Sleep-Associated Consolidation of Episodic Memories in Old Age: The Challenge of Studying Cognitive and Cerebral Aging

Abstract

This dissertation pursues the objective to identify the neural mechanisms that drive the association between sleep and episodic memory consolidation across the adult lifespan. The inherent lifelong dynamics of brain and cognition provide an enormous potential to understand the neurobiological underpinnings of cognitive functions. Within this dissertation, aging is investigated as an illustrative period of cognitive and neural reorganization. Sleep-associated episodic memory consolidation is chosen as a model to illustrate methodological intricacies and highlight scientific gains that emerge when applying a lifespan perspective on cognitive neuroscience. This dissertation consists of four publications that offer a theoretical and empirical perspective on sleep-associated consolidation of episodic memories in old age. Paper I integrates the currently available literature on sleep, episodic memory, and aging, and links it to the active system consolidation account. Within this theoretical framework, we describe how, by the concerted interplay of brain rhythms during non-rapid eye movement (NREM) sleep, recently encoded memories become integrated into long-term storage sites in the neocortex. Joint age-related alterations in NREM sleep, brain structure, function, and neurochemistry are hypothesized to result in the formation of less persistent memory traces during sleep. Paper II argues that studying these changes in sleep physiology during aging requires the development of age-fair and individualized analytic procedures. Paper III complements this view by the use of an age-adapted associative memory task. The article highlights that variation in the encoding quality of memories can account for divergent effects of aging on overnight memory consolidation. Patterns of NREM sleep physiology and brain structure – identified as characteristic for advancing age by the use of multivariate statistical tools – were associated with age-related impairments in memory consolidation. However, I demonstrate that the mere occurrence of slow oscillations and spindles, indicative of NREM sleep and memory consolidation, does not explain inter-individual differences in memory consolidation. Following up on this notion, in Paper IV, I take the temporal coordination of slow oscillation and sleep spindles into account and show that their precise coupling disperses in old age. Across age groups, a precise coordination of slow oscillations and spindles was associated with better memory consolidation. Moreover, in older age, maintained structural integrity in sleep- and memory-relevant brain areas reinforced this beneficial slow oscillation–spindle coupling. Taken together, the findings of this dissertation suggest that prominent age-related changes in NREM sleep physiology may constitute a potential causal pathway for consolidation deficits observed in old age. In conjunction with structural brain atrophy, the generation and coordination of slow oscillation and spindles during NREM sleep is impacted, and the processes necessary to render stable episodic memories are impaired. Overall, this dissertation accomplishes two main goals: First, it reveals novel methodological avenues to derive and link age-fair and sensitive sleep and memory measures. Second, based on this, this dissertation enriches traditional views on sleep-associated memory consolidation and advances our understanding of memory aging, in general. Certainly, the application of an aging perspective to cognitive neuroscience challenges research theoretically, practically, and methodologically. I am confident that facing these challenges is worth the effort, as studying cognitive aging and its neural correlates holds exceptional scientific promise.

Hauptziel dieser Dissertation ist die Identifikation neuronaler Mechanismen, die den Zusammenhang zwischen Schlaf und der Konsolidierung episodischer Gedächtnisinhalte im Erwachsenenalter vermitteln. Die lebenslangen Dynamik von Gehirn und Kognition birgt ein einzigartiges Potential, neurobiologische Grundlagen kognitiver Funktionen zu verstehen. In dieser Dissertation wurde das Alter als beispielhafte Phase kognitiver und neuronaler Veränderungen untersucht. Gedächtniskonsolidierung wurde als Musterbeispiel gewählt, um die methodischen Herausforderungen und den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn zu veranschaulichen, die durch die Einnahme einer Lebensspannenperspektive in den kognitiven Neurowissenschaften entstehen. Diese Dissertation besteht aus vier Publikationen, die eine theoretische und empirische Sichtweise auf die Konsolidierung episodischer Gedächtnisinhalte im Alter bieten. Artikel I fasst die derzeitig verfügbare Literatur über Schlaf und episodisches Gedächtnis im Alter zusammen und setzt sie mit der Theorie der aktiven systemischen Konsolidierung in Verbindung. Im Rahmen dieser beschreiben wir, wie kürzlich Erlerntes durch das Zusammenspiel neuronaler Rhythmen im non-rapid eye movement (NREM) Schlaf in neokortikale Langzeitspeicher integriert wird. Es wird vermutet, dass altersbedingte Veränderungen im NREM-Schlaf, der Hirnstruktur und -funktion sowie der Neuromodulation zur Bildung weniger beständiger Gedächtnisspuren führen. Artikel II diskutiert, dass dem Alter angepasste und individualisierte Analyseansätze notwendig sind, um Alterungsprozesse des Schlafes zu untersuchen. Artikel III komplementiert diese Sichtweise indem er eine assoziative Gedächtnisaufgabe nutzt, die auf das Alter der Versuchsteilnehmer abgestimmt ist. Wir zeigen, dass Unterschiede in der Lernqualität von Gedächtnisinhalten verschiedenartige Alterseffekte in der nächtlichen Konsolidierung erklären können. Mittels multivariater statistischer Verfahren wurden bestimmte Muster der Schlafphysiologie und der Hirnstruktur als charakteristisch für zunehmendes Alter identifiziert und mit schlechterer Gedächtniskonsolidierung in Zusammenhang gebracht. Allerdings zeigte sich, dass das alleinige Auftreten langsamer Oszillationen und Spindeln, essentielle Elemente des NREM-Schlafes und der Konsolidierung, nicht ausschlaggebend für inter-individuelle Unterschiede in der Gedächtniskonsolidierung ist. Deswegen berücksichtige ich in Artikel IV das zeitliche Zusammenspiel langsamer Oszillationen und Spindeln und zeige, dass sich deren präzise Koordination im Alter verschiebt. Unabhängig vom Alter ist zu erkennen, dass eine präzise Koordination langsamer Oszillationen und Spindeln mit besserer Gedächtniskonsolidierung zusammenhängt. Darüber hinaus können ältere Menschen mit intakter Hirnstruktur in schlaf- und gedächtnisrelevanten Regionen dieses wirksame oszillatorische Kopplungsmuster aufrechterhalten. Insgesamt legt meine Dissertation nahe, dass starke altersbedingte Veränderungen in der Physiologie des NREM-Schlafes einen möglichen Erklärungsmechanismus für Defizite in der Gedächtniskonsolidierung darstellen. Durch strukturelle Hirnatrophie ist die Entstehung und Koordination langsamer Oszillationen und Schlafspindeln im NREM-Schlaf eingeschränkt und die erforderlichen Prozesse zum Festigen episodischer Gedächtnisinhalte beeinträchtigt. Insgesamt erreicht diese Dissertation zwei grundlegende Ziele: Sie zeigt neue methodische Wege auf, um altersangepasste und differenzierte Schlaf- und Gedächtnismaße abzuleiten und miteinander in Verbindung zu setzen. Darauf basierend bereichert diese Arbeit traditionelle Sichtweisen der Gedächtniskonsolidierung und -alterung. In der Altersforschung wird man zweifellos mit vielfältigen Herausforderungen konfrontiert. Ich bin jedoch sicher, dass man sich diesen theoretischen, praktischen und methodischen Hindernissen stellen sollte, denn die Untersuchung kognitiver und neuronaler Alterungsprozesse verspricht einen einmaligen wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn.