Cómo el comportamiento da forma al cerebro y el cerebro da forma al comportamiento: Perspectivas del desarrollo de la memoria

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Memoria de origenmejora sustancialmente durante la infancia. Se cree que esta mejora está estrechamente relacionada con la maduración del hipocampo. Como estudios previos han utilizado principalmente diseños transversales para evaluar las relaciones entrememoria fuentey la función del hipocampo, se desconoce si los cambios en el cerebro preceden a las mejoras enmemoriao viceversa. Para abordar esta brecha, el estudio actual utilizó un diseño longitudinal acelerado (n=200, 100 hombres) para seguir a niños humanos de 4- y 6- años durante 3 años. Rastreamos los cambios en el desarrollo dememoria fuentey la conectividad funcional intrínseca del hipocampo y evaluó las diferencias entre las cohortes de 4- y 6-años de edad en las relaciones predictivas entrememoria fuentecambios y conectividad funcional intrínseca del hipocampo en ausencia de una tarea exigente. De acuerdo con estudios previos, hubo aumentos relacionados con la edad enmemoria fuentey la conectividad funcional intrínseca entre el hipocampo y las regiones corticales que se sabe que están involucradas durante la codificación de la memoria. Los nuevos hallazgos mostraron que los cambios en la capacidad de la memoria en las primeras etapas de la vida predijeron la conectividad posterior entre el hipocampo y las regiones corticales y que la conectividad funcional intrínseca del hipocampo predijo cambios posteriores en la memoria de origen. Estos hallazgos sugieren que la experiencia del comportamiento y el desarrollo del cerebro son procesos bidireccionales interactivos, de modo que la experiencia da forma a los cambios futuros en el cerebro y el cerebro da forma a los cambios futuros en el comportamiento. Los resultados también sugieren que tanto el momento como la ubicación son importantes, ya que los efectos observados dependían tanto de la edad de los niños como de los ROI específicos del cerebro. Juntos, estos hallazgos agregan una visión crítica de las relaciones interactivas entre los procesos cognitivos y sus bases neurológicas subyacentes durante el desarrollo.

Palabras clave: diseño longitudinal acelerado; desarrollo cerebral;memoria episódica; conectividad funcional del hipocampo;desarrollo de la memoria;memoria fuente

1Departamento de Currículo y Ciencias del Aprendizaje, Universidad de Zhejiang, Campus de Zijingang, Hangzhou, 310058, 2Departamento de Psicología,

The University of Maryland, College Park, Maryland 20742, y 3Children's Hospital, Zhejiang University School of Medicine, National Clinical

Centro de Investigación para la Salud Infantil, Hangzhou, 310052

Declaración de importancia

Los estudios transversales han demostrado que la capacidad de recordar los detalles contextuales de experiencias previas (es decir, la memoria fuente) está relacionada con el desarrollo del hipocampo en la infancia. Se desconoce si los cambios funcionales del hipocampo preceden a las mejoras en la memoria o viceversa. Mediante el uso de un diseño longitudinal acelerado, encontramos que los primeros cambios en la memoria de origen predijeron la conectividad funcional intrínseca posterior del hipocampo y que esta conectividad predijo cambios posteriores en la memoria de origen. Estos hallazgos sugieren que la experiencia del comportamiento y el desarrollo del cerebro son procesos bidireccionales interactivos, de modo que la experiencia da forma a los cambios futuros en el cerebro y el cerebro da forma a los cambios de comportamiento futuros. Además, estas interacciones variaron en función de la edad y la región del cerebro de los niños, lo que destaca la importancia de una perspectiva de desarrollo cuando se investigan las interacciones cerebro-conducta.

