Diese Arbeit wurde von der Verwaltung des Bowdoin College und dem Bowdoin Life Sciences Research Fellowship, dem Peter J. Grua and Mary G. O'Connell Faculty/Student Research Award und dem Kufe Family Student Research Fellowship unterstützt. Wir danken Benjamin Tipton für die Leitung des Achtsamkeitsmeditationskurses und Hannah Reese für die Hilfe bei der Versuchsplanung und -analyse.

Alle Verfahren wurden vom Institutional Review Board des Bowdoin College in Übereinstimmung mit den Bundesrichtlinien zum Schutz menschlicher Probanden genehmigt.
1. Rekrutierung der Probanden und Vorbereitung auf das Experiment
<ol><li>Rekrutieren Sie 40 18-29-jährige Probanden, die meditationsnaiv, rechtshändig, fließend Englisch sprechen, mit normalem oder korrigiertem Sehvermögen, ohne neurologische Erkrankungen. HINWEIS: Die Untersuchung jüngerer Kinder und älterer Erwachsener würde eine separate altersspezifische Studie erfordern. Die Entwicklung der Frontallappen und Parietallappen ist wichtig für die Durchführung der episodischen Gedächtnisaufgabe. Und es gibt Variabilität im EEG über das Alter hinweg. Die Untersuchung jüngerer Kinder und älterer Erwachsener erfordert altersspezifische kognitive Aufgaben und spezielle EEG-Aufzeichnungs- und Datenanalyseprotokolle, die im vorliegenden Protokoll nicht enthalten sind. Rekrutieren Sie nur rechtshändige Probanden, um die Variabilität der EEG-Aktivität zu reduzieren.</li>
	<li>Weisen Sie zufällig 40 Probanden einer experimentellen Achtsamkeitsmeditations- oder Wartelisten-Kontrollgruppe für insgesamt 20 Probanden in jeder Gruppe zu.</li>
	<li>Planen Sie die experimentellen Sitzungen und das Achtsamkeitsmeditationstraining so, dass die Verzögerung zwischen den experimentellen Sitzungen vor und nach dem Training für die experimentellen Achtsamkeitsmeditations- und Wartelisten-Kontrollgruppen gleich ist (siehe Abbildung 1 für eine visuelle Darstellung der Sitzungen).</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61247/61247fig1.jpg"> Abbildung 1: Visuelle Darstellung der Sitzungen. Die Probanden füllten den Five Facet Mindfulness Questionnaire (FFMQ)46 aus und führten die episodische Gedächtnisaufgabe durch, während das EEG während der experimentellen Sitzungen vor und nach dem Training aufgezeichnet wurde. Die Probanden wurden nach dem Zufallsprinzip entweder vier Wochen lang in Achtsamkeitsmeditation trainiert oder auf einer Warteliste verbleiben, um in Achtsamkeitsmeditation geschult zu werden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61247/61247fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<ol start="4"><li>Informieren Sie die Probanden über die Verfahren der Verhaltenstests, der EEG-Aufzeichnung und des Achtsamkeitsmeditationstrainings. Stellen Sie sicher, dass die Probanden davon absehen, Meditation außerhalb der für die Forschungsstudie durchgeführten zu praktizieren.</li>
</ol>2. Achtsamkeitsfragebogen
<ol><li>Lassen Sie die Probanden für jede experimentelle Sitzung den Five Facet Mindfulness Questionnaire (FFMQ)46 ausfüllen (siehe Zusatzdossier 1).</li>
	<li>Analysiere die Achtsamkeitsdaten.<ol><li>Messen Sie die Achtsamkeit jedes Probanden, indem Sie die Punktzahlen für FFMQ Total sowie Observe, Describe, Awareness, Nonjudge und Nonreactive Skalen berechnen, indem Sie die Punktzahlen für jede Subskala summieren (beachten Sie, dass für einige Elemente die Bewertung gemäß den Anweisungen in der FFMQ46 umgekehrt werden muss (dh 1 zu 5, 2 zu 4, 4 zu 2 und 5 zu 1) (siehe Bewertungsanweisungen in der Zusatzdatei 1).</li>
		<li>Vergleichen Sie die FFMQ-Gesamtwerte der Probanden sowie die Ergebnisse für Beobachten, Beschreiben, Bewusstsein, Nichturteil und Nichtreaktiv für die experimentelle Achtsamkeitsmeditations- und Wartelisten-Kontrollgruppe in experimentellen Sitzungen vor und nach dem Training.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Episodische Gedächtnisaufgabe
<ol><li>Erstellen Sie eine Liste von 800 Adjektiven, die für die Worthäufigkeit gemäß den47-Wortnormen von Kucera und Francis gleichgesetzt werden (siehe Zusatzdatei 2).</li>
	<li>Lassen Sie die Probanden für jede experimentelle Sitzung die Kodierungsphase üben, indem sie 10 Wörter präsentieren und die Kodierungsaufgabe wie unten beschrieben ausführen.</li>
	<li>Lassen Sie die Probanden für jede experimentelle Sitzung die Kodierungsphase durchführen.<ol><li>Lassen Sie die Probanden eine Liste von 200 Adjektiven studieren und entweder ein mentales Bild einer räumlichen Szene erstellen, die durch das Adjektiv beschrieben wird (Ortsaufgabe) oder über die Bedeutung des Wortes nachdenken und seine Freundlichkeit bewerten (angenehme Aufgabe).</li>
		<li>Bitten Sie die Probanden nach der Präsentation jedes Wortes, zu bewerten, wie gut sie die Kodierungsaufgabe ausgeführt haben (siehe Abbildung 2 für eine visuelle Darstellung des Kodierungsvorgangs).</li>
	</ol></li>
	<li>Lassen Sie die Probanden für jede experimentelle Sitzung die Phase des Quellenabrufs üben, indem sie die 10 Wörter präsentieren, die bei der Kodierungspraxis gezeigt wurden, und fünf neue Wörter und führen Sie die Aufgabe zum Abrufen der Quelle wie unten beschrieben aus.</li>
	<li>Lassen Sie die Probanden für jede experimentelle Sitzung die Phase des Quellenabrufs durchführen, während Sie das EEG aufzeichnen.<ol><li>Präsentieren Sie die 200 Wörter, die bei der zufällig gemischten Kodierung mit 200 neuen Wörtern angezeigt wurden. Senden Sie Zeitstempel, die jeder Verhaltensbedingung entsprechen, an die EEG-Aufzeichnung. Wörter sollten in 20 Blöcken präsentiert werden, um den Probanden Ruhepausen zu geben, um ihre Augen auszuruhen.</li>
		<li>Bitten Sie die Probanden während der Präsentation jedes Wortes, anzugeben, ob das Wort neu war oder ob sie es als in der Kodierungsphase studiert erkannt haben. Bitten Sie die Probanden bei erkannten Wörtern, die Quelle anzugeben, unabhängig davon, ob das Wort in der Ortsaufgabe oder in der angenehmen Aufgabe studiert wurde (siehe Abbildung 2 für eine visuelle Darstellung des Quellenabrufverfahrens). HINWEIS: Die episodische Speicheraufgabe kann mit jeder Software entworfen werden, die für die Verhaltensforschung entwickelt wurde, wie z.B. EPrime, die Zeitstempel an die EEG-Aufzeichnung unter Verwendung von Aufgabenereignissen senden kann (siehe Materialtabelle). Tutorials und Beispielexperimente sind online verfügbar (z.B. https://pstnet.com, https://step.talkbank.org48).</li>
	</ol></li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61247/61247fig2.jpg"> Abbildung 2: Visuelle Darstellung des experimentellen Paradigmas. Während der episodischen Gedächtnisaufgabe studierten die Probanden Adjektive und stellten sich entweder eine Szene vor (Ortsaufgabe) oder beurteilten ihre Angenehmkeit (angenehme Aufgabe). Während der Quellenabrufphase entschieden die Probanden, welche Aufgabe mit jedem Wort ("Old Place Task" oder "Old Pleasant Task") oder "New" ausgeführt wurde. Diese Zahl wurde von Nyhus et al.60 modifiziert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61247/61247fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<ol start="6"><li>Markieren Sie jede Studie basierend auf der Verhaltensbedingung und der Reaktion des Probanden (siehe Abbildung 3 und Abbildung 4) und analysieren Sie die episodischen Gedächtnisverhaltensdaten.<ol><li>Messen Sie die Fähigkeit der Probanden, sich an Quellinformationen zu erinnern, indem Sie die Item-Diskriminierung berechnen (Item d', siehe Abbildung 3): Z (Trefferquote) – Z (Fehlalarmrate)</li>
		<li>Messen Sie die Fähigkeit der Probanden, sich an Quelleninformationen zu erinnern, indem Sie die Quellendiskriminierung berechnen (Quelle d', siehe Abbildung 4). Z (korrekte Quellrate) – Z (falsche Quellrate)</li>
		<li>Vergleichen Sie die Item- und Source-Diskriminierung der Probanden (Item und Source d') für die experimentelle Achtsamkeitsmeditations- und Wartelisten-Kontrollgruppe über experimentelle Sitzungen vor und nach dem Training.</li>
	</ol></li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61247/61247fig3.jpg"> Abbildung 3: Datenkategorien, die in die Messung des Wortgedächtnisses einbezogen werden. Die Versuche wurden auf der Grundlage der Verhaltensbedingung und der Reaktion des Probanden bewertet und zur Berechnung der Objektdiskriminierung verwendet (Item d'). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61247/61247fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61247/61247fig4.jpg"> Abbildung 4: Datenkategorien, die in die Messung des Quellspeichers einbezogen werden. Die Studien wurden basierend auf der Verhaltensbedingung und der Reaktion des Probanden bewertet und zur Berechnung der Quellendiskriminierung verwendet (Quelle d'). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61247/61247fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
4. EEG-Aufzeichnung und -Analyse
<ol><li>Richten Sie die EEG-Obergrenze ein (siehe Materialtabelle). HINWEIS: Ein EEG-Capping-Tutorial und andere nützliche Informationen sind über Online-Ressourcen verfügbar (z. B. https://pursue.richmond.edu49).<ol><li>Messen Sie den Kopf des Probanden und legen Sie alle Elektroden auf die richtige EEG-Kappe nach dem erweiterten internationalen 10-20-System.</li>
		<li>Reinigen Sie die Stirn des Probanden mit einem Alkoholtupfer.</li>
		<li>Tragen Sie die EEG-Kappe auf den Kopf des Probanden auf, indem Sie die Haare scheiteln und dann leitfähiges Gel mit einer Luer-Lock-Spritze mit einer abgestumpften Nadel einführen.</li>
		<li>Klicken Sie mit der EEG-Aufzeichnungssoftware auf Impedanzen und stellen Sie sicher, dass sie unter dem Widerstandsniveau liegen, das von dem spezifischen EEG-System empfohlen wird, das von den Forschern ausgewählt wurde.</li>
		<li>Bitten Sie den Probanden, während des Experiments so ruhig wie möglich zu bleiben. Zeigen Sie dem Probanden das EEG-Signal, wenn es still ist und wenn es blinkt oder Kiefer- oder Gesichtsbewegungen macht.</li>
	</ol></li>
