Mất ngủ làm gián đoạn dấu hiệu thần kinh của việc học tập thành công Phần 1

Giấc ngủ hỗ trợ củng cố trí nhớ cũng như học tập vào ngày hôm sau. Giải thích có ảnh hưởng lớn của "Hệ thống hoạt động" về hợp nhất ngoại tuyến cho thấy rằng quá trình xử lý bộ nhớ liên quan đến giấc ngủ mở đường cho việc học mới, nhưng bằng chứng thực nghiệm hỗ trợ cho ý tưởng này là rất hiếm.

Sử dụng thiết kế chéo bên trong chủ thể (n=30), chúng tôi đã đánh giá các chỉ số hành vi và điện sinh lý của mã hóa từng đoạn sau một đêm ngủ hoặc thiếu ngủ hoàn toàn ở người trưởng thành khỏe mạnh (từ 18–25 tuổi) và điều tra xem liệu hiệu suất hành vi có được dự đoán hay không bằng sự hợp nhất qua đêm của các liên tưởng từng giai đoạn từ ngày hôm trước. Giấc ngủ hỗ trợ củng cố trí nhớ và học tập vào ngày hôm sau so với tình trạng thiếu ngủ.

Tuy nhiên, tầm quan trọng của lợi ích củng cố liên quan đến giấc ngủ này không dự đoán đáng kể khả năng hình thành những ký ức mới sau khi ngủ. Điều thú vị là, tình trạng thiếu ngủ đã dẫn đến sự thay đổi về chất trong dấu hiệu thần kinh của quá trình mã hóa: Trong khi quá trình khử đồng bộ beta 12–20 Hz – một dấu hiệu xác định của quá trình mã hóa thành công – được quan sát thấy sau khi ngủ, thì tình trạng thiếu ngủ đã làm gián đoạn quá trình không đồng bộ beta trong quá trình học tập thành công. Tổng hợp lại, những phát hiện này cho thấy rằng việc học tập hiệu quả phụ thuộc vào giấc ngủ nhưng không nhất thiết phụ thuộc vào sự củng cố liên quan đến giấc ngủ.

Từ khóa:

học hỏi; ký ức; hợp nhất; giải đồng bộ beta; thiếu ngủ.

Giới thiệu

Làm thế nào để chúng ta nhớ lại các sự kiện từ những ngày đã qua? Hiện nay người ta đã khẳng định chắc chắn rằng giấc ngủ tạo điều kiện củng cố trí nhớ; quá trình trong đó các dấu vết trí nhớ yếu và ban đầu không ổn định trở thành những biểu hiện mạnh mẽ và lâu dài (Gais và cộng sự 2006; Talamini và cộng sự 2008; Payneet cộng sự 2012; Durrant và cộng sự 2016; Cairney, Lindsay và cộng sự 2018; Gaskell và cộng sự . 2018; Ashton và cộng sự 2020; Ashton và Cairney 2021).

Trong khi giấc ngủ ban đầu được cho là chỉ cung cấp sự bảo vệ thụ động cho việc củng cố trí nhớ (tức là bằng cách che chắn ký ức khỏi sự can thiệp do trải nghiệm lúc thức gây ra), thì nghiên cứu gần đây cho thấy rằng những ký ức mới được hình thành sẽ được củng cố tích cực trong khi ngủ (Rasch và cộng sự 2007; Schönauer và cộng sự 2017; Cairney , Guttesen và cộng sự 2018; Wang và cộng sự 2019; Schreiner và cộng sự 2021).

Giải thích có ảnh hưởng lớn của "Hệ thống hoạt động" về sự hợp nhất liên quan đến giấc ngủ thừa nhận rằng việc kích hoạt lại các ký ức phụ thuộc vào vùng hải mã trong giấc ngủ sóng chậm (SWS) tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển chúng sang vỏ não mới để lưu trữ lâu dài (Walker 2009; Born và Wilhelm2012; Rasch và Born 2013; Klinzing et cộng sự 2019).

Ủng hộ quan điểm này, các nghiên cứu về hình ảnh thần kinh chức năng đã chỉ ra rằng việc củng cố qua đêm hỗ trợ sự thay đổi mạng lưới truy xuất bộ nhớ từ vỏ não vùng đồi thị (Takashima và cộng sự 2009), với thời gian dành cho SWS dự đoán mức giảm phụ thuộc vào việc phục hồi vùng đồi thị (Takashima và cộng sự 2006; Cairney và cộng sự. 2015).