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Introducción

La memoria fuente mejora sustancialmente durante la infancia (p. ej., Riggins, 2014). Específicamente, con la edad, los niños se vuelven mejores para informar y retener detalles contextuales de las experiencias de la vida (Bauer, 2007). Este desarrollo está estrechamente relacionado con la maduración del hipocampo, como lo demuestran las diferencias relacionadas con la edad y la memoria en la estructura y función del hipocampo a lo largo del desarrollo (ver Ghetti y Bunge, 2012 para una revisión; Sastre et al., 2016; Tang et al., 2018; Riggins et al., 2020). Estudios anteriores han utilizado principalmente diseños transversales para evaluar las relaciones entre el cerebro y el desarrollo de la memoria, lo que no permite investigar cambios reales en el desarrollo y puede estar influenciado por factores de confusión, como los efectos de cohorte. Por lo tanto, se desconoce si los cambios en el cerebro preceden a las mejoras en la memoria o viceversa. Además, estudios anteriores se han centrado en niños pequeños o en edad escolar, lo que dificulta las comparaciones de diferentes períodos de desarrollo. Para abordar estas brechas, el estudio actual utilizó un diseño longitudinal acelerado para seguir a niños de 4- y 6- años durante 3 años. Este diseño nos permitió explorar los cambios de desarrollo en la conectividad funcional intrínseca del hipocampo (iHFC) y evaluar las diferencias entre las cohortes de 4- y 6- años en las relaciones predictivas entre la memoria de origen y la conectividad funcional (ver Fig. . 1).

En los adultos, se cree que la conectividad funcional intrínseca refleja la arquitectura funcional del cerebro, que surge como resultado de la coactivación provocada por tareas entre regiones del cerebro (Fox y Raichle, 2007). Es probable que los patrones de conectividad funcional intrínsecos de los niños se construyan de manera similar; sin embargo, la hipótesis del moldeo a largo plazo ha propuesto que estos patrones de conectividad se moldean con el tiempo como resultado tanto de la maduración como de la experiencia (Gabard-Durnam et al., 2016). Por ejemplo, siguiendo a niños de 4- a 18- años durante 2 años, los análisis prospectivos indicaron que la conectividad funcional de la amígdala provocada por la tarea predijo la conectividad funcional en estado de reposo 2 años más tarde, pero no simultáneamente (Gabard-Durnam et al., 2016). Estos hallazgos sugieren asociaciones entre la activación cerebral basada en tareas y la conectividad funcional intrínseca tanto en niños como en adultos; sin embargo, tales asociaciones pueden diferir a lo largo del desarrollo.

Los datos empíricos también respaldan las influencias bidireccionales entre el cerebro y el comportamiento. Primero, estudios previos respaldan la noción de que los cambios de comportamiento dan forma a la conectividad funcional intrínseca y basada en tareas (p. ej., Jolles et al., 2016; Clark et al., 2017; Rosenberg-Lee et al., 2018). Por ejemplo, en niños de 8- a 9- años, 8 semanas de tutoría de matemáticas fortalecieron el iHFC en el surco intraparietal (Jolles et al., 2016). En segundo lugar, los estudios empíricos han demostrado que la conectividad funcional intrínseca puede predecir ganancias en habilidades cognitivas más adelante en el desarrollo (p. ej., Hoeft et al., 2011; Supekar et al., 2013; Evans et al., 2015). Por ejemplo, Supekar et al. (2013) encontraron que iHFC medido antes de la tutoría de matemáticas predijo mejoras en el rendimiento después de la tutoría durante la infancia media.

Con base en estos estudios, exploramos si había influencias bidireccionales entre los cambios en la memoria de origen y la conectividad funcional intrínseca desde el hipocampo hasta las regiones del cerebro que se informó que respaldan la codificación de información contextual (Geng et al., 2019). Utilizamos un diseño longitudinal acelerado para evaluar lo siguiente: (a) cambios relacionados con la edad en las relaciones simultáneas entre la memoria fuente y el iHFC; (b) relaciones predictivas entre los primeros cambios en la memoria de la fuente y el iHFC posterior; y (c) relaciones predictivas entre iHFC temprano y cambios posteriores en la memoria de origen (Fig. 1)

Planteamos la hipótesis de que las ganancias tempranas de la memoria fuente predecirían el iHFC posterior porque se cree que el impacto de la experiencia se acumula con el tiempo (Gabard-Durnam et al., 2016). Se esperaba que la acumulación de experiencias con las actividades de la memoria cotidiana impulsara cambios en el desarrollo de iHFC durante la infancia. Además, debido a una mayor plasticidad en las primeras etapas del desarrollo (p. ej., Tottenham y Sheridan, 2010), esperábamos que los cambios en la memoria predijeran con mayor solidez la conectividad posterior en la cohorte más joven frente a la de mayor edad.

