De rol van dromen bij geheugen consolidatie en reactivering tijdens de slaap

Het geheugen is voor mensen essentieel gedurende hun hele leven, aangezien het
ons veroorlooft te kunnen overleven in omgevingen met zowel veranderende als
statische componenten. Een breed scala aan literatuur heeft aangetoond dat
slaap belangrijk is voor geheugenfuncties (voor een overzicht zie Rasch & Born,
2013). Hoewel het coderen en ophalen van herinneringen plaatsvindt tijdens een
staat van wakker zijn, wordt voorgesteld dat slaap de optimale toestand is voor
geheugenconsolidatie (Kirov et al., 2009). Geheugenconsolidatie omvat zowel het
versterken van het geheugen (vaak gemeten als prestatie bij een geheugentaak)
als de emotionele verwerking van het geheugen (Walker & van Der Helm, 2009). Er
zijn steeds meer aanwijzingen dat de twee slaapfasen, *rapid eye movement*
slaap (REM) en niet-REM-slaap (NREM, verder onderverdeeld in 3 fasen), elk
belangrijk kunnen zijn voor een van deze functies. Een breed scala aan
onderzoeken heeft het effect van slaap op geheugensterkte aangetoond voor
verschillende soorten geheugen (bv. Plihal & Born, 1997, 1999) en verschillende
leeftijdsgroepen (bv. Aly & Moscovitch, 2010; Seehagen et al., 2015). Veel
onderzoeken hebben een verband aangetoond tussen NREM-slaap en veranderingen in
geheugensterkte gedurende de nacht (bv. Holz et al., 2012; Tucker et al.,
2006). De actieve systeemconsolidatiehypothese (Diekelmann & Born, 2010) stelt
dat slaap een actieve rol speelt bij geheugenconsolidatie door spontane en
herhaalde neurale reactivaties (d.w.z. activaties van dezelfde neuronen in
dezelfde volgorde), met name in de hippocampus, die zijn gemeten in zowel
knaagdieren als mensen (Hirase et al., 2001; Pavlides & Winson, 1989; Peigneux
et al., 2004). De hypothese gaat ervan uit dat herinneringen tijdens de slaap
worden herverdeeld van de hippocampus naar de neocortex. Deze herverdeling zou
worden georkestreerd door slow waves (langzame golven) en spindle-ripple events
(spil-rimpelgebeurtenissen) (Staresina et al., 2015); beide kenmerken van
NREM-slaap. Studies bij mensen hebben aangetoond dat deze reactivaties ook
kunnen worden geïnduceerd door signalen (bv. geluiden) te presenteren die
geassocieerd zijn met een specifieke herinnering tijdens slaap, zogenaamde
gerichte geheugenreactivaties (TMR, Rasch et al., 2007). Bij ratten is
aangetoond dat deze signalen leiden tot reactiveringsgebeurtenissen van de
specifieke, geassocieerde herinnering (Bendor & Wilson, 2012). De functie van
REM-slaap bij geheugenconsolidatie is minder duidelijk. Een voorgestelde
functie zou het verwijderen van de bijbehorende affectieve toon van emotionele
herinneringen kunnen zijn (Walker & van Der Helm, 2009). Herhaalde reactivering
tijdens de REM-slaap kan leiden tot depotentatie van de emotionele valentie
(d.w.z. positief of negatief) van een herinnering. Anderzijds is slapen met
meer REM in verband gebracht met verhoogde valentiecijfers op emotionele
beelden de volgende ochtend (Lara-Carrasco et al., 2009). Het is mogelijk dat
REM-slaap de emotionaliteit op korte termijn verhoogt, maar de valentie van
emotionele herinneringen op de lange termijn verlaagt. Eén aspect van slaap is
in deze onderzoeken vaak over het hoofd gezien: dromen. Dit komt gedeeltelijk
doordat droomonderzoek afhankelijk is van droomverslagen van participanten. Dit
zorgt ervoor dat we moeite hebben een gebrek aan dromen te onderscheiden van
een gebrek aan het onthouden van dromen en dat we dromen niet kunnen bestuderen
