Efectos de la carga de la memoria de trabajo y los intervalos CS-US sobre el condicionamiento del parpadeo retardado

El condicionamiento del parpadeo se utiliza en muchas especies para estudiar el aprendizaje motor y hacer inferencias sobre la función cerebelosa. Sin embargo, las discrepancias en el desempeño entre humanos y otras especies, combinadas con la evidencia de que la volición y la conciencia pueden modular el aprendizaje, sugieren que el condicionamiento del parpadeo no es simplemente una forma pasiva de aprendizaje que depende únicamente del cerebelo.

Los reflejos condicionados y la memoria están estrechamente relacionados. Cuando estamos expuestos a cosas o situaciones estimulantes, nuestro cerebro responde automáticamente a ellas. Este es un reflejo condicionado. Con el tiempo, estas respuestas se vuelven automáticas y pasan a formar parte de nuestro comportamiento diario. Por eso nos ponemos a bailar cuando escuchamos una melodía o nos alegramos cuando vemos un cachorro.

Y la memoria es un componente clave de nuestro cerebro. Se encarga de almacenar la información de estas reacciones para que podamos beneficiarnos de ella más adelante en la vida. Al combinarlo con reflejos condicionados, podemos recordar mejor información y habilidades relevantes para determinadas situaciones, mejorando así aún más nuestra memoria.

Por ejemplo, cuando aprendemos vocabulario nuevo, podemos integrar estas palabras en nuestra vida diaria y combinarlas con determinadas situaciones. Por ejemplo, cuando ves una mesa, piensas en la palabra escritorio. De esta forma, a través de reflejos condicionados, podemos recordar más rápido estas nuevas palabras en nuestra mente.

En resumen, existe una conexión inseparable entre los reflejos condicionados y la memoria. Cuando podamos aprovechar al máximo esta conexión, podremos aprovechar mejor el potencial de nuestro cerebro y mejorar nuestras capacidades de aprendizaje y memoria. Se puede ver que necesitamos mejorar nuestra memoria. Cistanche deserticola puede mejorar significativamente la memoria porque Cistanche deserticola es un material medicinal tradicional chino con muchos efectos únicos, uno de los cuales es mejorar la memoria. La eficacia de la carne picada proviene de los diversos ingredientes activos que contiene, incluidos ácidos, polisacáridos, flavonoides, etc. Estos ingredientes pueden promover la salud del cerebro de varias maneras.

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Aquí exploramos dos formas de reducir la influencia de la volición y la conciencia en el condicionamiento de parpadeo: (1) usar un intervalo entre estímulos corto y (2) hacer que los participantes realicen tareas de memoria de trabajo durante el condicionamiento.

Nuestros resultados muestran que los participantes entrenados con intervalos entre estímulos cortos (150 ms y 250 ms) producen muy pocas respuestas condicionadas después de 100 ensayos. Los participantes entrenados con un intervalo entre estímulos más largo (500 ms) que realizaron simultáneamente tareas de memoria de trabajo produjeron menos respuestas condicionadas que los participantes que observaron un película durante el entrenamiento. Nuestros resultados sugieren que hacer que los participantes realicen tareas de memoria de trabajo durante el condicionamiento del parpadeo puede ser una estrategia viable para estudiar el aprendizaje cerebeloso que está ausente de influencias de la conciencia y la volición. Esto podría mejorar la comparabilidad de los resultados obtenidos en estudios en humanos con los de modelos animales.

INTRODUCCIÓN

El condicionamiento del parpadeo es un paradigma experimental ampliamente utilizado para estudiar el aprendizaje asociativo. En el condicionamiento de parpadeo, un sujeto aprende a parpadear en respuesta a un estímulo condicional (CS), como una voz seguida repetidamente de un estímulo incondicional que provoca un parpadeo (US). En el condicionamiento de parpadeo retardado, el inicio del US comienza antes del final del CS, mientras que en el condicionamiento de parpadeo de seguimiento, hay un intervalo de tiempo entre el final del CS y el inicio del US. El momento de la respuesta condicional (CR) está estrechamente relacionado con el intervalo CS-US utilizado durante el entrenamiento, de modo que el cierre del párpado se produce justo antes del inicio esperado de la ecografía, protegiendo así el ojo. El entrenamiento con un intervalo CS-US corto produce una respuesta de parpadeo aprendida con una latencia corta, mientras que a lo largo del intervalo CS-US dará como resultado una CR con una latencia más larga1,2.