	<li>Zeichnen Sie das EEG auf.<ol><li>Stellen Sie den EEG-Verstärker mit der EEG-Aufnahmesoftware ein, indem Sie auf Arbeitsbereich bearbeiten klicken und das Signal mit einem .1\u2012100 Hz-Bandpassfilter und einer Abtastrate von 500 Hz für alle Probanden erfassen.</li>
		<li>Starten Sie die EEG-Aufzeichnung.</li>
		<li>Starten Sie die Quellabrufphase und stellen Sie sicher, dass die Zeitstempel der Quellabrufaufgabe in der EEG-Aufzeichnung angezeigt werden.</li>
	</ol></li>
	<li>Sobald das Subjekt die Aufgabe zur Entnahme der Quelle abgeschlossen hat, reinigen Sie die EEG-Kappe und die Elektroden mit entionisiertem Wasser und Desinfektionsmittel.</li>
	<li>Verarbeiten und analysieren Sie die EEG-Daten.<ol><li>Hochpassfilter der Daten bei 1 Hz und Tiefpassfilterung bei 100 Hz.</li>
		<li>Identifizieren und interpolieren Sie fehlerhafte Kanäle mithilfe der umgebenden Kanäle50.</li>
		<li>Rereferenzierung der Daten auf eine durchschnittliche Referenz51.</li>
		<li>Segmentieren Sie die Daten relativ zum Beginn jedes Zeitstempels von der Quellabrufaufgabe und subtrahieren Sie einen Basiszeitraum vor dem Stimulus.</li>
		<li>Identifizieren und entfernen Sie Artefakte in den EEG-Daten wie Augenblinzeln und Augenbewegungsartefakte. Erkennen und Ablehnen von Versuchen mit großen Artefakten (Spannungsschwankungen von über 1.000 μV oder Daten 5 Standardabweichungen über der Norm). Rekonstruktion des EEG nach Durchführung einer unabhängigen Komponentenanalyse (ICA)52 und Identifizierung und Entfernung von Rauschkomponenten53.</li>
		<li>Konvertieren Sie die EEG-Daten in den Zeit-Frequenz-Bereich über 100 logarithmisch verteilte Frequenzen von 3 Hz bis 125 Hz mithilfe einer Morlet-Wavelet-Transformation, wobei das Wavelet von 3 Zyklen bei 3 Hz auf 25 Zyklen bei 125 Hz ansteigt.</li>
		<li>Vergleichen Sie die Theta-Power relativ zur Basislinie vor dem Stimulus in den experimentellen Achtsamkeitsmeditations- und Wartelisten-Kontrollgruppen über experimentelle Sitzungen vor und nach dem Training in rechten frontalen und linken parietalen Kanälen, die Effekte während des Quellenabrufs zeigen54,55,56,57. Alle Analysen sollten für Mehrfachvergleiche kontrolliert werden. HINWEIS: Die EEG-Daten können mit öffentlich verfügbarer Software für die Signalverarbeitung wie EEGLab58 verarbeitet und analysiert werden. EEGLab-Trainingsworkshops und Tutorials sind über das Swartz Center for Computational Neuroscience (https://sccn.ucsd.edu/eeglab/index.php) verfügbar.</li>
	</ol></li>
</ol>5. Achtsamkeitsmeditation Training
<ol><li>Stellen Sie einen Achtsamkeitsmeditationslehrer ein, der in der Mindfulness Based Stress Reduction (MBSR) -Technik59 ausgebildet ist. HINWEIS: Instruktoren, die in der MBSR-Technik geschult sind, finden Sie online (z. B. https://www.brown.edu/public-health/mindfulness/programs/mbsr-teacher-recognition).</li>
	<li>Lassen Sie die 20 Probanden der experimentellen Achtsamkeitsmeditationsgruppe vier Wochen lang jede Woche eine Stunde lang als Gruppe mit dem Achtsamkeitsmeditationslehrer zusammentreffen. HINWEIS: Der Standard-MBSR-Kurs dauert acht Wochen und beinhaltet Atembewusstsein, Sitzmeditation, Yoga und Entspannungstechniken. Das Achtsamkeitsmeditationstraining sollte Aspekte des Standard-MBSR-Kurses wie Atembewusstsein und Sitzmeditation umfassen (siehe Zusatzdatei 3). Diese Praktiken, die sich auf die Fokussierung von Aufmerksamkeit und exekutiver Funktion beziehen, tragen am ehesten zum episodischen Gedächtnis bei.</li>
	<li>Lassen Sie die Probanden jeden Tag mindestens 20 Minuten lang Achtsamkeitsmeditation üben, indem Sie eine geführte Atembewusstseinsmeditationsaufzeichnung verwenden, die vom Achtsamkeitsmeditationslehrer zur Verfügung gestellt wird.</li>
	<li>Verfolgen Sie die tägliche Achtsamkeitsmeditationspraxis, indem Sie die Probanden fragen, wie viele Minuten sie Achtsamkeitsmeditation praktiziert haben, was sie während ihrer Meditation getan haben und wie die Praxis für sie durch tägliche E-Mail-Umfragen verlief (siehe Materialtabelle). HINWEIS: Forscher sollten erwägen, Probanden auszuschließen, die nicht viel Zeit damit verbringen, Achtsamkeitsmeditation zu praktizieren.</li>
	<li>Planen Sie die experimentelle Sitzung nach dem Training so schnell wie möglich nach Abschluss des Achtsamkeitsmeditationstrainings. HINWEIS: Forscher sollten in Betracht ziehen, Probanden auszuschließen, die nicht in der Lage sind, die experimentelle Sitzung nach dem Training kurz nach Abschluss des Achtsamkeitsmeditationstrainings abzuschließen. Bitte wenden Sie sich an Experten der kognitiven Neurowissenschaften, die die EEG-Technik für randomisierte kontrollierte Experimente verwenden, um weitere Informationen zu erhalten.</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Das aktuelle Protokoll lieferte den ersten Beweis dafür, dass Achtsamkeitsmeditation das Quellgedächtnis und die Theta-Oszillationen erhöhen kann. Durch die Kombination von Training in Achtsamkeitsmeditation mit Verhaltens- und neuronalen Maßnahmen sind wir besser in der Lage, die Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis und seine neuronalen Korrelate zu verstehen.
Obwohl frühere Forschungen die Verhaltenseffekte der Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis 17,18,19,20 und die neuronalen Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation 1,21,22,23,24,25,26,27,28,29 separat untersucht haben, ,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45 hat keine Studie Verhalten und EEG während des episodischen Gedächtnisses kombiniert. Darüber hinaus haben frühere Forschungen zur Achtsamkeitsmeditation oft erfahrene Meditierendeuntersucht 1,17,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,32,33,35, 36,37,38,39,40,41,43,44 und riskiert daher eine Verzerrung der Selbstselektion. Durch die Verwendung eines longitudinalen Designs mit zufällig zugewiesener Achtsamkeitsmeditation und Wartelisten-Kontrollgruppen konnten wir Gruppenunterschiede besser kontrollieren. Schließlich haben frühere Forschungen zur Achtsamkeitsmeditation oft den vollständigen 8-wöchigen MBSR-Kurs verwendet, aber die aktuelle Studie zeigte signifikante Effekte mit nur 4-wöchigem Achtsamkeitsmeditationstraining.
Es gab eine Reihe wichtiger Schritte zur erfolgreichen Implementierung dieser Methoden. Erstens war die zufällige Zuordnung zur experimentellen Achtsamkeitsmeditations- oder Wartelisten-Kontrollgruppe entscheidend, um sicherzustellen, dass die Gruppen ungefähr gleich waren. Zweitens war es wichtig, das Achtsamkeitsmeditationstraining auf Aspekte des MBSR-Kurses zu konzentrieren, die sich auf die Fokussierung von Aufmerksamkeit und exekutiven Funktionen (z. B. Atembewusstsein) beziehen, da diese am ehesten zum episodischen Gedächtnis beitragen. Drittens war es wichtig, dass die Probanden viel Zeit damit verbringen, Achtsamkeitsmeditation zu praktizieren und die Zeit, die sie jeden Tag meditieren, genau zu berichten. Viertens war es wichtig, die Zeit zwischen experimentellen Sitzungen vor und nach dem Training zwischen den experimentellen Achtsamkeitsmeditations- und Wartelistenkontrollgruppen gleichzusetzen, um das Timing zu kontrollieren und die experimentelle Sitzung nach dem Training so schnell wie möglich nach dem Achtsamkeitsmeditationstraining zu planen, damit sich die Auswirkungen des Achtsamkeitsmeditationstrainings vor dem Test nicht auflösen. Fünftens ist es wahrscheinlich, dass Achtsamkeitsmeditation das episodische Gedächtnis beeinflusst, indem sie die Aufmerksamkeit und die exekutive Funktion erhöht. Daher war es wichtig, eine episodische Gedächtnisaufgabe zu verwenden, die eine exekutive Funktion wie das Quellgedächtnis erfordert. Schließlich ist es wichtig, qualitativ hochwertige EEG-Daten zu erhalten, die frei von Artefakten sind.
Obwohl diese Methode Vorteile gegenüber bestehenden Methoden hatte, sollten einige Einschränkungen beachtet werden. Die Wirkung der Achtsamkeitsmeditation auf das Quellgedächtnis war schwach. Dies könnte auf die Verwendung von Probanden zurückzuführen sein, die gesunde junge Erwachsene mit guter Gedächtnisleistung waren, oder auf die begrenzte Zeit, die die Probanden mit Achtsamkeitsmeditation verbrachten. Das 4-wöchige Achtsamkeitsmeditationstraining war kürzer als der standardmäßige 8-wöchige MBSR-Kurs und im Durchschnitt gaben die Probanden nicht an, jeden Tag die vollen 20 Minuten mit Achtsamkeitsmeditation zu verbringen. Darüber hinaus gab es keine aktive Kontrollgruppe, so dass unklar ist, wie Achtsamkeitsmeditation im Vergleich zu anderen Behandlungen bei der Steigerung des Quellgedächtnisses oder der Theta-Oszillationen abschneidet. Schließlich trennen die hier verwendeten EEG-Analysemethoden nicht den Beitrag der periodischen Schwingleistung von der aperiodischen 1/f nicht-oszillierenden Leistung, was die Interpretation der Ergebnisse beeinflussen kann. Daher sollte zukünftige Forschung die Verwendung von Probanden mit schwächerer Gedächtnisfähigkeit, die Durchführung des vollständigen 8-wöchigen MBSR-Kurses, die Verwendung einer aktiven Kontrollbedingung und die Verwendung neu entwickelter Analysemethoden in Betracht ziehen, die oszillierende und 1/f nicht-oszillierende Aktivität trennen61.
Daher waren die aktuellen Methoden erfolgreich bei der Kombination von Verhalten und EEG, um die Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis zu untersuchen. Zukünftige Forschung sollte diese Methoden verwenden, um Achtsamkeitsmeditation mit anderen Behandlungen zu vergleichen, von denen gezeigt wurde, dass sie das episodische Gedächtnis verbessern und die Struktur und Funktion des Gehirns verändern. Darüber hinaus sollte zukünftige Forschung Verhaltens- und neuronale Maßnahmen kombinieren, um die Auswirkungen von Achtsamkeitsmeditation auf andere Facetten der Kognition zu untersuchen. Durch die Kombination von Verhaltens- und neuronalen Maßnahmen und den Vergleich von Achtsamkeitsmeditation mit alternativen Behandlungen werden wir besser in der Lage sein, die vielversprechendsten Behandlungen für die kognitive Verbesserung zu bestimmen.