Como se ha sugerido que la conectividad cerebral moldea el comportamiento posterior (p. ej., Evans et al., 2015), planteamos la hipótesis de que iHFC predeciría ganancias en las capacidades de la memoria fuente. Además, debido a que la función del hipocampo es más madura durante la infancia media versus la temprana (Geng et al., 2019), planteamos la hipótesis de que la conectividad a los 6 años predeciría con mayor solidez la memoria futura que la conectividad a los 4 años.

Materiales y métodos

Participantes Los niños participaron en un gran estudio que investigó la memoria y el desarrollo del cerebro en la primera infancia que utilizó un diseño longitudinal acelerado (N=200, 100 hombres) (Riggins et al., 2018; Geng et al., 2019). La primera ola (W1) del estudio incluyó niños de 4- a 8- años. Se invitó a los niños de 4- y 6-años de edad a dos oleadas de pruebas posteriores (W2 y W3; Fig. 2). En total, hubo tres oleadas, y cada oleada incluyó cohortes jóvenes y mayores (cohorte joven: W1=4 años, W2=5 años, W3=6 años; cohorte mayor: W{{ 17}} años, W2=7 años, W3=8 años). La Tabla 1 muestra la cantidad de niños que proporcionaron 3, 2 o 1 ciclo de datos para los análisis finales en cada cohorte. Las razones principales de la pérdida de datos de neuroimágenes fueron que los niños se movían demasiado, se dormían durante la exploración, se negaban a entrar en la exploración o las familias no hacían el seguimiento.

Medimos el coeficiente intelectual de los niños en W1 utilizando las subpruebas de vocabulario y diseño de bloques de la Escala de inteligencia para niños de Wechsler (Ed. 4) (Wechsler, 2003) o la Escala de inteligencia de preescolar y primaria de Wechsler (Wechsler, 2012). ). Todos los niños incluidos en los análisis tenían un CI estimado entre promedio y superior al promedio. No se encontraron diferencias entre las cohortes jóvenes y mayores en las puntuaciones escaladas en el vocabulario (jóvenes: media=11.07, SD=2.96; viejos: media=11.66, SD { {11}}.55; p=0.33) o subpruebas de diseño de bloques (jóvenes: media=12.96, SD=2.73; viejos: media=13. 03, SD=3.00; p=0.92). Los padres informaron que todos los participantes estaban sanos sin ningún trastorno del neurodesarrollo, afecciones neurológicas o afecciones psiquiátricas. Además, los padres informaron que el 88,5 por ciento de los niños eran diestros, el 6,8 por ciento zurdos, el 3,7 por ciento ambidiestros y el 1 por ciento no se pudo determinar.

Codificación del diseño experimental. Durante la primera visita, los niños aprendieron datos novedosos (p. ej., "Un grupo de rinocerontes se llama choque") de una de dos fuentes diferentes, una mujer adulta ("Abby") y un títere con voz masculina ("Henry") a través de videos digitales (Drummey y Newcombe, 2002; Riggins, 2014). Cada fuente proporcionó 6 hechos para un total de 12 hechos. La presentación de los hechos se bloqueó por fuente, donde los niños primero aprendieron 6 hechos de una fuente, seguidos de 6 hechos de la otra fuente, y el orden de los bloques se aleatorizó entre los participantes. Había tres listas de hechos; cada lista constaba de hechos únicos que eran similares en todas las listas (p. ej., "Un grupo de canguros se llama turba" o "Un grupo de cabras se llama tribu"). Estas listas se asignaron al azar entre los participantes. Se pidió a los niños que prestaran atención a los hechos, ya que serían evaluados sobre los hechos la semana siguiente, pero no se les dijo que serían evaluados sobre la fuente de los hechos. Se preguntó a los niños si conocían los hechos antes del experimento. Se excluyeron los hechos conocidos y se reemplazaron con hechos novedosos adicionales de la lista de la misma fuente (pero esto rara vez ocurría). Cada fuente tenía 8 hechos posibles para dar cuenta de la posibilidad de que los niños supieran 1 o 2 de los hechos. Si un niño sabía 3 o más datos de una fuente, se reducía el número total de datos sobre los que se evaluó al niño (pero esto era raro, n=4).