Los experimentos neurofisiológicos y de lesiones muestran que en especies de mamíferos como conejos, gatos, hurones, ratas y ratones, el rastro de memoria asociativa formado durante el condicionamiento retardado del parpadeo se localiza en el cerebelo3–9. Los estudios en pacientes cerebelosos10,11 y experimentos de neuroimagen12 confirman que el cerebelo también desempeña un papel fundamental en el condicionamiento del parpadeo en humanos. Sin embargo, esto no significa que otras partes del cerebro no estén involucradas en el aprendizaje o no lo modulen. En un estudio anterior, demostramos que los participantes, si se les solicita, pueden producir voluntariamente lo que parecen respuestas de parpadeo condicionadas, incluso cuando no hay EI13. Pero ¿hasta qué punto ocurre esto cuando los participantes no reciben instrucciones? El condicionamiento de trazas parece depender del cerebelo pero también del hipocampo y el cerebro14,15. Esto puede explicar por qué los pacientes amnésicos tienen déficits en el condicionamiento de rastreo pero no de retraso16,17. Sin embargo, otro estudio demostró que la conciencia de las contingencias de estímulo no afectó la tasa de aprendizaje en caso de retraso o condicionamiento de traza18. Además, los datos de neuroimagen indican que las regiones cerebrales extracerebelosas están activas durante el condicionamiento del parpadeo retardado19.

La participación no cerebelosa en humanos podría explicar la discrepancia entre las curvas de aprendizaje en animales y humanos. En los seres humanos, las RC suelen aparecer en los primeros diez ensayos, seguidas de aumentos sólo modestos en las respuestas20-22. Las curvas de aprendizaje en animales, por el contrario, exhiben un aumento más gradual en la probabilidad de CR, y es raro ver un aprendizaje significativo en los primeros bloques 5,23,24. En resumen, todavía quedan varias preguntas sin respuesta sobre los circuitos neuronales. ) responsable del condicionamiento del parpadeo y del papel de la conciencia, que sigue siendo una variable de confusión. Para relacionar los mecanismos neurofisiológicos cerebelosos con el condicionamiento del parpadeo en participantes animales y humanos, es deseable reducir la influencia de la conciencia y la volición tanto como sea posible.

Aquí probamos dos estrategias para reducir la influencia de la conciencia y la volición sobre el condicionamiento en participantes humanos. La primera estrategia fue utilizar un intervalo corto CS-US para minimizar el tiempo para que los participantes respondan voluntariamente. La segunda estrategia fue reducir las contribuciones corticales al aprendizaje mediante la presentación de tareas simultáneas de memoria de trabajo durante el condicionamiento. Elegimos tareas de memoria de trabajo que investigaciones anteriores sugieren que ocupan la corteza pero no el cerebelo.

RESULTADOS

Modelo lineal de efectos mixtos.

Para probar los efectos del entrenamiento, el intervalo entre estímulos (ISI) y las tareas de memoria de trabajo sobre el porcentaje de respuestas condicionadas, modelamos el porcentaje de CR utilizando un modelo lineal de efectos mixtos. Se utilizó un modelo lineal de efectos mixtos en lugar de un análisis de varianza de medidas repetidas porque es estadísticamente más sólido, considera las diferencias individuales y hace frente a los puntos de datos faltantes25,26. Como efectos fijos, utilizamos el bloque de entrenamiento (1-10), ISI (150, 250 o 500 ms), sexo (masculino o femenino) y si el sujeto realizó o no tareas de memoria de trabajo (sí o no).

También incluimos la identificación del sujeto como un efecto aleatorio en el modelo. El modelo fue construido en MATLAB (Mathworks Inc.) utilizando la función fitlme con la fórmula: CRs ~1 + Block + Sex + WM + ISI + (1 |Sujeto).

