Sleep’s Role on Episodic Memory Consolidation in Adults and Children

Abstract

Episodic memory is an essential cognitive function to support our everyday life. It depends on the hippocampus to bind the experienced events into their spatiotemporal contexts, i.e. giving us information about what has happened, where and when. Sleep is vital for declarative memory. Broad evidence suggests sleep as an optimal state to transfer a hippocampus-dependent memory from a temporary short-term representation into its stable neocortical long-term storage, i.e. its consolidation. This sleep-mediated consolidation process is thought to happen especially during deeper slow-wave sleep, i.e. a sleep stage most abundant in children before puberty. It is unclear how sleep consolidates particularly episodic memory, and how sleep-mediated consolidation changes during development. This dissertation aimed to establish new behavioral paradigms and study sleep’s effect on episodic memory in adults and children. We hypothesized that sleep benefits specifically the consolidation of episodic aspects of memory, especially in children. To explore sleep’s effect on episodic memory consolidation in human adults (18-37 years) and children (8-12 years) we established a new episodic task to assess “What-Where-When” memory by explicit (oral report) and implicit (eye-tracking) measures. Additionally, we changed a word-pair learning task to an item–source paradigm, in which word pairs (items) were learned in temporal contexts (source) separated by two lists. This task allowed the assessment of episodic aspects of word-pair learning, i.e. the binding of item and source memory. Using the same tasks, children and adults encoded two episodes and learned two lists of word pairs, with each episode and list being separated by an hour. Memory was then tested on short-term (1-hour delay) prior to sleep as well as after long-term retention (~10-h delay) with either a night of sleep or a day of wakefulness. In adults, explicit and implicit measures of episodic memory were positively associated with each other, and both benefitted from sleep, thus linking this sleep benefit to previous rodent studies and opening the possibility to apply this paradigm to a broader age range (study I). Comparing adults with children, both ages showed a two-fold benefit for episodic memory after sleep than after wakefulness, even though children had superior amounts of slow-wave sleep. Surprisingly, children started at a much lower episodic memory level on the short-term before sleep than adults, suggesting children had less capacity to encode or retain episodic memories. However, children did not forget the episodes any further over the any long-term retention interval as the adults did, suggesting the consolidation of episodic memory in children to be more efficient, and unrelated to sleep (study II). Replicating previous studies, we also found that children benefit from sleep for the explicitly learned word-pair memory over sleep. Unlike the weak temporal memory effect in the episodic task, we found a benefit from sleep for the temporal context memory in the word-pair learning task. Although also here the children’s capacity for episodic binding was reduced shortly after encoding (1-hour recall) as compared to adults, unlike in the episodic task, the children seemed rather to “unbind” the word-pair and temporal context memory over sleep. Moreover, children maintained semantic memory for the word pairs better on short-term, but, unlike adults, they showed forgetting over sleep. This suggests altered forgetting curves over sleep for episodic vs. semantic based memory (study III). Across studies, episodic aspects were in part positively correlated with sleep spindles (a hallmark feature of sleep) and slow-wave sleep, while semantic aspects correlated negatively with sleep spindles, suggesting different preferred roles for sleep spindles and slow-wave sleep in episodic and semantic memory consolidation. Notably, sleep more effectively consolidated the kind of memory that each age group retained worse on the short-term, e.g. the still developing episodic memory in children. Taken together, this thesis supports the hypothesis that sleep benefits the consolidation of hippocampus-dependent memory for episodes and their spatial and temporal contexts. Children’s lower capacity for episodic memories might be compensated by more effective consolidation mechanisms. The finding that deeper sleep in children might also favor unbinding of episodic memories (i.e. decontextualization) should be scrutinized in future studies.