tenzij ze worden herinnerd en gerapporteerd. Hoewel onderzoek heeft
plaatsgevonden naar wanneer we dromen (McNamara et al., 2010; Siclari et al.,
2017) en waar we van dromen (Griffith et al., 1958; Schredl et al., 2004), is
de vraag naar mogelijke functies van dromen nog steeds niet opgelost. Studies
hebben aangetoond dat dromen vaak recente ervaringen uit het waakleven
weerspiegelen (Schredl, 2003). Bovendien leidt het leren van een spel voor het
slapengaan tot het incorporeren van dat spel in de dromen (Stickgold et al.,
2000).
Om die reden is het mogelijk dat dromen geheugenconsolidatieprocessen
weerspiegelen. Als dat waar is, dan zou het dromen van een taak moeten leiden
tot een betere herinnering aan die taak. Het zou echter logisch zijn dat de
dubbele functies van de verschillende slaapfasen voor verschillende aspecten
van geheugenconsolidatie ook van toepassing zijn op dromen uit de
respectievelijke stadia. Mensen rapporteren dromen wanneer ze worden gewekt uit
zowel NREM- als REM-slaap, maar droomrapporten van REM komen vaker, langer,
emotioneler en levendiger voor. Dit weerspiegelt de verschillende neurale
omgevingen die aanwezig zijn tijdens de verschillende slaapfasen. Een recent
artikel waarin 12 gepubliceerde onderzoeken over dromen en geheugenconsolidatie
beoordeeld werden, heeft tegenstrijdige resultaten opgeleverd (Plailly et al.,
2019). Slechts vijf van de onderzoeken lieten (althans gedeeltelijke)
associaties zien tussen dromen over een taak en prestatie op de taak. De review
omvatte experimenten met verschillende soorten geheugen, die afhankelijk zijn
van verschillende hersenstructuren en daarom op verschillende manieren kunnen
worden beïnvloed door slaap en dromen. Bovendien zijn veel van de onderzoeken
die in de review zijn opgenomen ondermaats (steekproefomvang van minder dan 20,
taken met minder dan 10% opnamepercentage) en alleen onze vorige studie (Schoch
et al., 2019) maakte een onderscheid tussen NREM- en REM-dromen. Op basis van
de bevindingen van slaap- en geheugenonderzoek, veronderstellen we dat alleen
NREM-dromen geassocieerd zijn met geheugensterkte. Dit is ook wat we vonden in
onze vorige studie, die echter slechts een kleine steekproef omvatte (Schoch et
al., 2019). In feite, wanneer de onderzoeken in de review worden herverdeeld op
basis van slaapstadium waaruit de droomrapporten zijn verzameld, verschijnt een
soortgelijk patroon: wanneer alleen REM-dromen worden gebruikt, zijn positieve
bevindingen zeldzaam (1/5 onderzoeken), maar beide onderzoeken met alleen
NREM-dromen tonen een associatie aan (2/2). Daarom lijkt het aannemelijk dat
dromen de specifieke consolidatieprocessen weerspiegelen die plaatsvinden
tijdens elke slaapfase. Bovendien wordt deze hypothese ondersteund door de
bevinding van een studie die aantoont dat het opnemen van stressvolle
gebeurtenissen in REM-dromen geassocieerd is met een betere mentale gezondheid
(Cartwright et al., 2006). TMR biedt interessante mogelijkheden om niet alleen
associaties tussen droominhoud en geheugenprestatie te bestuderen, maar ook om
droominhoud direct te manipuleren met behulp van externe cues. Het toepassen
van TMR naast het onderzoeken van spontane incorporatie, zal een veel
gedetailleerder en mechanistisch begrip geven van hoe dromen zich verhouden tot
declaratieve geheugenprocessen in de nacht. Verder onderzoeken we hoe metingen
van autonome activatie (hartslag en maagcontracties) zich verhouden tot slaap,
dromen en geheugenconsolidatieprocessen tijdens de slaap.