El modelo muestra que las tareas de bloque, ISI y WM tienen un efecto significativo en el porcentaje de respuestas condicionadas. Para cada bloque de 10 ensayos, el porcentaje de CR aumenta en un promedio de 2,15%. En diez bloques, esto se traduce en 2,15*10=21.5%. Este cambio es estadísticamente significativo (t=8.4339, P=4.4686e–16***, IC=1.65–2,65%). Nuestro modelo también mostró que el intervalo entre estímulos afecta el porcentaje de RC (Fig. 1a). Un aumento de 1 ms en el ISI da como resultado un aumento del 0.17 % en el porcentaje de CR. Cambiar de un ISI de 150 ms a un ISI de 500 ms se traduce en un aumento del 0,17*350=59.5 % en el porcentaje de CR. Este efecto también es significativo (t=10.30, P=1.74e–22***,CI=0.13–0,20%). Sin embargo, contrariamente a nuestros hallazgos anteriores20, el sexo no afectó las RC (t=1.621, P=0.11, IC=−1,67 a 17,4%).

Conciencia y memoria de trabajo.

Después de la sesión de entrenamiento, se preguntó a los participantes del grupo de memoria de trabajo: "¿Han notado alguna relación entre las inhalaciones y el tono?" De los 11 sujetos de este grupo, 3 dijeron haber notado que a veces los estímulos venían juntos y otras veces solos, pero nada más. Seis de los 11 participantes pensaron que los estímulos eran molestos y distraían. Ninguno de los 11 participantes informó nada sobre la relación temporal entre los estímulos. A pesar de esto, se adquirieron con éxito respuestas condicionadas. Por tanto, la conciencia explícita no era necesaria para un condicionamiento exitoso. El hecho de que los participantes resolvieran o no tareas de memoria de trabajo durante el acondicionamiento afectó el porcentaje de RC (ilustrado en la Fig. 1b). Aquellos que realizaron tareas de memoria de trabajo produjeron un 13,68% menos de RC que aquellos que vieron una película. Esta diferencia fue estadísticamente significativa (t=2.77, P=0.{{20}}057 **,IC=3.99–23,4%). En un modelo separado, que incluyó sólo a participantes que realizaron las tareas de memoria de trabajo, probamos si la clasificación relativa de un sujeto en el rendimiento de la memoria de trabajo predecía el porcentaje de CR. Los resultados mostraron que este no era el caso (t=1.3189, P=0.18, IC=−0,9 a 5,0%).

Resumen

En resumen, los resultados muestran que: (1) el entrenamiento produce más CR; (2) un intervalo CS-US más largo produce más CR; (3) el sexo no afecta el porcentaje de RC; (4) realizar una tarea de memoria de trabajo reduce el porcentaje de CR; y (5) el desempeño de los participantes en las tareas de memoria de trabajo no afecta el porcentaje de RC.

DISCUSIÓN

Los dos hallazgos principales de este estudio son que (1) un intervalo entre estímulos<250 ms produces very few conditioned responses, and (2) having participants do working memory tasks reduces the learning rate. The lack of learning with a short CS–US interval goes against results in animal models where CS–US intervals between 150 ms and 500 ms typically produce high rates (80–100%) of conditioned responses23,24,27–29. However, it is largely consistent with previous research on humans where interstimulus intervals of <250 ms are associated with poor learning1,21, although in one study, 200 ms did produce some learning30. Given that we only tested four participants with a 150 ms ISI, we are not able to rule out that learning can occur with such a short ISI. However, the lack of learning to both 150 ms and 250 ms ISIs, combined with results from previous studies, indicate that using short CS–US intervals does not support eyeblink conditioning in humans. Furthermore, this also means that using short ISIs is not a viable strategy to reduce active influences on eyeblink conditioning because no conditioning occurs, at least not when the training consists of ~100 trials.

Training with a 500 ms ISI did induce learning. In the control group (without the working memory distraction), there was a rapid increase in rates of responding. Within the first three blocks, the response rate reached an average of >80%, lo que no cambió mucho para los siete bloques restantes. Esto está en línea con otras observaciones en el condicionamiento del parpadeo con participantes humanos11,19,20,22,30–32. Sin embargo, difiere de los patrones de condicionamiento de otros mamíferos. En conejos, ratas y ratones intactos, las respuestas condicionadas a veces se observan sólo después de varios días de entrenamiento5,24,27,28,33. Las tasas máximas de respuesta y el estancamiento de la curva de aprendizaje promedio generalmente requieren días de capacitación adicionales. Es concebible que entrenar a los seres humanos durante más tiempo o en múltiples ocasiones (como se hace tradicionalmente con los animales) pueda dar como resultado tasas más altas de respuestas condicionadas.