In letzter Zeit gab es Interesse an Achtsamkeitsmeditation zur Behandlung von Symptomen psychischer Erkrankungen und zur Verbesserung der Kognition, aber es gibt noch viel zu tun, um die Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf die kognitive Funktion zu verstehen. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Achtsamkeitsmeditation Symptome von Stress, Depressionen, generalisierten Angststörungen, Süchten, Aufmerksamkeitsdefizitsyndrom und Schmerzstörungen reduzieren kann 1,2,3,4,5,6,7,8,9, sowie Aufmerksamkeit und exekutive Funktion erhöhen kann 2,3,4 ,5,6,7,10,11,12,13,14,15,16.
Trotz des Interesses an den Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf die Kognition wurde wenig Forschung über die Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis betrieben17. Angesichts des Beitrags von Aufmerksamkeit und exekutiver Funktion zur episodischen Kodierung und zum Abrufen sollte die Achtsamkeitsmeditation auch das episodische Gedächtnis erhöhen. Einige neuere Verhaltensstudien haben gezeigt, dass Achtsamkeitstraining die Erinnerung an das Erkennungsgedächtnis18,19 und das freie Erinnern20 erhöht.
Zusätzlich zu den Verhaltenseffekten der Achtsamkeitsmeditation auf die Kognition haben frühere Forschungen die Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf das Gehirn untersucht. Es hat sich gezeigt, dass Achtsamkeitsmeditation sowohl die Struktur als auch die Funktion des Gehirns verändert. Wichtig ist, dass Achtsamkeitsmeditation nachweislich die Struktur und Funktion des Gehirns in Netzwerken verändert, die mit dem episodischen Gedächtnis zusammenhängen21,22,23; spezifisch Erhöhung des Volumens und der Aktivität der grauen Substanz im präfrontalen Kortex 1,24,25,26,27,28,29,30,31,32 und im Hippocampus 25,27,28,33,34,35 ,36,37 sowie Erhöhung der Theta (4\u20128 Hz) Leistung und Kohärenz1,36,38,39,40,41,42,43,44,45.
Daher haben frühere Forschungen die Verhaltenseffekte der Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis 17,18,19,20 und die neuronalen Wirkungen der Achtsamkeitsmeditation 1,21,22,23,24,25,26,27,28,29 separat untersucht. ,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45 . Um die Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis und seine neuronalen Korrelate zu verstehen, ist es wichtig, sowohl das Verhalten als auch die Gehirnaktivität während des episodischen Gedächtnisses zu messen. Eine Methode zur Untersuchung der neuronalen Korrelate des episodischen Gedächtnisses ist die Elektroenzephalographie (EEG). Hier beschreiben wir eine Methode, um Achtsamkeitsmeditationstraining mit einer episodischen Gedächtnisaufgabe während der EEG-Messung zu kombinieren. Durch die Kombination von Training in Achtsamkeitsmeditation mit Verhaltens- und neuronalen Messungen des episodischen Gedächtnisses können wir die Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf die kognitive Funktion besser verstehen.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:572px;" width="573">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">BrainVision actiCHamp</td>
			<td style="width:71px;">Brain Products GmbH, Gilching, Germany</td>
			<td style="width:119px;">BP-09020</td>
			<td style="width:167px;">64-channel EEG system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">BrainVision Recorder</td>
			<td>Brain Products GmbH, Gilching, Germany</td>
			<td>BP-00020</td>
			<td>EEG recording software for EEG data acquisition</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">E-Prime 2.0 Professional</td>
			<td>Psychology Software Tools, Inc., Sharpsburg, PA</td>
			<td style="width:119px;">PST-100577</td>
			<td>Software designed for behavioral research that can interface with the EEG recording</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Qualtrics</td>
			<td style="width:71px;">Qualtrics, Provo, UT</td>
			<td style="width:119px;">Core XM</td>
			<td>Survey tool</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

