Abstract

 Improvement in motor skill performance is known to continue for at least 24 hr following training, yet the relative contributions of time spent awake and asleep are unknown. Here we provide evidence that a night of sleep results in a 20% increase in motor speed without loss of accuracy, while an equivalent period of time during wake provides no significant benefit. Furthermore, a significant correlation exists between the improved performance overnight and the amount of stage 2 NREM sleep, particularly late in the night. This finding of sleep-dependent motor skill improvement may have important implications for the efficient learning of all skilled actions in humans.

Growing evidence suggests that sleep plays an important role in the process of procedural learning. Most recently, sleep has been implicated in the continued development of motor-skill learning following initial acquisition. However, the temporal evolution of motor learning before and after sleep, the effects of different training regimens, and the long-term development of motor learning across multiple nights of sleep remain unknown. Here, we report data for subjects trained and retested on a sequential finger-tapping task across multiple days. The findings demonstrate firstly that following initial training, small practice-dependent improvements are possible before, but not following the large practice-independent gains that develop across a night of sleep. Secondly, doubling the quantity of initial training does not alter the amount of subsequent sleep-dependent learning that develops overnight. Thirdly, the amount of sleep-dependent learning does not correlate with the amount of practice-dependent learning achieved during training, suggesting the existence of two discrete motor-learning processes. Finally, whereas the majority of sleep-dependent motor-skill learning develops during the first night of sleep following training, additional nights of sleep still offer continued improvements.

Abstract Sleep supports memory consolidation. However, it is not completely clear how different sleep stages contribute to this process. While rapid eye movement sleep (REM) has traditionally been implicated in the processing of emotionally charged material, recent studies indicate a role for slow wave sleep (SWS) in strengthening emotional memories. Here, to directly examine which sleep stage is primarily involved in emotional memory consolidation, we used targeted memory reactivation (TMR) in REM and SWS during a daytime nap. Contrary to our hypothesis, reactivation of emotional stimuli during REM led to impaired memory. Consistent with this, REM% was correlated with worse recall in the group that took a nap without TMR. Meanwhile, cueing benefit in SWS was strongly correlated with the product of times spent in REM and SWS (SWS-REM product), and reactivation significantly enhanced memory in those with high SWS-REM product. Surprisingly, SWS-REM product was associated with better memory for reactivated items and poorer memory for non-reactivated items, suggesting that sleep both preserved and eliminated emotional memories, depending on whether they were reactivated. Notably, the emotional valence of cued items modulated both sleep spindles and delta/theta power. Finally, we found that emotional memories benefited from TMR more than did neutral ones. Our results suggest that emotional memories decay during REM, unless they are reactivated during prior SWS. Furthermore, we show that active forgetting complements memory consolidation, and both take place across SWS and REM. In addition, our findings expand upon recent evidence indicating a link between sleep spindles and emotional processing.

During sleep, the hippocampus plays an active role in consolidating memories that depend on it for initial encoding. There are hints in the literature that the hippocampus may have a broader influence, contributing to the consolidation of memories that may not initially require the area. We tested this possibility by evaluating learning and consolidation of the motor sequence task (MST) in hippocampal amnesics and demographically matched control participants. While the groups showed similar initial learning, only controls exhibited evidence of sleep-dependent consolidation. These results demonstrate that the hippocampus can be required for normal consolidation of a task without being required for its acquisition, suggesting that the area plays a broader role in coordinating sleep-dependent memory consolidation than has previously been assumed.

Antibodies and helper T cells play important roles in SARS-CoV-2 infection and vaccination. We sequenced B- and T-cell receptor repertoires (BCR/TCR) from the blood of 251 infectees, vaccinees, and controls to investigate whether features of these repertoires could predict subjects9 SARS-CoV-2 neutralizing antibody titer (NAbs), as measured by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). We sequenced recombined immunoglobulin heavy-chain (IGH), TCRbeta (TRB), and TCRdelta (TRD) genes in parallel from all subjects, including select B- and T-cell subsets in most cases, with a focus on their hypervariable CDR3 regions, and correlated this AIRRseq data with demographics and clinical findings from subjects9 electronic health records. We found that age affected NAb levels in vaccinees but not infectees. Intriguingly, we found that vaccination, but not infection, has a substantial effect on non-productively recombined IGHs, suggesting a vaccine effect that precedes clonal selection. We found that repertoires9 binding capacity to known SARS-CoV-2-specific CD4+ TRBs performs as well as the best hand-tuned fuzzy matching at predicting a protective level of NAbs, while also being more robust to repertoire sample size and not requiring hand-tuning. The overall conclusion from this large, unbiased, clinically well annotated dataset is that B- and T-cell adaptive responses to SARS-CoV-2 infection and vaccination are surprising, subtle, and diffuse. We discuss methodological and statistical challenges faced in attempting to define and quantify such strong-but-diffuse repertoire signatures and present tools and strategies for addressing these challenges.

Previous research has shown that eye movements can serve as an indirect indicator of relational memory. The goal of the current research was to assess how eye movements coincide with different forms of spatial and associative memory. Young adults encoded object-scene combinations and were subsequently presented with repeated, novel, and manipulated scenes. The manipulated object-scene combinations included object additions and deletions (Experiment 1), a change in the location of the object within scenes (Experiment 2), or a change in object-scene combinations (Experiment 3). In Experiment 1, participants allocated more fixations to the critical region of a scene when a novel object was added to a scene versus previously presented within the scene; this effect could be supported by either item or relational memory. By contrast, participants did not preferentially view the region of the scene that an object previously occupied when objects were removed from the scene. For Experiments 2 and 3, participants allocated proportionally more fixations toward the critical region of manipulated than repeated scenes when the location of the object or object-scene combination was changed. These findings provide further support for eye movements reflecting relational memory and highlight the importance of data disaggregation for future studies of relational memory.