Das episodische Gedächtnis ist eine kognitive Funktion, die unverzichtbar ist für unser tägliches Leben. Es benötigt den Hippocampus, um die erfahrenen Ereignisse in ihren örtlichen und zeitlichen Kontext zu binden, d.h. es gibt uns Informationen darüber, was passiert ist, wo und auch wann. Schlaf ist unerlässlich für das deklarative Gedächtnis. Umfassende wissenschaftliche Untersuchungen deuten auf Schlaf als einen optimalen Zustand hin, um eine vom Hippocampus abhängige Gedächtnisspur von einer temporären Repräsentation im Kurzzeitgedächtnis hin zu einer stabil, gespeicherten Langzeitgedächtnisspur im Neocortex zu transferieren, d.h. ihre Konsolidierung. Es wird angenommen, dass dieser von Schlaf vermittelte Konsolidierungsprozess besonders während des tieferen langsamwelligen Schlafes (sog. Deltaschlaf oder engl. „slow-wave sleep“) stattfindet, d. h. in Schlafstadien, welche am häufigsten im Schlaf von Kindern vor der Pubertät vorkommen. Es ist unklar, wie Schlaf im Besonderen das episodische Gedächtnis konsolidiert, und auch wie die schlafvermittelte Konsolidierung sich während der körperlichen und geistigen Entwicklung verändert. Diese Dissertation hat zum Ziel neue Verhaltensparadigmen zu etablieren und den Effekt von Schlaf auf das episodische Gedächtnis in Erwachsenen und Kindern zu erforschen. Um den Effekt von Schlaf auf die Konsolidierung von episodischem Gedächtnis bei menschlichen Erwachsenen (18-37 Jahre) und Kindern (8-12 Jahre) zu explorieren, haben wir eine neue episodische Aufgabe etabliert, um das „Was-Wann-Wo“-Gedächtnis (engl. „What-Where-When“ memory) mittels expliziten (mündliche Abfrage) und impliziten (Eye-tracking) Messmethoden zu bestimmen. Zusätzlich haben wir eine Wortpaarlernaufgabe abgewandelt, bei der Wortpaare als Gedächtniselemente und zwei Wortpaarlisten als zeitlichen Kontext für den Gedächtnisursprung dienten (engl. „item-source“-Paradigma). Diese Aufgabe ermöglichte das Bestimmen von episodischen Gedächtnisaspekten des Wortpaarlernens, d.h. die Gedächtnisverbindungen zwischen Gedächtniselementen und ihrem zeitlichen Gedächtnisursprung. Kinder und Erwachsene enkodierten unter Verwendung derselben Aufgaben zwei Episoden und lernten zwei Wortpaarlisten, jede jeweils zeitlich durch eine Stunde getrennt. Das Gedächtnis wurde dann darauf getestet, wie viel nach einem kurzen Zeitintervall (1 Stunde Verzögerung) vor dem Schlaf, oder nach einem langen Zeitintervall (~10 Stunden Verzögerung) mit entweder einem Nachtschlaf oder einer Wachheit am Tag, behalten wurde. In Erwachsenen waren die expliziten und impliziten Messgrößen des episodischen Gedächtnisses positiv miteinander assoziiert und beide profitierten vom Schlaf. Dabei lässt sich wurde der hier aufgezeigte Nutzen von Schlaf in unseren Ergebnissen mit denen von vorherigen Studien bei Nagetieren verbinden und eröffnete uns auch die Möglichkeit diese Paradigma auf eine breitere Altersspanne anzuwenden (Studie I). Im Vergleich von Erwachsenen mit Kindern zeigten beide Altersgruppen ein doppelt so gutes episodisches Gedächtnis nach dem Schlaf als nach der Wachheit über den Tag, und das obwohl die Kinder weitaus höhere Anteile an langwelligem Schlaf aufzeigten. Überraschenderweise starteten die Kinder auf einem viel niedrigeren Niveau als die Erwachsenen für episodisches Gedächtnis wenn der Abruf nach dem kurzen Zeitintervall vor dem Schlaf erfolgte. Das deutet darauf hin, dass die Kinder eine niedrigere Kapazität hatten die Episoden zu encodieren oder diese im Gedächtnis zu behalten. Jedoch vergaßen die Kinder die Episoden über die den langen Zeitintervall nicht noch weiter sowie die Erwachsenen, was auch wiederum darauf hindeutet, dass die Konsolidierung vom episodischen Gedächtnis effizienter in Kindern und auch unabhängig von Schlaf zu sein scheint (Studie II). Auch beim Replizieren von vorigen Studien konnten wir ebenso einen Vorteil von Schlaf für das explizit gelernte Wortpaar-Gedächtnis in Kindern über das gemessene Schlafintervall feststellen. Im Gegensatz zu dem schwachen Effekt für das Zeitgedächtnis in der episodischen Gedächtnisaufgabe, fanden wir, dass Schlaf auch das Gedächtnis des zeitlichen Kontexts während der Wortpaarlernaufgabe unterstützte. Obwohl auch hier die Kapazität für episodische Gedächtnisverbindungen kurz nach dem encodieren (Abruf nach 1 Stunde) im Vergleich zu den Erwachsenen schon reduziert war, schienen die Kinder, im Gegensatz zu der episodischen Gedächtnisaufgabe, ihre encodierten Gedächtnisverbindungen zwischen den Wortpaaren und deren zeitlichen Kontext über Schlaf hinweg eher wieder zu lösen. Zudem behielten die Kinder semantische Gedächtnisinhalte für die Wortpaare besser über den kurzen Zeitintervall, aber im Gegensatz zu den Erwachsenen, zeigten die Kinder auch ein Vergessen dieser Inhalte über den Schlafintervall hinweg. Dies legt unterschiedliche Vergessenskurven über Intervalle mit Schlaf für das episodisch- vs. das semantisch, gestützte Gedächtnis nahe (Studie III). Über alle Studien hinweg korrelierten die episodischen Gedächtnisaspekte zum Teil positiv mit Schlafspindeln (ein kennzeichnendes Merkmal für Schlaf) und langsamwelligem Schlaf, wohingegen semantische Gedächtnisaspekte negativ mit Schlafspindeln korrelierten. Dies deutet auf eine unterschiedliche Präferenz für die Rolle von Schlafspindeln und von langsamwelligem Schlaf in der Konsolidierung vom episodischen und semantischen Gedächtnis hin. Beachtenswert ist auch, dass Schlaf gerade die Art von Gedächtnis effektiver konsolidierte, welche jede Altersgruppe über den kurzen Zeitintervall hinweg schlechter behielt, was z.B. bei den Kindern das sich immer noch entwickelnde episodische Gedächtnis war. Zusammengefasst unterstützt diese Dissertation die Hypothese, dass Schlaf die Konsolidierung des vom Hippocampus abhängigen Gedächtnisses für Episoden und deren örtlichen und zeitlichen Kontext unterstützt. Die geringere Kapazität für episodisches Gedächtnis bei Kindern könnte durch deren effektivere Konsolidierungsmechanismen kompensiert sein. Der Befund, dass der tiefere Schlaf in Kinder auch das Lösen von episodischen Gedächtnisverbindungen begünstigen kann (d.h. eine Dekontextualisierung der Gedächtnisinhalte), sollte in zukünftigen Studien nochmals genauer überprüft werden.