combining behavior and eeg to study the effects of mindfulness meditation on episodic memory

Obwohl es in letzter Zeit Interesse daran gab, wie Achtsamkeitsmeditation das episodische Gedächtnis sowie die Struktur und Funktion des Gehirns beeinflussen kann, hat keine Studie die Verhaltens- und neuronalen Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis untersucht. Hier präsentieren wir ein Protokoll, das Achtsamkeitsmeditationstraining, eine episodische Gedächtnisaufgabe und EEG kombiniert, um zu untersuchen, wie Achtsamkeitsmeditation die Verhaltensleistung und die neuronalen Korrelate des episodischen Gedächtnisses verändert. Probanden in einer experimentellen Achtsamkeitsmeditationsgruppe wurden mit einer Wartelisten-Kontrollgruppe verglichen. Die Probanden der experimentellen Gruppe für Achtsamkeitsmeditation verbrachten vier Wochen damit, Achtsamkeitsmeditation zu trainieren und zu praktizieren. Die Achtsamkeit wurde vor und nach dem Training mit dem Five Facet Mindfulness Questionnaire (FFMQ) gemessen. Das episodische Gedächtnis wurde vor und nach dem Training mit einer Quellenerkennungsaufgabe gemessen. Während der Abrufphase der Quellenerkennungsaufgabe wurde das EEG aufgezeichnet. Die Ergebnisse zeigten, dass Achtsamkeit, Quellenerkennung Verhaltensleistung und EEG-Theta-Power in rechten frontalen und linken Parietalkanälen nach Achtsamkeitsmeditationstraining zunahmen. Darüber hinaus korrelierte die Zunahme der Achtsamkeit mit einer Zunahme der Theta-Kraft in den rechten Frontalkanälen. Daher zeigen die Ergebnisse aus der Kombination von Achtsamkeitsmeditationstraining, einer episodischen Gedächtnisaufgabe und EEG die verhaltensbezogenen und neuronalen Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis.