Primaire doelstelling: Deze studie heeft tot doel de rol van dromen in
geheugenconsolidatie tijdens de slaap te onderzoeken. Dit zijn onze 2 primaire
doelstellingen en de bijbehorende hypothese:

1) Het resultaat van onze vorige studie repliceren in grote steekproef: Alleen
incorporaties in NREM dromen zijn gerelateerd aan geheugensterkte en om de rol
van REM dromen in geheugenconsolidatie te ontlokken. Onze eerste
onderzoekshypothese luidt als volgt:
H1) NREM en REM dromen weerspiegelen verschillende aspecten van
geheugenconsolidatie pro-cessen tijdens de slaap.
A) Het opnemen van de beeldcategorieën van de geheugentaak in NREM dromen, maar
niet in REM dromen, is geassocieerd met verbeterde prestaties op de
geheugentaak de volgende ochtend en 4 dagen later.
B) Het opnemen van de beeldcategorieën van de geheugentaak tijdens REM dromen
gaat gepaard met lagere emotionele en arousal beoordelingen de volgende ochtend
en na 4 dagen.
2) TMR gebruiken om na te gaan of dromen geheugenreactiveringen tijdens de
slaap weerspiegelen. De geheugentaak die we in mijn vorige experiment hebben
gebruikt en van plan zijn opnieuw te gebruiken is ontworpen voor gebruik met
gerichte geheugenreactiveringen (Lehmann et al., 2016). We zullen deze
gebruiken om tijdens de slaap specifieke beelden te cueën en vervolgens met
latere droomverslagen te verifiëren of deze in dromen zijn verwerkt. Mijn
tweede onderzoekshypothese is de volgende:
H2) TMR leidt tot latere incorporatie van de geassocieerde beeldcategorieën in
dromen tijdens NREM en REM slaapstadia.









Secundaire doelstelling(en):
We hebben nog drie doelstellingen die we willen onderzoeken met de dataset die
we van plan zijn te verzamelen:

4) Het onderzoeken van de lichaam-hersenas tijdens slaap en dromen. Dit zal
gebeuren met behulp van drie methoden: 1) ECG: We zullen de associaties tussen
hartslagvariabiliteit en heartbeat evoked potentials en dromen en droomervaring
onderzoeken. 2) EGG: We zullen de amplitude en regelmaat van het maagritme
onderzoeken in relatie tot slapen en dromen, alsook de koppeling van het
maagritme met het EEG. 3) Darm microbiota: We zullen de relatie onderzoeken
tussen darmmicrobiota samenstelling en slaapparameters verzameld met de Fitbit
gedurende 4 weken.

5) Het genereren van een grote dataset van droomverslagen en bijbehorende
neurale activiteit. Dit zal gebruikt worden om machine learning toe te passen
om droominhoud en emotie te decoderen. We zullen de EEG data gebruiken in de
aanloop naar de droomverslagen (2 min interval) en een convolutioneel neuraal
netwerk gebruiken evenals Phase Space Reconstruction en Complex Networks om te
zien of het uit de neurale activiteit kan voorspellen of de droom neutraal,
positief of negatief was en wat de droominhoud was (gebaseerd op de 6 gebruikte
onderwerpen).

6) Het vaststellen van de betrouwbaarheid van droomverslagen van dromen
verzameld in meerdere condities. Omdat het huidige project verschillende
methoden zal gebruiken voor het bestuderen van dromen, is het een unieke kans
om na te denken over de betrouwbaarheid van droomverslagen waardoor we de
condities en methoden voor het verzamelen ervan verder kunnen optimaliseren.
Bijvoorbeeld, gerichte geheugenreactivering en decodering vormen een bijkomende
bron van bewijsmateriaal die in combinatie met droomverslagen ons team in staat
zou kunnen stellen onderliggende aspecten van droomervaring te trianguleren. We
zullen ook specifieke vragen in verband met dit project behandelen,
bijvoorbeeld of een mogelijke wanverhouding tussen de decoderingsresultaten en
de beschrijvingen in droomverslagen te wijten is aan technische fouten of
systematische zwakheden in droomverslagen.

