Sleep-dependent memory consolidation – What can be learnt from children?

Sleep promotes consolidation of emotional memory in healthy children but not in children with attention-deficit hyperactivity disorder

Fronto-limbic brain activity during sleep is believed to support the consolidation of emotional memories in healthy adults. Attention deficit-hyperactivity disorder (ADHD) is accompanied by emotional deficits coincidently caused by dysfunctional interplay of fronto-limbic circuits. This study aimed to examine the role of sleep in the consolidation of emotional memory in ADHD in the context of healthy development. 16 children with ADHD, 16 healthy children, and 20 healthy adults participated in this study. Participants completed an emotional picture recognition paradigm in sleep and wake control conditions. Each condition had an immediate (baseline) and delayed (target) retrieval session. The emotional memory bias was baseline–corrected, and groups were compared in terms of sleep-dependent memory consolidation (sleep vs. wake). We observed an increased sleep-dependent emotional memory bias in healthy children compared to children with ADHD and healthy adults. Frontal oscillatory EEG activity (slow oscillations, theta) during sleep correlated negatively with emotional memory performance in children with ADHD. When combining data of healthy children and adults, correlation coefficients were positive and differed from those in children with ADHD. Since children displayed a higher frontal EEG activity than adults these data indicate a decline in sleep-related consolidation of emotional memory in healthy development. In addition, it is suggested that deficits in sleep-related selection between emotional and non-emotional memories in ADHD exacerbate emotional problems during daytime as they are often reported in ADHD.

About sleep's role in memory

Over more than a century of research has established the fact that sleep benefits the retention of memory. In this review we aim to comprehensively cover the field of "sleep and memory" research by providing a historical perspective on concepts and a discussion of more recent key findings. Whereas initial theories posed a passive role for sleep enhancing memories by protecting them from interfering stimuli, current theories highlight an active role for sleep in which memories undergo a process of system consolidation during sleep. Whereas older research concentrated on the role of rapid-eye-movement (REM) sleep, recent work has revealed the importance of slow-wave sleep (SWS) for memory consolidation and also enlightened some of the underlying electrophysiological, neurochemical, and genetic mechanisms, as well as developmental aspects in these processes. Specifically, newer findings characterize sleep as a brain state optimizing memory consolidation, in opposition to the waking brain being optimized for encoding of memories. Consolidation originates from reactivation of recently encoded neuronal memory representations, which occur during SWS and transform respective representations for integration into long-term memory. Ensuing REM sleep may stabilize transformed memories. While elaborated with respect to hippocampus-dependent memories, the concept of an active redistribution of memory representations from networks serving as temporary store into long-term stores might hold also for non-hippocampus-dependent memory, and even for nonneuronal, i.e., immunological memories, giving rise to the idea that the offline consolidation of memory during sleep represents a principle of long-term memory formation established in quite different physiological systems.

The sleeping child outplays the adult's capacity to convert implicit into explicit knowledge

When sleep followed implicit training on a motor sequence, children showed greater gains in explicit sequence knowledge after sleep than adults. This greater explicit knowledge in children was linked to their higher sleep slow-wave activity and to stronger hippocampal activation at explicit knowledge retrieval. Our data indicate the superiority of children in extracting invariant features from complex environments, possibly as a result of enhanced reprocessing of hippocampal memory representations during slow-wave sleep.

Die Bedeutung von Schlaf und Schlafstörungen für Lernen und Gedächtnis bei Kindern – ein Überblick

Zusammenfassung: Schlafstörungen im Kindesalter sind weit verbreitet. Häufig wirken sich kindliche Schlafprobleme auf die kognitive Leistungsfähigkeit und damit auf die schulischen Leistungen aus. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine Übersicht über den Zusammenhang zwischen den Schlafparametern Nachtschlaf, Schlafdauer, Schlafeffizienz, Schlafqualität, Schlafprobleme sowie der kognitiven und schulischen Leistungsfähigkeit im Kindesalter (fünf bis 13 Jahre) zu geben. Einige der 25 gefundenen Studien konnten aufzeigen, dass der Nachtschlaf den Kindern das Lernen erleichtert. Dabei konnten Aufgaben, die keine tiefen Verarbeitungsprozesse benötigten, von Kindern mit Schlafeinbußen zumeist kompensiert werden, Aufgaben mit tieferen Verarbeitungsprozessen hingegen häufig nicht. Der Nachtschlaf scheint sich in diesem Alter vor allem auf die deklarative Gedächtnisleistung positiv auszuwirken. Demnach scheint die Gedächtniskonsolidierung während des Schlafs vom Typ des Lernmaterials abzuhängen. Eine zu kurze Schlafdauer, zu geringe Schlafeffizienz und das Vorhandensein von Schlafproblemen hängen überwiegend mit Einbußen bei kognitiven Lernprozessen im Kindesalter zusammen. Hingegen korrelierten subjektive Schlafqualität und Lernen nicht miteinander. Insgesamt existieren noch wenige Studien, die den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Schlafparametern und kognitiven Prozessen der Kinder untersuchen. Weitere systematische Studien sind daher sinnvoll und notwendig, die überdies beeinflussende Variablen, wie zum Beispiel elterliche Kontrolle, in die Betrachtung einbeziehen. Da Schlafstörungen bei Kindern eine Gefahr für die kognitive und schulische Entwicklung darstellen, sollten sie frühzeitig diagnostiziert werden. Daher sollten Eltern, Lehrer und alle in der Erziehung tätigen Praktiker über ein ausreichendes Wissen zu den Symptomen und Folgen schlechten Schlafs bei Kindern sowie über geeignete Präventions- und Interventionsmöglichkeiten verfügen. Gezielte Förderprogramme zur Verbesserung der schulischen und kognitiven Leistungen der Kinder könnten eingesetzt werden.