Tương tự, nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng giấc ngủ sau khi học (so với tình trạng thiếu ngủ) thúc đẩy sự liên kết chức năng giữa hoạt động ở vùng hải mã và vỏ não trước trán khi quá trình phục hồi được đánh giá 48 giờ sau (Gais và cộng sự 2007).

Tổng hợp lại, những phát hiện này cho thấy rằng việc truyền thông tin từ vùng đồi thị đến vỏ não mới xuất hiện trong những đêm đầu tiên sau khi học, mặc dù quá trình củng cố có lẽ phải mất nhiều tuần hoặc thậm chí vài tháng để hoàn thành (Dudai2004; Dudai et al. 2015).

Mặc dù lợi ích của giấc ngủ đối với việc củng cố trí nhớ đã được biết rõ, nhưng nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng giấc ngủ cũng hỗ trợ việc học tập vào ngày hôm sau về những ký ức phụ thuộc vào vùng hải mã.

Khi một đêm thiếu ngủ diễn ra trước một cơ hội học tập mới lạ, khả năng hồi tưởng trí nhớ khai báo bị suy giảm nghiêm trọng, ngay cả sau khi ngủ phục hồi (Alberca-Reina và cộng sự 2014; Kaida và cộng sự 2015; Tempesta và cộng sự 2016; Cousins ​​​​và cộng sự 2018), gợi ý rằng việc thiếu ngủ sẽ làm gián đoạn quá trình mã hóa bộ nhớ ở vùng hải mã. Thật vậy, so với một đêm ngủ bình thường, tình trạng thiếu ngủ làm suy yếu phản ứng hồi hải mã trong quá trình học tập thành công (tức là đối với những ký ức được nhớ lại chính xác trong bài kiểm tra phục hồi sau khi ngủ phục hồi), dẫn đến suy giảm hiệu suất thu hồi tổng thể (Yoo và cộng sự 2007).

Tương ứng, những giấc ngủ ngắn vào ban ngày không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập (Mander và cộng sự 2011) mà còn khôi phục khả năng mã hóa vùng đồi thị so với khoảng thời gian thức tương đương (Ong và cộng sự 2020).

Sự tương tác của các nhịp điệu não khác nhau đã được xác định là cơ chế chính điều chỉnh sự giao tiếp giữa đồi hải mã và vỏ não mới trong quá trình xử lý trí nhớ liên quan đến giấc ngủ.

Dao động chậm (<1 Hz electroencephalography [EEG] activity) have been causally linked to overnight memory retention (Marshall et al. 2006; Ngo et al. 2013; Ong et al. 2016; Perl et al. 2016; Leminen et al. 2017; Papalambros et al. 2017) and are thought to play a central role in the reactivation and reorganization of hippocampus-dependent memories (Walker 2009; Born and Wilhelm 2012; Rasch and Born 2013; Klinzing et al. 2019). 

Ngược lại, sóng delta (1–4 Hz) có liên quan đến việc quên thông qua quá trình tái chuẩn hóa khớp thần kinh (Genzel và cộng sự 2014) và được cho là tương tác với các dao động chậm để điều chỉnh sự cân bằng giữa củng cố và suy yếu bộ nhớ (Kim và cộng sự 2019).

Điều thú vị là, các dao động thần kinh liên quan đến quá trình xử lý trí nhớ qua đêm cũng có liên quan đến việc học mới ở vùng hải mã, cho thấy rằng các quá trình này dựa vào các cơ chế chồng chéo.

Ví dụ: ngăn chặn có chọn lọc hoạt động sóng chậm (SWA;0.5–4 Hz) thông qua phương pháp nhiễu loạn âm thanh làm suy yếu khả năng mã hóa bộ nhớ khai báo và giảm hoạt động liên quan đến mã hóa ở vùng hải mã (Van Der Werf et al.2009). Ngược lại, tăng cường SWA mặc dù kích thích điện giúp cải thiện việc mã hóa các ký ức phụ thuộc vào vùng hải mã nhưng không cải thiện các kỹ năng thủ tục không thuộc vùng hải mã (Antonenko và cộng sự 2013).

