Během spánku interagují hipokampus a neokortex způsoby, které jsou zásadní pro tvorbu paměti

Během spánku interagují hipokampus a neokortex způsoby, které jsou zásadní pro tvorbu paměti

Neurovědkyně z Penna Anna Schapiro a kolegové pomocí modelu neuronové sítě zjistili, že hippocampus a neokortex interagují způsoby, které jsou zásadní pro tvorbu paměti, když se tělo pohybuje mezi REM a pomalými vlnami spánku.

Jakou roli hrají fáze spánku při utváření vzpomínek? „Dlouho jsme věděli, že k užitečnému učení dochází během spánku,“ říká neurovědkyně Anna Schapiro z Pensylvánské univerzity. "Nové zážitky zakódujete, když jste vzhůru, usnete, a když se probudíte, vaše paměť se nějak změnila."

Jak přesně se ale nové zážitky během spánku zpracovávají, zůstalo do značné míry záhadou. Pomocí výpočetního modelu neuronové sítě, který vytvořili, Schapiro, Penn Ph.D. Student Dhairyya Singh a Kenneth Norman z Princetonské univerzity nyní mají nový pohled na tento proces.

Ve výzkumu publikovaném v Proceedings of the National Academy of Sciences ukazují, že hippocampus učí neokortex tomu, co se naučil, když mozek cykluje pomalými vlnami a spánkem s rychlým pohybem očí (REM), což se děje asi pětkrát za noc, aby přeměnil nové, prchavé informace na trvalé vzpomínky.

Nejde jen o model učení v lokálních okruzích v mozku. Tímto způsobem může jedna oblast mozku učit jinou oblast mozku během spánku, v době, kdy neexistuje žádné vedení z vnějšího světa. Je to také návrh, jak se ladně učíme v průběhu času, když se naše prostředí mění.“

Anna Schapiro, odborná asistentka na Pennově katedře psychologie

Obecně řečeno, Schapiro studuje učení a paměť u lidí, zejména to, jak lidé získávají a upevňují nové informace. Dlouho věřila, že zde hraje roli spánek, což ona a její tým testovali v laboratoři tím, že zaznamenávali, co se děje v mozcích účastníků, když spí.

Její tým také staví modely neuronových sítí pro simulaci funkcí učení a paměti. Schapiro a jeho kolegové speciálně pro tuto práci vytvořili model neuronové sítě sestávající z hipokampu, mozkového centra pro nové vzpomínky, které má za úkol učit se každodenním epizodickým informacím světa, a neokortexu, který je zodpovědný za aspekty, jako je poznávání na úrovni jazyka a trvalejší ukládání paměti. Během simulovaného spánku mohou vědci pozorovat a zaznamenávat, které simulované neurony vystřelují v těchto dvou oblastech, a poté analyzovat tyto vzorce aktivity.

Tým provedl několik simulací spánku pomocí algoritmu učení inspirovaného mozkem, který vyvinuli. Simulace ukázaly, že během pomalého spánku si mozek většinou vybavuje nedávné události a data, řízená hipokampem, a během REM spánku většinou opakuje to, co se stalo předtím, řízeno ukládáním paměti v neokortikálních oblastech.

Elektronická kniha o neurovědách

Kompilace top rozhovorů, článků a novinek za poslední rok. Stáhněte si kopii ještě dnes

„Jak se dvě mozkové oblasti propojují během non-REM spánku, hipokampus ve skutečnosti učí neokortex,“ říká Singh, student druhého ročníku v Schapirově laboratoři. "Potom se během REM neokortex reaktivuje a může opakovat to, co již zná," čímž se data uloží do dlouhodobé paměti.

Přepínání mezi dvěma fázemi spánku je také důležité, říká. "Když neokortex nemá šanci odrážet své vlastní informace, vidíme, že informace jsou přepsány. Věříme, že musíte mít střídavý REM a non-REM spánek, aby došlo k silné tvorbě paměti."

Výsledky jsou v souladu s tím, co je v oboru známo, i když aspekty modelu jsou stále teoretické. „Ještě to musíme otestovat,“ říká Schapiro. "Jedním z našich dalších kroků bude provedení experimentů, abychom pochopili, zda REM spánek skutečně přináší staré vzpomínky a jaký dopad to může mít na integraci nových informací do vašich stávajících znalostí."

Vzhledem k tomu, že současné simulace byly založeny na typickém zdravém nočním spánku dospělého, nemusí nutně generalizovat na jiné typy dospělých nebo méně vynikající spánkové návyky. Nenabízejí také žádný pohled na to, co se děje s dětmi, které vyžadují jiné množství a typy očního kontaktu než dospělí. Schapiro říká, že vidí velký potenciál, aby její modelka odpověděla na některé z těchto otevřených otázek. „S nástrojem, jako je tento, se můžete vydat mnoha směry, zejména proto, že architektura spánku se mění v průběhu života a napříč různými nemocemi a my můžeme tyto změny simulovat v modelu,“ říká.

Z dlouhodobého hlediska by lepší pochopení úlohy fází spánku v paměti mohlo pomoci při léčbě psychiatrických a neurologických poruch, jejichž symptomem jsou deficity spánku. Singh říká, že by to mohlo mít důsledky pro hluboké učení a umělou inteligenci. „Náš biologicky inspirovaný algoritmus by mohl poskytnout nové směry pro výkonnější offline zpracování paměti v systémech AI,“ říká. Tato práce proof-of-concept, která spojuje spánek a formování paměti, přivádí pole o krok blíže k těmto cílům.

Zdroj:

University of Pennsylvania

Odkaz:

Singh, D., a kol. (2022) Model autonomních interakcí mezi hipokampem a neokortexem, který řídí spánkovou konsolidaci paměti. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.