Gezonde volwassen vrijwilligers zullen geworven worden via een advertentie.
Alle proefpersonen zullen het EEG lab van het Donders Centre for Cognitive
Neuroimaging (DCCN) bezoeken voor één intake sessie, één aanpassingsnacht en
twee experimentele sessies, daarnaast zullen er twee recalls zijn die de
deelnemers thuis online kunnen invullen. Voor en na elke experimentele sessie
zal de deelnemers worden gevraagd hun droomverslagen van 7 dagen ervoor en erna
op te schrijven (online vragenlijst, ongeveer 2-3 minuten per dag) en hun slaap
te meten met behulp van een Fitbit en een slaapdagboek.

Rekrutering: Deelnemers zullen het eerste contact initiëren naar aanleiding van
de studieadvertentie (zie E1). De advertentie wordt op SONA geplaatst en op
sociale media (fa-cebook, twitter en Instagram) en via mailinglijsten verspreid
en als flyer opgehangen. Daarnaast zal een korte wervingsvideo worden geplaatst
op sociale media. Hierna ontvangen geïnteresseerde deelnemers gedetailleerde
informatie over het experiment en worden via e-mail voorbeeldformulieren voor
geïnformeerde toestemming verstuurd (zie E2 en E3). In een kort telefoongesprek
worden de details van de studie en de inclusiecriteria besproken. Hun zal
uitdrukkelijk worden gevraagd of zij aan de inclusiecriteria voldoen. Deze
procedure is toegevoegd om mogelijke uitval op basis van onze
uitsluitingscriteria te voorkomen. Als aan de inclusiecriteria is voldaan en
zij de deelname hebben overwogen en willen deelnemen, wordt een intakesessie
gepland. Omdat wij alleen deelnemers werven die het Engels goed beheersen,
worden alle wervingsbrieven en informatie alleen in het Engels verstrekt.

Intake sessie: In een intakesessie van een uur zal een korte samenvatting van
de studieprocedure worden gegeven. Deelnemers zullen ook worden geïnformeerd
dat zij van deelname zullen worden uitgesloten indien zij (i) niet voldoen aan
een van de inclusiecriteria, (ii) voldoen aan uitsluitingscriteria, of (iii)
indien geen gegevens van voldoende kwaliteit kunnen worden verkregen om
onvoorziene redenen. Deze uitdrukkelijke verklaring wordt gevolgd door de
mogelijkheid voor de deelnemer om eventuele resterende vragen te stellen. Zodra
alle vragen zijn beantwoord, ondertekenen de deelnemers de informed consent
overeenkomst (5 minuten). Vervolgens vullen zij alle vragenlijsten en taken in
die worden gebruikt om te screenen of zij in aanmerking komen voor de studie
(BNT, PSQI, BDI, BAI, MCTQ, MRI, Droomherinneringsfrequentie). De vragenlijsten
worden digitaal aangeboden met Castor EDC en vervolgens gecontroleerd op
uitsluitingscriteria. Als een deelnemer aan een van de uitsluitingscriteria
voldoet, wordt hij/zij uitgesloten van deelname (en 6 ¤ betaald), en wordt een
vervangende deelnemer geworven. Als aan alle criteria is voldaan, maken de
deelnemers een structurele T1 en T2 Magnetic Resonance Imaging (MRI) scan op
een Prisma of PrismaFit (3T) (20 minuten). Vervolgens worden de drie nachten in
het slaaplaboratorium gepland (aanpassing en beide ervaringsnachten). De
deelnemers beginnen een week voor de eerste experimentele sessie met het
verzamelen van slaapgegevens met behulp van een slaaptracker (Fitbit Inspire 2)
en een slaapdagboek, alsmede een droomdagboek. Beide worden digitaal aangeboden
en kunnen worden ingevuld op een computer of telefoon. De slaap- en
droomvolgprocedure wordt in detail uitgelegd, en deelnemers kunnen vragen
stellen (10 minuten). Deelnemers krijgen elke ochtend een herinnering op hun
telefoon om hun vragenlijsten in te vullen.