Việc tăng cường dao động chậm thông qua kích thích thính giác sẽ dẫn đến những tác động tương tự, với cường độ của việc tăng cường dao động chậm dự đoán cả hoạt động hồi hải mã và hiệu suất hành vi khi mã hóa (Ong et al.2018). Các quá trình ghi nhớ qua trung gian nhịp điệu não khi ngủ góp phần vào khả năng học tập vào ngày hôm sau ở mức độ nào vẫn chưa được kiểm tra trực tiếp trong nghiên cứu thực nghiệm.

Trong nghiên cứu đã đăng ký trước này (osf.io/78dja), chúng tôi đã kiểm tra giả thuyết rằng mức độ mà các cá nhân củng cố ký ức mới trong khi ngủ dự đoán khả năng mã hóa thông tin mới vào ngày hôm sau của họ và SWA (0.5–4 Hz) góp phần vào mối quan hệ này.

Trong một thiết kế chéo, nội bộ, những thanh niên khỏe mạnh được huấn luyện về nhiệm vụ ghi nhớ thị giác không gian trước một đêm ngủ được theo dõi bằng điện não đồ hoặc thiếu ngủ hoàn toàn và được kiểm tra vào sáng hôm sau.

Sau đó, những người tham gia được huấn luyện về một nhiệm vụ liên kết theo cặp mới nhưng phải đến 48 giờ sau mới được kiểm tra (cho phép phục hồi giấc ngủ trong tình trạng thiếu ngủ). Do đó, hiệu suất truy xuất trong các bài kiểm tra trí nhớ không gian trực quan và các bài kiểm tra liên kết theo cặp cung cấp các số liệu độc lập tương ứng về việc củng cố qua đêm và việc học tập vào ngày hôm sau.

Chúng tôi chọn những nhiệm vụ ghi nhớ cụ thể này vì chúng đều phụ thuộc vào hồi hải mã (Eichenbaum2004; Konkel và Cohen 2009) và khung Hệ thống Hoạt động chủ yếu liên quan đến sự hợp nhất qua đêm của những ký ức phụ thuộc vào hồi hải mã (Walker 2009; Born và Wilhelm 2012; Rasch và Born2013; Klinzing et cộng sự 2019).

Hơn nữa, nghiên cứu trước đây đã nhất quán chỉ ra rằng sự hợp nhất của cả ký ức không gian thị giác và ký ức liên kết cặp được củng cố bằng giấc ngủ qua đêm (Cairney, Lindsay và cộng sự 2018; Ashtonet cộng sự 2020; Ashton và Cairney 2021).

Chúng tôi lập luận rằng việc sử dụng 2 nhiệm vụ khác nhau về mặt khái niệm là tối ưu, vì điều này sẽ đảm bảo rằng bất kỳ mối quan hệ tiềm năng nào giữa việc củng cố qua đêm và việc học vào ngày hôm sau sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự can thiệp hồi tố hoặc chủ động.

By comparing overnight sleep and sleep deprivation, we could also investigate how protracted wakefulness affects the neural correlates of learning. Specifically, EEG recordings were acquired during paired-associates learning to test the hypothesis that sleep deprivation disrupts theta (4–8 Hz) and gamma (>40 Hz), hỗ trợ liên kết mục trong bộ nhớ phân đoạn (Summerfield và Mangels 2005; Osipova và cộng sự 2006; Köster và cộng sự 2018; Henin và cộng sự 2019).

Hơn nữa, trong một phân tích mang tính thăm dò, chúng tôi đã nghiên cứu tác động của việc thiếu ngủ đối với quá trình không đồng bộ hóa beta 12–20 Hz, một dấu hiệu xác định cho việc học tập thành công (Hanslmayret al. 2009, 2011, 2012, 2014; Griffiths và cộng sự 2016).

Hiểu rõ rối loạn giấc ngủ làm suy giảm khả năng học tập và trí nhớ ngày càng quan trọng như thế nào trong xã hội hiện đại, nơi nhiều người không thường xuyên ngủ đủ giấc (Bonnet và Arand 1995; Stranges et al.2012; Becker et al. 2018).

For more information:1950477648nn@gmail.com