Repräsentative Ergebnisse werden für 40 meditationsnaive, rechtshändige, fließend englischsprachige Probanden berichtet (10 männliche und 10 weibliche Probanden im Alter von 18 bis 22 Jahren in der Achtsamkeitsmeditations-Experimentalgruppe und 7 männliche und 13 weibliche Probanden im Alter von 18 bis 22 Jahren in der Wartelisten-Kontrollgruppe). Verhaltens- und EEG-Daten wurden unter Verwendung einer gemischten Varianzanalyse (ANOVA) analysiert, wobei experimentelle Achtsamkeitsmeditations- und Wartelisten-Kontrollgruppen (experimentell, Kontrolle) über die Zeit (vor dem Training, nach dem Training) verglichen wurden. Alle Post-hoc-Tests wurden für Mehrfachvergleiche korrigiert.
Achtsamkeitsfragebögen Zunächst wurde in der Analyse bewertet, ob das Achtsamkeitsmeditationstraining erfolgreich war. Die Probanden verbrachten viel Zeit damit, Achtsamkeitsmeditation zu praktizieren, und ihre Achtsamkeit nahm zu, gemessen am FFMQ. Insbesondere gab es eine Wechselwirkung zwischen Gruppe und Zeit für FFMQ Total (F(1,38) = 11,15, = 67,67, p <. 01) und eine marginale Interaktion zwischen Gruppe und Zeit für FFMQ Describe (F(1,38) = 3,35, = 12,26, p = .08) und Nonjudge (F(1,38) = 3,87, = 15,37, p = .06) Skalen. Die Werte stiegen von vor dem Training bis nach dem Training für die FFMQ Total (F(1,19) = 15,60, = 63,34, p < .01), Describe (F(1,19) = 6,36, = 8,44, p = .02) und Nonjudge (F(1,19) = 10,12, = 8,60, p < .01) Skalen für die Achtsamkeitsmeditations-Experimentalgruppe, während sich die Wartelisten-Kontrollgruppe nicht änderte (siehe Tabelle 1).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td></td>
			<td colspan="2">Experimentell</td>
			<td colspan="2">Steuerung</td>
		</tr><tr><td></td>
			<td>Vorschulung</td>
			<td>Nach dem Training</td>
			<td>Vorschulung</td>
			<td>Nach dem Training</td>
		</tr><tr><td>Gesamt</td>
			<td>128.13 (2.38)</td>
			<td>138.07 (3.24)</td>
			<td>123.59 (4.19)</td>
			<td>121.25 (4.77)</td>
		</tr><tr><td>Beobachten</td>
			<td>26.98 (1.16)</td>
			<td>28.70 (1.00)</td>
			<td>23.83 (1.14)</td>
			<td>23.70 (1.26)</td>
		</tr><tr><td>Beschreiben</td>
			<td>29.5 (1.36)</td>
			<td>31.82 (.99)</td>
			<td>27.10 (1.25)</td>
			<td>26.55 (1.26)</td>
		</tr><tr><td>Bewusstsein</td>
			<td>25.25 (1.06)</td>
			<td>26.95 (1.12)</td>
			<td>25.27 (.94)</td>
			<td>24.05 (1.28)</td>
		</tr><tr><td>Nichtrichter</td>
			<td>24.65 (1.26)</td>
			<td>27.60 (1.40)</td>
			<td>27.50 (1.42)</td>
			<td>27.00 (2.05)</td>
		</tr><tr><td>Nicht reaaktiv</td>
			<td>21.75 (.99)</td>
			<td>23.00 (1.08)</td>
			<td>19.90 (1.09)</td>
			<td>19.95 (1.16)</td>
		</tr></tbody></table>Tabelle 1: Daten des Five Facet Mindfulness Questionnaire . FFMQ Total sowie Observe, Describe, Awareness, Nonjudge und Nonreactive Scores für die experimentelle Achtsamkeitsmeditation und die Wartelisten-Kontrollgruppe für das Pre-Training im Vergleich zur experimentellen Sitzung nach dem Training. Mittelwerte mit Standardfehlern in Klammern werden angezeigt. Diese Tabelle wurde von Nyhus et al.60 modifiziert.
Episodisches Gedächtnis Zweitens untersuchte die Analyse die Wirkung von Achtsamkeitsmeditation auf die Verhaltensleistung der episodischen Gedächtnisaufgabe. Das Achtsamkeitsmeditationstraining führte zu einem Anstieg des Quellgedächtnisses, gemessen an der Quellendiskriminierung (Quelle d'). Obwohl es keine Interaktion zwischen Gruppe und Zeit gab (F(1,38) = 1,16, = .12, p = .29), zeigten paarweise Vergleiche, dass die Quellendiskriminierung von vor dem Training bis nach dem Training für die Achtsamkeitsmeditations-Experimentalgruppe zunahm (F(1,19)=10,53, =.12, p<.01), nicht aber für die Wartelisten-Kontrollgruppe (siehe Tabelle 2). 
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td></td>
			<td></td>
			<td colspan="2">Experimentell</td>
			<td colspan="2">Steuerung</td>
		</tr><tr><td></td>
			<td>Zustand</td>
			<td>Vorschulung</td>
			<td>Nach dem Training</td>
			<td>Vorschulung</td>
			<td>Nach dem Training</td>
		</tr><tr><td>Schlagen</td>
			<td>Korrekte Quelle platzieren</td>
			<td>.66 (.02)</td>
			<td>.67 (.03)</td>
			<td>.71 (.03)</td>
			<td>.69 (.02)</td>
		</tr><tr><td></td>
			<td>Angenehm korrekte Quelle</td>
			<td>.61 (.03)</td>
			<td>.72 (.03)</td>
			<td>.64 (.05)</td>
			<td>.74 (.03)</td>
		</tr><tr><td>FA</td>
			<td>Falsche Quelle eingeben</td>
			<td>.34 (.02)</td>
			<td>.33 (.03)</td>
			<td>.29 (.03</td>
			<td>.31 (.02)</td>
		</tr><tr><td></td>
			<td>Angenehm falsche Quelle</td>
			<td>.39 (.03)</td>
			<td>.28 (.03)</td>
			<td>.36 (.05)</td>
			<td>.26 (.03)</td>
		</tr><tr><td>Quelle d'</td>
			<td></td>
			<td>.70 (.11)</td>
			<td>1.06 (.12)</td>
			<td>1.04 (.17)</td>
			<td>1.23 (.14)</td>
		</tr><tr><td>Quelle c</td>
			<td></td>
			<td>-.06 (.05)</td>
			<td>.07 (.05)</td>
			<td>-.12 (.12)</td>
			<td>.10 (.07)</td>
		</tr></tbody></table>Tabelle 2: Quellverhaltensdaten. Trefferquote, Fehlalarmrate, Quellendiskriminierung (Quelle d') und Antwortverbias (Quelle c) für die experimentelle Achtsamkeitsmeditation und die Wartelisten-Kontrollgruppe für das Pre-Training im Vergleich zur experimentellen Sitzung nach dem Training. Mittelwerte mit Standardfehlern in Klammern werden angezeigt. Diese Tabelle wurde von Nyhus et al.60 modifiziert.
EEG-Ergebnisse Drittens untersuchte die EEG-Analyse die Wirkung von Achtsamkeitsmeditation auf ein neuronales Korrelat des episodischen Gedächtnisses. Insbesondere wurde die Thetaleistung in rechten frontalen und linken Parietalkanälen von 1000 bis 1500 ms untersucht, da diese Effekte bei mehreren Quellenabrufaufgaben 54,55,56,57 gefunden wurden. Für die linken Parietalkanäle interagierte die Gruppe mit der Zeit (F(1,37) = 9,52, = .92, p < .01). Die Theta-Power stieg von Pre-Training bis Post-Training für die Achtsamkeitsmeditations-Experimentalgruppe (F(1,19) = 17,37, = .23, S< .01), nicht aber für die Wartelisten-Kontrollgruppe (siehe Abbildung 5).
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61247/61247fig5.jpg"> Abbildung 5: Wirkung der Achtsamkeitsmeditation auf die Theta-Kraft. Theta-Power für die experimentelle Achtsamkeitsmeditation und die Wartelisten-Kontrollgruppe für das Pre-Training im Vergleich zur experimentellen Sitzung nach dem Training. (A) Zeit-Frequenz-Spektrogramme über Zeiten und Frequenzen in einem rechten Frontalkanal. (B) Zeit-Frequenz-Spektrogramme über Zeiten und Frequenzen in einem linken Parietalkanal. (C) Theta-Leistung über alle Kanäle von 1000-1500 ms und Unterschiede von vor dem Training bis nach dem Training.<ins cite="mailto:Author"></ins> (C) Schwarze * markierte Kanäle in rechten frontalen und linken parietalen Regionen. Farbskala: Dezibeländerung von der Ausgangslinie vor dem Stimulus und dem p-Wert der Unterschiede vor dem Training zu den Unterschieden nach dem Training. Diese Zahl wurde von Nyhus et al.60 modifiziert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61247/61247fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Schließlich wurde die Korrelation zwischen Veränderungen der Achtsamkeit und Veränderungen der episodischen Gedächtnisverhaltensleistung und des EEG in der experimentellen Gruppe für Achtsamkeitsmeditation untersucht. Es gab eine positive Korrelation zwischen einem Anstieg der FFMQ-Beschreibungswerte von vor dem Training bis nach dem Training und dem Anstieg der EEG-Theta-Leistung von vor dem Training bis nach dem Training in rechten frontalen Kanälen (r = .72, n = 20, p < .01, zweiseitig, Bonferrroni korrigiert; siehe Abbildung 6).
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61247/61247fig6.jpg"> Abbildung 6: Korrelation zwischen Änderungen der FFMQ- und Theta-Leistung. Korrelation zwischen dem durchschnittlichen Unterschied in der Theta-Power zwischen Pre-Training und Post-Training für Treffer und korrekte Abweisungen in rechten frontalen Kanälen und dem Unterschied in FFMQ Describe Scores zwischen Pre-Training und Post-Training. Diese Zahl wurde von Nyhus et al.60 modifiziert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61247/61247fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Ergänzende Datei 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61247/Supplemental_File_1-FFMQ.pdf" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>
Ergänzende Datei 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61247/Supplemental_File_2_Stims.xlsx" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>
Ergänzende Datei 3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61247/Supplemental_File_3_BowdoinResearchOutline.docx" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>