Aanpassingsnacht: De aanpassingsnacht wordt zo dicht mogelijk bij de eerste
experimentele nacht gepland (de nacht voor de eerste experimentele nacht,
maximaal zeven nachten ervoor). De deelnemers worden om 21:30 uitgenodigd in
het Donders EEG laboratorium. Hen wordt gevraagd zich te onthouden van
alcohol/drugsgebruik tijdens de studiedag, cafeïnegebruik na de lunch (maximaal
2 koffie 's ochtends volgens hun gebruikelijke inname) en op te staan om of
voor 08:00 uur (gecontroleerd aan de hand van deelnemersrapport en
slaaptracker). De deelnemers krijgen een korte beschrijving van de
aanpassingsnacht te lezen. Nadat de deelnemers klaar zijn om naar bed te gaan,
brengen we de EEG kap aan en EOG, EMG, ECG en EGG (indien gekozen) elektroden.
Gedurende deze tijd zullen de deelnemers de volgende vragenlijsten invullen:
een controle op alcohol/drugs/cafeïne inname (2 minuten), de "Schlaffragebogen
A" (slaapvragenlijst A, lab vertaald uit het Duits, SQQ 10 minuten) over de
vorige nacht en de "Mehrdimensionaler Befindlichkeitsfragebogen"
(multidimensionale stemmingsvragenlijst, lab vertaald uit het Duits, MDBF, 3
minuten), een lab ontwikkelde droomgeheugen vragenlijst (30 minuten op project
OSF), en de dagdroom frequentie schaal (DDFS, 5 minuten). Zij zullen een
Stroop-taak voor het benoemen van kleuren uitvoeren in één oefen- en vijf
experimentele blokken (24 congruente, 12 incongruente proeven, 10 minuten).
Daarnaast voltooien zij de trail-making test (TMT, 5 minuten).
Om 23.00 uur gaan de deelnemers naar bed en kunnen ze slapen tot 07.00 uur. Er
zal altijd een onderzoeker aanwezig zijn, en deelnemers worden geïnstrueerd om
op de muur te kloppen als zij iets nodig hebben (bv. naar het toilet gaan). Als
deelnemers niet in slaap kunnen vallen (hetzij na 1,5 uur, hetzij wanneer
deelnemers daarom vragen), zullen we eerst de EGG verwijderen. Als ze nog
steeds niet kunnen slapen (na 3 uur of wanneer ze daarom vragen), verwijderen
we alle elektroden en stoppen we het onderzoek (ze hebben de keuze om in het
laboratorium te slapen of naar huis te gaan). Om 07:00 eindigt de
slaapmogelijkheid. Zij zullen een vragenlijst invullen over hun slaapkwaliteit
(SQQ) en hun dromen herinneren. Dan worden de EEG en andere elektroden
verwijderd en kunnen de deelnemers zich douchen en aankleden. Daarna zullen we
bevestigen dat ze de studie willen voortzetten en in aanmerking komen op basis
van de slaapkwaliteit. Om ongeveer 7:40 wordt de aanpassingsnacht gedaan.

Experimentele sessies
De twee experimentele sessies zullen worden gecompenseerd tussen de deelnemers
met willekeurige toewijzing en extra compensatie van de geheugen taak
categorieën (random number generator (sample in R) zal worden gebruikt voor
elke deelnemer). De deelnemers zijn blind voor de condities. De twee
experimentele condities worden ten minste 14 dagen na elkaar gepland. De
deelnemers moeten zich op de experimentele dagen onthouden van alcohol en drugs
en vóór 08.00 uur opstaan. Na de lunch is geen cafeïnegebruik toegestaan, met
een maximum van twee koffies in de ochtend. De inname van alcohol en cafeïne
wordt gecontroleerd aan de hand van een vragenlijst.
Bovendien worden de gegevens van de slaaptracker gecontroleerd om na te gaan of
er in de voorafgaande week geen nachten zijn overgeslagen. Een stoelgangstaal
wordt door de deelnemer verzameld met een kit (OM-NIgene-GUT | OM-200) op de
dag van de experimentele sessie (niet geanalyseerd binnen deze studie, opt-in
door deelnemers). De experimentele sessies beginnen om 19.30 uur. De deelnemers
krijgen een schriftelijke instructie waarin de experimentele sessie wordt
uitgelegd. Daarna maken zij zich klaar om naar bed te gaan. Daarna wordt het
EEG toegepast.