Realizar tareas de memoria de trabajo durante el entrenamiento con el intervalo de 500 msCS-US hizo que los participantes no fueran conscientes de las contingencias del estímulo, pero no impidió el aprendizaje. Dado que no preguntamos a los participantes que no realizaron tareas de memoria de trabajo sobre su conciencia, no podemos decir si eran conscientes de las contingencias de estímulo. Sin embargo, nuestra experiencia es que los participantes se dan cuenta rápidamente de que la bocanada de aire viene después del sonido, lo que también es consistente con las observaciones en la ref. 18. La curva de aprendizaje de los participantes en el grupo de memoria de trabajo alcanzó una meseta más tarde que en el grupo de control. El aumento gradual de las respuestas condicionadas se extendió a nueve de los diez bloques de entrenamiento. Además, aunque el aprendizaje fue más gradual y las tasas de respuesta fueron más bajas desde el primer bloque, la tasa de respuesta finalmente alcanzó el mismo nivel (> 80%) que el grupo de control al final de los diez bloques de entrenamiento. Nuestros resultados contradicen experimentos anteriores en los que una tarea de enmascaramiento no afectó la tasa de aprendizaje18. Sin embargo, en el estudio anterior, se pidió a los participantes que repitieran palabras. Nuestras tareas de memoria de trabajo probablemente fueron significativamente más difíciles.

En resumen, experimentos previos muestran que la conciencia de las condiciones del estímulo y el parpadeo voluntario pueden ser una fuente de aprendizaje acelerado durante el condicionamiento del parpadeo retardado. Este estudio sugiere que hacer que los participantes realicen tareas simultáneas de memoria de trabajo durante el condicionamiento puede reducir las influencias activas en el aprendizaje, lo que puede producir un proceso de aprendizaje que sea más puramente dependiente del cerebelo y, por lo tanto, más comparable a las respuestas de parpadeo condicionadas reportadas en la literatura sobre animales.

MÉTODOS

Participantes

Los participantes fueron 42 estudiantes (mujeres=22; hombres=20) de la Universidad de Lund. El rango de edad fue 24,6 ± 5,38 años (media ± DE). Los participantes se dividieron en cuatro grupos distintos (ver Tabla 1). Se entrenaron tres grupos con tres intervalos CS-US diferentes: 150, 250 y 500 ms. El cuarto grupo fue entrenado con un intervalo de 500 ms, pero además del acondicionamiento, se instruyó a los participantes a realizar tareas de memoria de trabajo (WM) mientras estaban entrenados. Antes del experimento, los sujetos firmaron un formulario de consentimiento por escrito en el que declaraban que se les había informado sobre el procedimiento en términos generales, es decir, que se registrarían sus respuestas de parpadeo y que se les presentarían tonos y bocanadas de aire dirigidas al ojo. El formulario de consentimiento también verificó que los sujetos sabían que podían retirar su participación en cualquier momento. Como muestra de agradecimiento, el sujeto recibió una entrada de cine al finalizar el experimento (independientemente de si había completado todo el protocolo). El comité ético local (regional etikprövningsnämnden Lund) aprobó el estudio (DNR 2017–785).

Materiales

La configuración experimental se ilustra en la Fig. 2. Para detectar los movimientos del párpado, se adjuntó un pequeño imán redondo de neodimio (diámetro: 3 mm; espesor: 1 mm) al párpado izquierdo del sujeto usando cinta adhesiva doble. Los cambios resultantes en el campo magnético se registraron usando un chip GMR (AAH002-02E, NVE Corporation). El chip GMR y la boquilla que suministraba el soplo de aire se colocaron en el lado derecho de un par de anteojos que el sujeto usó durante la prueba. . Los datos del sensor GMR se tomaron muestras a 1000 Hz y se transfirieron a la computadora mediante un convertidor AD Micro 1401 (Cambridge Electronic Design). El Micro 1401 también se utilizó para activar los altavoces que reproducían el tono (un tono de 1000 Hz que dura 1 s) y la apertura de la válvula solenoide D132202 (Aircom), liberando el soplo de aire.