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Combining Behavior and EEG to Study the Effects of Mindfulness Meditation on Episodic Memory

Hier präsentieren wir ein Protokoll zur Kombination von Achtsamkeitsmeditationstraining, einer episodischen Gedächtnisaufgabe und EEG, um die verhaltensbezogenen und neuronalen Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis zu verstehen.

Kombination von Verhalten und EEG, um die Auswirkungen von Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis zu untersuchen

Although there has been recent interest in how mindfulness meditation can affect episodic memory as well as brain structure and function, no study has ...

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

6.9K Aufrufe.  Bowdoin College. Hier präsentieren wir ein Protokoll zur Kombination von Achtsamkeitsmeditationstraining, einer episodischen Gedächtnisaufgabe und EEG, um die verhaltensbezogenen und neuronalen Auswirkungen der Achtsamkeitsmeditation auf das episodische Gedächtnis zu verstehen.

Serie: Combining Behavior and EEG to Study the Effects of Mindfulness Meditation on Episodic Memory

State-Dependency Effects on TMS:  A Look at Motive Phosphene Behavior

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive neurostimulatory and neuromodulatory technique that can transiently or lastingly modulate cortical excitability (either increasing or decreasing it) via the application of localized magnetic field pulses.1,2 Within the field of TMS, the term state dependency refers to the initial, baseline condition of the particular neural region targeted for stimulation. As can be inferred, the effects of TMS can (and do) vary according to this primary susceptibility and responsiveness of the targeted cortical area.3,4,5

In this experiment, we will examine this concept of state dependency through the elicitation and subjective experience of motive phosphenes. Phosphenes are visually perceived flashes of small lights triggered by electromagnetic pulses to the visual cortex. These small lights can assume varied characteristics depending upon which type of visual cortex is being stimulated. In this particular study, we will be targeting motive phosphenes as elicited through the stimulation of V1/V2 and the V5/MT+ complex visual regions.6

In this article, we examine the effects of visually relevant state dependency on TMS induced motive phosphenic presentations.

State-Dependency Auswirkungen auf TMS: Ein Blick auf Motive Phosphene Behavior

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive neurostimulatory and neuromodulatory technique that can transiently or lastingly modulate ...

Forschung

Neurowissenschaften

Vibrodissociation of Neurons from Rodent Brain Slices to Study Synaptic Transmission and Image Presynaptic Terminals

Mechanical dissociation of neurons from the central nervous system has the advantage that presynaptic boutons remain attached to the isolated neuron of interest. This allows for examination of synaptic transmission under conditions where the extracellular and postsynaptic intracellular environments can be well controlled. A vibration-based technique without the use of proteases, known as vibrodissociation, is the most popular technique for mechanical isolation. A micropipette, with the tip fire-polished to the shape of a small ball, is placed into a brain slice made from a P1-P21 rodent. The micropipette is vibrated parallel to the slice surface and lowered through the slice thickness resulting in the liberation of isolated neurons. The isolated neurons are ready for study within a few minutes of vibrodissociation. This technique has advantages over the use of primary neuronal cultures, brain slices and enzymatically isolated neurons including: rapid production of viable, relatively mature neurons suitable for electrophysiological and imaging studies; superior control of the extracellular environment free from the influence of neighboring cells; suitability for well-controlled pharmacological experiments using rapid drug application and total cell superfusion; and improved space-clamp in whole-cell recordings relative to neurons in slice or cell culture preparations. This preparation can be used to examine synaptic physiology, pharmacology, modulation and plasticity. Real-time imaging of both pre- and postsynaptic elements in the living cells and boutons is also possible using vibrodissociated neurons. Characterization of the molecular constituents of pre- and postsynaptic elements can also be achieved with immunological and imaging-based approaches.