Sessie A: Ontwaken
Tijdens de EEG-toepassing kunnen de deelnemers eventuele vragen stellen over
het ontwaakprotocol (dezelfde vragen als thuis). Gedurende de resterende tijd
tijdens de EEG toepassing zal de deelnemer de volgende vragenlijsten invullen:
de alcohol/koffie check (2 minuten), de Mannheim Dream Questionnaire (MADRE, 10
minuten), de Brief-COPE ques-tionnaire (10 minuten), de MDBF (3 minuten), de
need for closure scale (NFCS, 15 minuten), en de Freiburg Mindfulness Inventory
(FMI, 5 minuten). Daarna ontdoen de deelnemers zich van de leerblokken van de
geheugentaak. Tussen de leerblokken en de recall is er een korte pauze van 10
m

Gezien de uitgebreide uitsluitingscriteria, de screeningsprocedure, constante
monitoring van de proefpersonen verwachten we geen (S)AE (serious adverse
events)-bijwerkingen. EEG-, EGG- en MRI-metingen vormen op zich geen enkel
risico, mits de nodige voorzorgsmaatregelen worden getroffen. Bij de MRI kunnen
de ruis en de relatief beperkte ruimte van de MRI-scanner echter bij sommige
proefpersonen ongemak veroorzaken. De scan zal echter maar erg kort zijn (<20
minuten).

Bij een toevallige bevinding omtrent een afwijking in de MRI-scan - stap 1 -
neemt de onderzoeker direct contact op met de MRI labverantwoordelijke:
a. Gaat het om een gezonde proefpersoon, dan stuurt de MRI-labmanager de
beelden op voor beoordeling door een radioloog. In dit stadium wordt de
deelnemer niet geïnformeerd, maar wordt de incidentele bevinding gedocumenteerd
(ga verder met stap 2).
b. Indien het een patiënt en/of minderjarige betreft, dient de onderzoeker de
verantwoordelijke studie-MD te raadplegen.
* De verantwoordelijke MD is getraind om de beelden adequaat te beoordelen, ga
verder met stap 3.
* De verantwoordelijke MD is niet opgeleid om de beelden te beoordelen, ga
verder met stap 1a.
Stap 2, als volgens een schriftelijk rapport van de radioloog
a. geen klinisch relevante bevinding verkregen wordt, wordt de deelnemer niet
geïnformeerd, maar de documentatie wordt bijgewerkt.
b. een klinisch relevante bevinding verkregen wordt; de huisarts ontvangt een
brief. Ook krijgt de deelnemer een brief, waarin echter geen diagnose wordt
gesteld, maar waarin de deelnemer wordt gevraagd contact op te nemen met zijn /
haar huisarts.
c. De incidentele bevinding wordt centraal gedocumenteerd op het DCCN.
Stap 3: als de verantwoordelijke MD de afwijking als klinisch relevant
beschouwt, wordt de huisarts of behandelende specialist persoonlijk
gecontacteerd door de verantwoordelijke arts (voor details zie K6b).

Vanwege het herhaalde ontwaken wordt de deelnemers gevraagd om na het onderzoek
niet te rijden vanwege het ontwaken. Ook raden we aan om geen gebruik te maken
van de fiets, maar idealiter met het openbaar vervoer huiswaarts te keren of
door iemand opgehaald te worden. Indien dit voor de deelnemers niet mogelijk
is, zullen wij aanbieden om een taxi naar huis te regelen.


Het toestemmingsgesprek begint ruim voor de aanvang van studiegerelateerde
procedures om potentiële proefpersonen de tijd te geven om na te denken over de
mogelijke voordelen, risico's en mogelijke ongemakken. Deelnemers worden per
e-mail geïnformeerd over onze standaardonderzoeken voordat ze ermee instemmen
zich aan te melden en ze kunnen een toestemmingsformulier zien en de tijd nemen
om na te denken over of ze willen deelnemen aan het onderzoek. Deelnemers
worden geïnformeerd dat het risico van deelname aan dit onderzoek in totaal als
minimaal kan worden beschouwd. De resultaten van deze studie zullen ons een
beter inzicht geven in dromen, specifiek in relatie tot geheugenconsolidatie,
maar daarnaast ook over de bijbehorende neurale activiteit en droomrapporten.