, предхождащ съня. За разлика от това, свръхпредлагането преди TSD индуцира процедурно увеличаване на паметта, което е сравнимо с това в условията на сън. Такъв ефект не се наблюдава при условия на недостиг на енергия. Тези данни показват от една страна, че консолидацията на паметта по време на сън е стабилна срещу остри колебания в енергийните състояния на тялото, като диета (т.е. ограничаване на консумацията на калории) или преяждане. От друга страна, би могло да се предположи, че производството на процедурна дългосрочна памет се случва не само след сън, но и в условия на будност, стига да се доставя достатъчно енергия.

Декларативните спестявания на памет (т.е. броят на двойките думи, извикани правилно след интервала на задържане след обучение) са по-големи след сън, отколкото след будност, което е в съответствие със съществуващата литература [3]; [18]; [20]; [21]. Благоприятният ефект на съня върху декларативната консолидация на паметта обаче не е повлиян от енергийния прием в деня, предхождащ съня. Нещо повече, декларативните спестявания на паметта не са запазени, когато лишените от сън обекти са били пренаситени с енергия. Този модел предполага, че формирането на дългосрочни спомени за декларативна информация изглежда се дължи на процеси на сън, които не са енергийно зависими. В съответствие с това предположение, проучванията показват, че дори много кратките периоди на сън (напр. ~ 40 минути) след обучение подобряват декларативната консолидация на паметта в сравнение с будността [1].

Ограничение

Основното ограничение на нашето проучване е, че не успяхме да покажем подобрение в процедурната памет, независимо от приема на енергия, както се вижда от други изследвания [4]. Предполага се, че размерът на извадката е бил твърде малък, за да се намери значителен основен ефект на съня/TSD. Освен това използваните процедурни и декларативни тестове на паметта трябва да бъдат изследвани в бъдещи проучвания, за да се възпроизведат нашите резултати. По практически съображения жените не бяха включени, тъй като това щеше да изисква допълнителен контрол на менструалните хормони, за които е известно, че модулират както съня, така и енергийния метаболизъм. По този начин бъдещите проучвания трябва да изследват как менструалният цикъл влияе върху консолидацията на паметта, зависима от съня, и дали това зависи от енергийния прием в деня, предхождащ съня.

Заключение

Нашите данни показват, че процедурната памет може също да бъде достатъчно консолидирана онлайн, по време на период на задържане след събуждане, стига да е налице достатъчно енергия по време на интервала на задържане. Освен това, нашето проучване демонстрира, че приемът на калории преди сън не влияе върху последващото консолидиране на декларативната памет, зависещо от съня. Освен това, в съответствие с предишни констатации [22], промените в енергийния прием през деня не са повлияли на архитектурата на съня, както се разкрива от записите на ЕЕГ.

Благодарности

Благодарим на Колин Чапман (катедра по неврология, Университет Упсала, Швеция) за редактирането на ръкописа.

Принос на автора

Замислени и проектирани експерименти: CB KMO NH AF KJC SG. Извършва експериментите: NH NF. Анализирани данни: NH CB. Реактиви/материали/инструменти за анализ, допринесени: CB KMO. Написа хартията: NH CB NF KMO CB SG.