По време на сън хипокампусът и неокортексът си взаимодействат по начини, които са критични за формирането на паметта

По време на сън хипокампусът и неокортексът си взаимодействат по начини, които са критични за формирането на паметта

Използвайки модел на невронна мрежа, неврологът от Penn Anna Schapiro и колеги откриха, че хипокампусът и неокортексът си взаимодействат по начини, които са критични за формирането на паметта, докато тялото се движи между REM и циклите на бавни вълни на съня.

Каква роля играят етапите на съня при формирането на спомени? „Отдавна знаем, че полезното учене става по време на сън“, казва неврологът Анна Шапиро от Университета на Пенсилвания. „Кодираш нови преживявания, докато си буден, заспиваш и когато се събудиш, паметта ти някак си се е променила.“

Но как точно се обработват новите преживявания по време на сън до голяма степен остава загадка. Използвайки изчислителен модел на невронна мрежа, който те изградиха, Schapiro, Penn Ph.D. Студентът Dhairyya Singh и Kenneth Norman от Принстънския университет вече имат нови прозрения за процеса.

В изследване, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences, те показват, че хипокампусът учи неокортекса на това, което е научил, докато мозъкът преминава през сън с бавни вълни и бързо движение на очите (REM), което се случва около пет пъти на нощ, за да преобразува нова, мимолетна информация в трайни спомени.

Това не е просто модел на обучение в локални вериги в мозъка. По този начин една мозъчна област може да обучава друга мозъчна област по време на сън, във време, когато няма насоки от външния свят. Това също е предложение за това как да се учим грациозно с времето, когато нашата среда се променя.

Анна Шапиро, асистент в катедрата по психология на Пен

Най-общо казано, Шапиро изучава ученето и паметта при хората, особено как хората придобиват и консолидират нова информация. Тя отдавна вярва, че сънят играе роля тук, нещо, което тя и нейният екип тестваха в лаборатория, като записаха какво се случва в мозъците на участниците, докато спят.

Нейният екип също изгражда модели на невронни мрежи за симулиране на функциите на учене и памет. Специално за тази работа Шапиро и колегите му изградиха модел на невронна мрежа, състоящ се от хипокампус, мозъчен център за нови спомени, който има за задача да изучава ежедневната, епизодична информация от света, и неокортекс, който е отговорен за аспекти като познавателна способност на езиково ниво и по-трайно съхранение на паметта. По време на симулиран сън изследователите могат да наблюдават и записват кои симулирани неврони се задействат в тези две области и след това да анализират тези модели на активност.

Екипът проведе няколко симулации на сън, използвайки алгоритъм за обучение, вдъхновен от мозъка, който разработиха. Симулациите показаха, че по време на сън с бавни вълни мозъкът си спомня най-вече скорошни събития и данни, ръководени от хипокампуса, а по време на REM сън най-вече повтаря това, което се е случило преди, ръководено от съхранението на паметта в неокортикалните области.

Електронна книга по неврология

Компилация от най-добрите интервюта, статии и новини от последната година. Изтеглете копие днес

„Тъй като двете области на мозъка се свързват по време на не-REM сън, хипокампусът всъщност обучава неокортекса“, казва Сингх, студент втора година в лабораторията на Шапиро. „След това, по време на REM, неокортексът се реактивира и може да повтори това, което вече знае“, като по този начин записва данните в дългосрочната памет.

Превключването между двете фази на съня също е важно, казва той. „Когато неокортексът няма шанс да отрази собствената си информация, ние виждаме, че информацията там е презаписана. Вярваме, че трябва да имате редуващ се REM и не-REM сън, за да настъпи силна памет.“

Резултатите са в съответствие с това, което е известно в областта, въпреки че аспектите на модела са все още теоретични. „Все още трябва да тестваме това“, казва Шапиро. „Една от следващите ни стъпки ще бъде да проведем експерименти, за да разберем дали REM сънят наистина връща стари спомени и какво въздействие може да има това върху интегрирането на нова информация в съществуващите ви знания.“

Тъй като настоящите симулации се основават на типичен здравословен нощен сън на възрастен, те не се обобщават непременно за други видове възрастни или по-малко отлични навици за сън. Те също така не предлагат представа какво се случва с децата, които се нуждаят от различно количество и видове зрителен контакт от възрастните. Шапиро казва, че вижда голям потенциал за своя модел да отговори на някои от тези открити въпроси. „С инструмент като този можете да отидете в много посоки, особено защото архитектурата на съня се променя през целия живот и при различни заболявания и ние можем да симулираме тези промени в модела“, казва тя.

В дългосрочен план, по-доброто разбиране на ролята на етапите на съня в паметта може да помогне за информиране на лечението на психиатрични и неврологични разстройства, чийто дефицит на сън е симптом. Сингх казва, че може да има и последици за дълбокото обучение и изкуствения интелект. „Нашият биологично вдъхновен алгоритъм може да предостави нови насоки за по-мощна офлайн обработка на паметта в системи с изкуствен интелект“, казва той. Тази доказателствена работа, свързваща съня и формирането на паметта, приближава областта с една стъпка по-близо до тези цели.

източник:

Университет на Пенсилвания

Справка:

Singh, D., et al. (2022) Модел на автономни взаимодействия между хипокампуса и неокортекса, който задвижва зависима от съня консолидация на паметта. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.