Recuperación. Durante la segunda visita, se puso a prueba la memoria de los niños sobre los hechos y las fuentes de la primera visita. Se pidió a los niños que respondieran 22 preguntas de trivia y que le dijeran al experimentador dónde habían aprendido las respuestas a esas preguntas de trivia. Se les dijo que habían aprendido algunas de las preguntas la semana anterior de "Abby" o "Henry", algunas podrían haberlas aprendido fuera del laboratorio (p. ej., de un maestro o padre) y otras quizás no las supieran. Los niños aprendieron 6 de los 22 hechos presentados de "Abby", 6 de "Henry", 5 eran hechos comúnmente conocidos por los niños (p. ej., "¿De qué color es el cielo?") y 5 eran hechos que los niños normalmente no sabrían. (p. ej., "¿Cómo se llama la parte coloreada de tu ojo?"). Cada lista de 22 hechos tenía dos órdenes de presentación aleatorios, y estos órdenes se equilibraron entre los participantes. Si los niños no podían recordar la fuente de una pregunta en particular, se les daban cinco opciones de opción múltiple: padres, maestra, niña en el video, una marioneta en el video o simplemente sabía/adivinó.

La memoria fuente se calculó como la proporción de preguntas para las que los niños recordaron o reconocieron con precisión tanto el hecho como la fuente del número total de hechos aprendidos (consulte la fórmula a continuación). Se cree que esta medida de la memoria fuente refleja la vinculación de hechos y fuentes, que es un aspecto importante de la memoria episódica (Miller et al., 2013; Cooper y Ritchey, 2020).

Durante el escaneo sin tareas, el movimiento de la cabeza de los participantes fue monitoreado en tiempo real. Si un participante mostraba un movimiento excesivo de la cabeza (0,2 mm en cualquier dirección) durante la primera mitad de cualquier carrera, se reiniciaba la exploración y se recordaba al participante que permaneciera lo más quieto posible.

Preprocesamiento de datos de imágenes En los análisis, se incluyeron las 210 imágenes de IRMf en estado de reposo recopiladas, ya que los primeros cuatro volúmenes se descartaron antes de la recopilación de datos debido a la inestabilidad de la señal de RM inicial y la adaptación de los participantes. El preprocesamiento incluyó los siguientes pasos. Primero, la corrección del tiempo de corte, la corrección del movimiento de la cabeza y el suavizado se realizaron con DPABI 1.3 (Yan et al., 2016). Luego, se ejecutó un análisis de componentes independiente en datos suavizados utilizando MELODIC, una caja de herramientas de FSL, para eliminar componentes relacionados con artefactos (Geng et al., 2019). Después de eliminar todos los componentes relacionados con artefactos, se realizaron la extracción, la normalización y el filtrado del cerebro. Siguiendo el procedimiento sugerido por Tillman et al. (2018), la extracción del cerebro en una imagen ponderada T1-se realizó por separado en seis cajas de herramientas: Herramientas de normalización avanzadas, AFNI, FSL, BSE, ROBEX y SPM8 para garantizar datos de alta calidad. Los vóxeles extraídos por al menos cuatro cajas de herramientas se incluyeron en la máscara cerebral. Se utilizaron herramientas avanzadas de normalización para realizar el corregistro y la normalización. Los análisis estadísticos se realizaron en AFNI (Cox, 1996). El filtrado de paso de banda temporal (0.01-0.1 Hz) y el suavizado espacial con un núcleo gaussiano FWHM de 5 mm se realizaron en AFNI en datos normalizados.

Regiones de semillas individuales (bilateral