Acondicionamiento de parpadeo

Los experimentos se llevaron a cabo en una habitación tranquila del campus. Para cada sujeto, ajustamos la intensidad de la bocanada de aire para que provocara de manera confiable una respuesta de parpadeo reflexivo sin irritar el ojo. La presión resultante osciló entre 0.5 y 1 bar. Asimismo, se ajustó el volumen del tono para que fuera audible pero no desagradable. Cada individuo recibió un número total de 100 ensayos (10 bloques de 10 ensayos). De estos 100 ensayos, el 25% fueron ensayos experimentales, lo que significa que la CS se presentó sola. El intervalo entre pruebas fue de 10 ± 2 s.

En los grupos que no realizaron tareas de memoria de trabajo, se pidió a los participantes que eligieran un programa de televisión favorito para verlo en una computadora portátil durante la sesión de acondicionamiento. Se pidió al sujeto que se concentrara en el programa y que intentara no controlar los movimientos de los párpados. En el grupo que recibió tareas de memoria de trabajo durante el condicionamiento, se pidió a los participantes que se concentraran y se desempeñaran lo mejor posible en las tareas de memoria de trabajo. Se les dijo que el propósito del experimento era ver los efectos sobre el rendimiento de la memoria de trabajo de estímulos que distraen en forma de tonos y bocanadas de aire. El objetivo era que el sujeto percibiera el experimento como una prueba de memoria de trabajo y que no se diera cuenta de que, en realidad, se trataba de un experimento de condicionamiento de parpadeo. Después del entrenamiento, se preguntó a los participantes del grupo de memoria de trabajo si habían notado algún patrón en la memoria de trabajo. presentación de los estímulos.

Tareas de memoria de trabajo

A los participantes del grupo de memoria de trabajo se les asignaron tareas exigentes de memoria de trabajo durante la sesión de acondicionamiento de parpadeo. Seleccionamos algunas de las pruebas de memoria de trabajo más comunes que eran posibles de combinar con el protocolo de acondicionamiento y que no requerían directamente sincronización ni habilidades motoras. Sin embargo, hay evidencia que demuestra que varias de estas tareas de la memoria de trabajo involucran al cerebelo34,35. Específicamente, los participantes realizaron las siguientes ocho pruebas en el siguiente orden: (1) Corsi, (2) rotación mental, (3) multitarea, (4) n-back (3-back), (5) Navon, (6 )Stroop, (7) búsqueda visual y (8) tarea de clasificación de tarjetas de Wisconsin. Las pruebas de memoria de trabajo se ejecutaron en el software en línea PsyToolkit (PsyToolkit es desarrollado y pertenece al profesor GijsbertStoet y está disponible en www.psytoolkit.org). Cada tarea de la memoria de trabajo comenzaba con instrucciones en pantalla proporcionadas por PsyToolkit. La información complementaria se presentó verbalmente cuando la solicitaron los participantes. Cada prueba comenzó con algunos ejemplos de capacitación (proporcionados por el software) y luego comenzó la prueba. Las respuestas se realizaron utilizando un teclado de computadora y un mouse. Cuando un participante completó las 8 pruebas, se le indicó que comenzara de nuevo con la primera prueba. Los participantes generalmente completaron 1,5 rondas de las pruebas. Los resultados de la segunda ronda no se analizaron más a fondo.

Análisis de los datos

Los datos de parpadeo se recopilaron utilizando el software Spike2 v9.10 (CED). Los datos de las tareas de la memoria de trabajo se guardaron en MicrosoftExcel. Todos los datos se exportaron posteriormente y se analizaron en Matlab R2022a (Mathworks). Utilizando scripts personalizados de Matlab, categorizamos cada prueba como (1) CR, (2) sin CR o (3) prueba no válida. Si había una RC, el guión estimaba el inicio y el pico de la respuesta. Todos los barridos se comprobaron manualmente para garantizar que el guión hubiera realizado las categorizaciones correctas. Los errores fueron corregidos manualmente. Para el análisis del rendimiento de la prueba de memoria de trabajo se eligieron dos variables: tiempo de reacción (RT) y éxito en la prueba (respuestas correctas en %). La clasificación se calculó utilizando la función de clasificación del software Microsoft Excel, y una clasificación promedio presentó un valor para cada variable de RT y éxito en la persona evaluadora.

Resumen de informes

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de NaturePortfolio vinculado a este artículo.

REFERENCIAS

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