This report demonstrates a technique for mechanical isolation of individual viable neurons retaining attached presynaptic boutons. Vibrodissociated neurons have the advantages of rapid production, excellent pharmacological control and improved space-clamp without influence from neighboring cells. This method can be used for imaging of synaptic elements and patch-clamp recording.

Vibrodissociation von Neuronen aus Nager Hirnschnitten zu Study Synaptic Transmission and Image präsynaptischen

Mechanical dissociation of neurons from the central nervous system has the advantage that presynaptic boutons remain attached to the isolated neuron of ...

Modeling Neural Immune Signaling of Episodic and Chronic Migraine Using Spreading Depression In Vitro

Migraine and its transformation to chronic migraine are healthcare burdens in need of improved treatment options. We seek to define how neural immune signaling modulates the susceptibility to migraine, modeled in vitro using spreading depression (SD), as a means to develop novel therapeutic targets for episodic and chronic migraine. SD is the likely cause of migraine aura and migraine pain. It is a paroxysmal loss of neuronal function triggered by initially increased neuronal activity, which slowly propagates within susceptible brain regions. Normal brain function is exquisitely sensitive to, and relies on, coincident low-level immune signaling. Thus, neural immune signaling likely affects electrical activity of SD, and therefore migraine. Pain perception studies of SD in whole animals are fraught with difficulties, but whole animals are well suited to examine systems biology aspects of migraine since SD activates trigeminal nociceptive pathways. However, whole animal studies alone cannot be used to decipher the cellular and neural circuit mechanisms of SD. Instead, in vitro preparations where environmental conditions can be controlled are necessary. Here, it is important to recognize limitations of acute slices and distinct advantages of hippocampal slice cultures. Acute brain slices cannot reveal subtle changes in immune signaling since preparing the slices alone triggers: pro-inflammatory changes that last days, epileptiform behavior due to high levels of oxygen tension needed to vitalize the slices, and irreversible cell injury at anoxic slice centers. 
In contrast, we examine immune signaling in mature hippocampal slice cultures since the cultures closely parallel their in vivo counterpart with mature trisynaptic function; show quiescent astrocytes, microglia, and cytokine levels; and SD is easily induced in an unanesthetized preparation. Furthermore, the slices are long-lived and SD can be induced on consecutive days without injury, making this preparation the sole means to-date capable of modeling the neuroimmune consequences of chronic SD, and thus perhaps chronic migraine. We use electrophysiological techniques and non-invasive imaging to measure neuronal cell and circuit functions coincident with SD. Neural immune gene expression variables are measured with qPCR screening, qPCR arrays, and, importantly, use of cDNA preamplification for detection of ultra-low level targets such as interferon-gamma using whole, regional, or specific cell enhanced (via laser dissection microscopy) sampling. Cytokine cascade signaling is further assessed with multiplexed phosphoprotein related targets with gene expression and phosphoprotein changes confirmed via cell-specific immunostaining. Pharmacological and siRNA strategies are used to mimic and modulate SD immune signaling.

Modeling Neural Immune Signaling of Episodic and Chronic Migraine Using Spreading Depression In Vitro

Migraine and its transformation to chronic migraine are immense healthcare burdens in need of improved treatment options. We seek to define how neural immune signaling modulates the susceptibility to migraine, modeled in vitro using spreading depression in hippocampal slice cultures, as a means to develop novel therapeutic targets.

Modeling Neural Immune Signalisierung von episodischen und chronischen Migräne mit Spreading Depression In Vitro</em

Migraine and its transformation to chronic migraine are healthcare burdens in need of improved treatment options.  We seek to define how neural immune ...

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution has been a long sought tool for neuroscientists in the systems-level search for the neural circuitry governing complex behavioral states. Optogenetics is a cutting-edge tool that is revolutionizing the field of neuroscience and represents one of the first systematic approaches to enable causal testing regarding the relation between neural signaling events and behavior. By combining optical and genetic approaches, neural signaling can be bi-directionally controlled through expression of light-sensitive ion channels (opsins) in mammalian cells. The current protocol describes delivery of specific wavelengths of light to opsin-expressing cells in deep brain structures of awake, freely-moving rodents for neural circuit modulation. Theoretical principles of light transmission as an experimental consideration are discussed in the context of performing in vivo optogenetic stimulation. The protocol details the design and construction of both simple and complex laser configurations and describes tethering strategies to permit simultaneous stimulation of multiple animals for high-throughput behavioral testing.

In vivo Optogenetic Stimulation of the Rodent Central Nervous System

Optogenetics has become a powerful tool for use in behavioral neuroscience experiments. This protocol offers a step-by-step guide to the design and set-up of laser systems, and provides a full protocol for carrying out multiple and simultaneous in vivo optogenetic stimulations compatible with most rodent behavioral testing paradigms.

In vivo optogenetische Stimulation des Nager Central Nervous System

The ability to probe defined neural circuits in awake, freely-moving animals with cell-type specificity, spatial precision, and high temporal resolution ...

Using Linear Agarose Channels to Study Drosophila Larval Crawling Behavior

Drosophila larval crawling is emerging as a powerful model to study neural control of sensorimotor behavior. However, larval crawling behavior on flat open surfaces is complex,&#160;including: pausing, turning, and meandering. This complexity in the repertoire of movement hinders detailed analysis of the events occurring during a single crawl stride cycle. To overcome this obstacle, linear agarose channels were made that constrain larval behavior to straight, sustained, rhythmic crawling. In principle, because agarose channels and the Drosophila larval body are both optically clear, the movement of larval structures labeled by genetically-encoded fluorescent probes can be monitored in intact, freely-moving larvae. In the past, larvae were placed in linear channels and crawling at the level of whole organism, segment, and muscle were analyzed1. In the future, larvae crawling in channels can be used for calcium imaging to monitor neuronal activity. Moreover, these methods can be used with larvae of any genotype and with any researcher-designed channel. Thus the protocol presented below is widely applicable for studies using the Drosophila larva as a model to understand motor control.

Using Linear Agarose Channels to Study Drosophila Larval Crawling Behavior

The Drosophila larva is a powerful model system to study neural control of behavior. This publication describes the use of linear agarose channels to elicit sustained bouts of linear crawling and methods to quantify the dynamics of larval structures during repetitive crawling behavior.

Linear Agarose Kanäle zu studieren<em&gt; Drosophila</em&gt; Larval Krabbeln Verhalten

Drosophila larval crawling is emerging as a powerful model to study neural control of sensorimotor behavior. However, larval crawling behavior on flat ...

Time-dependent Increase in the Network Response to the Stimulation of Neuronal Cell Cultures on Micro-electrode Arrays

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network dynamics in neuronal cultures. In contrast with more traditional methods, such as patch-clamping, which can only record activity from a single cell, MEAs can record simultaneously from multiple sites in a network, without requiring the arduous task of placing each electrode individually. Moreover, numerous control and stimulation configurations can be easily applied within the same experimental setup, allowing for a broad range of dynamics to be explored. One of the key dynamics of interest in these in vitro studies has been the extent to which cultured networks display properties indicative of learning. Mouse neuronal cells cultured on MEAs display an increase in response following training induced by electrical stimulation. This protocol demonstrates how to culture neuronal cells on MEAs; successfully record from over 95% of the plated dishes; establish a protocol to train the networks to respond to patterns of stimulation; and sort, plot, and interpret the results from such experiments. The use of a proprietary system for stimulating and recording neuronal cultures is demonstrated. Software packages are also used to sort neuronal units. A custom-designed graphical user interface is used to visualize post-stimulus time histograms, inter-burst intervals, and burst duration, as well as to compare the cellular response to stimulation before and after a training protocol. Finally, representative results and future directions of this research effort are discussed.

Mouse neuronal cells cultured on multi-electrode arrays display an increase in response following electrical stimulation. This protocol demonstrates how to culture neurons, how to record activity, and how to establish a protocol to train the networks to respond to patterns of stimulation.

Zeitabhängige Erhöhung der Netzwerkreaktion auf die Stimulation von neuronalen Zellkulturen auf Mikroelektroden-Arrays

Micro-electrode arrays (MEAs) can be used to investigate drug toxicity, design paradigms for next-generation personalized medicine, and study network ...

Combining Optogenetics with Artificial microRNAs to Characterize the Effects of Gene Knockdown on Presynaptic Function within Intact Neuronal Circuits

The purpose of this protocol is to characterize the effect of gene knockdown on presynaptic function within intact neuronal circuits. We describe a workflow on how to combine artificial microRNA (miR)-mediated RNA interference with optogenetics to achieve selective stimulation of manipulated presynaptic boutons in acute brain slices. The experimental approach involves the use of a single viral construct and a single neuron-specific promoter to drive the expression of both an optogenetic probe and artificial miR(s) against presynaptic gene(s). When stereotactically injected in the brain region of interest, the expressed construct makes it possible to stimulate with light exclusively the neurons with reduced expression of the gene(s) under investigation. This strategy does not require the development and maintenance of genetically modified mouse lines and can in principle be applied to other organisms and to any neuronal gene of choice. We have recently applied it to investigate how the knockdown of alternative splice isoforms of presynaptic P/Q-type voltage-gated calcium channels (VGCCs) regulates short-term synaptic plasticity at CA3 to CA1 excitatory synapses in acute hippocampal slices. A similar approach could also be used to manipulate and probe the neuronal circuitry in vivo.

This protocol provides a workflow on how to combine artificial microRNA-mediated RNA interference with optogenetics to stimulate specifically presynaptic boutons with reduced expression of selective gene(s) within intact neuronal circuits.

Kombination von Optogenetik mit künstlichen Mikro-RNAs, die Effekte gen Knockdown präsynaptischen Funktion innerhalb intakte neuronale Schaltkreise zu charakterisieren

The purpose of this protocol is to characterize the effect of gene knockdown on presynaptic function within intact neuronal circuits. We describe a ...

Noninvasive EEG Recordings from Freely Moving Piglets

The method allows the recording of high-quality electroencephalograms (EEGs) from freely moving piglets directly in the pigpen. We use a one-channel telemetric electroencephalography system in combination with standard self-adhesive hydrogel electrodes. The piglets are calmed down without the use of sedatives. After their release into the pigpen, the piglets behave normally&#8212;they drink and sleep in the same cycle as their siblings. Their sleep phases are used for the EEG recordings.

Here, we present a protocol to record telemetric electroencephalograms (EEGs) from freely moving piglets directly in the pigpen without the use of a sedative, making it possible to record typical EEG patterns during non-REM sleep, like spindle bursts.

Nicht-invasive EEG-Ableitungen von frei beweglichen Ferkel

The method allows the recording of high-quality electroencephalograms (EEGs) from freely moving piglets directly in the pigpen. We use a one-channel ...

Generation of 3-D Collagen-based Hydrogels to Analyze Axonal Growth and Behavior During Nervous System Development

This protocol uses natural type I collagen to generate three-dimensional (3-D) hydrogel for monitoring and analyzing the axonal growth. The protocol is centered on culturing small pieces of embryonic or early postnatal rodent brains inside a 3-D hydrogel formed by the rat tail tendon-derived type I collagen with specific porosity. Tissue pieces are cultured inside the hydrogel and confronted to specific brain fragments or genetically-modified cell aggregates to produce and secrete molecules suitable for creating a gradient inside the porous matrix. The steps of this protocol are simple and reproducible but include critical steps to be considered carefully during its development. Moreover, the behavior of growing axons can be monitored and analyzed directly using a phase-contrast microscope or mono/multiphoton fluorescence microscope after fixation by immunocytochemical methods.

Here, we provide a method for analyzing the behavior of growing axons in 3D matrices, mimicking their natural development.

Generation von 3-D-Kollagen-basierten Hydrogelen zur Analyse des axonalen Wachstums und Verhaltens während der Entwicklung des Nervensystems

This protocol uses natural type I collagen to generate three-dimensional (3-D) hydrogel for monitoring and analyzing the axonal growth. The protocol is ...

Measuring Neural Mechanisms Underlying Sleep-Dependent Memory Consolidation During Naps in Early Childhood

Sleep is critical for daily functioning. One important function of sleep is the consolidation of memories, a process that makes them stronger and less vulnerable to interference. The neural mechanisms underlying the benefit of sleep for memory can be investigated using polysomnography (PSG). PSG is a combination of physiological recordings including signals from the brain (EEG), eyes (EOG), and muscles (EMG) that are used to classify sleep stages. In this protocol, we describe how PSG can be used in conjunction with behavioral memory assessments, actigraphy, and parent-report to examine sleep-dependent memory consolidation. The focus of this protocol is on early childhood, a period of significance as children transition from biphasic sleep (consisting of a nap and overnight sleep) to monophasic sleep (overnight sleep only). The effects of sleep on memory performance are measured using a visuospatial memory assessment across periods of sleep and wakeful-rest. A combination of actigraphy and parent report is used to assess sleep rhythms (i.e., characterizing children as habitual or non-habitual nappers). Finally, PSG is used to characterize sleep stages and qualities of those stages (such as frequencies and the presence of spindles) during naps. The advantage of using PSG is that it is the only tool currently available to assess sleep quality and sleep architecture, pointing to the relevant brain state that supports memory consolidation. The main limitations of PSG are the length of time it takes to prepare the recording montage and that recordings are typically taken over one sleep bought. These limitations can be overcome by engaging young participants in distracting tasks during application and combining PSG with actigraphy and self/parent-report measures to characterize sleep cycles. Together, this unique combination of methods allows for investigations into how naps support learning in preschool children.

This protocol describes methods used to examine neural mechanisms underlying sleep-dependent memory consolidation during naps in early childhood. It includes procedures for examining the effect of sleep on behavioral memory performance, as well as the application and recording of both polysomnography and actigraphy.

Messung neuronaler Mechanismen, die der schlafabhängigen Gedächtniskonsolidierung während der Naps in der frühen Kindheit zugrunde liegen

Sleep is critical for daily functioning. One important function of sleep is the consolidation of memories, a process that makes them stronger and less ...