Under søvn interagerer hippocampus og neocortex på måder, der er kritiske for hukommelsesdannelse

Under søvn interagerer hippocampus og neocortex på måder, der er kritiske for hukommelsesdannelse

Ved hjælp af en neural netværksmodel fandt Penn neuroforsker Anna Schapiro og kolleger, at hippocampus og neocortex interagerer på måder, der er kritiske for hukommelsesdannelse, når kroppen bevæger sig mellem REM og slow-wave søvncyklusser.

Hvilken rolle spiller søvnstadier i dannelsen af ​​minder? "Vi har længe vidst, at nyttig læring sker under søvn," siger neuroforsker Anna Schapiro fra University of Pennsylvania. "Du indkoder nye oplevelser, mens du er vågen, du falder i søvn, og når du vågner, har din hukommelse på en eller anden måde ændret sig."

Men hvordan nye oplevelser præcist bearbejdes under søvnen, er stort set forblevet et mysterium. Ved hjælp af en neural netværks-beregningsmodel, de byggede, Schapiro, Penn Ph.D. Studerende Dhairyya Singh og Kenneth Norman fra Princeton University har nu ny indsigt i processen.

I forskning offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences viser de, at hippocampus lærer neocortex, hvad den har lært, mens hjernen cykler gennem slow-wave og rapid-eye movement (REM) søvn, som sker omkring fem gange om natten, for at konvertere ny, flygtig information til varige minder.

Dette er ikke kun en model for læring i lokale kredsløb i hjernen. På den måde kan en hjerneregion undervise en anden hjerneregion under søvn, på et tidspunkt hvor der ikke er nogen vejledning fra omverdenen. Det er også et forslag til, hvordan vi lærer yndefuldt over tid, efterhånden som vores miljø ændrer sig."

Anna Schapiro, adjunkt i Penns Institut for Psykologi

Generelt studerer Schapiro læring og hukommelse hos mennesker, især hvordan mennesker tilegner sig og konsoliderer ny information. Hun har længe troet, at søvn spiller en rolle her, noget hun og hendes team testede i et laboratorium ved at registrere, hvad der sker i deltagernes hjerner, mens de sover.

Hendes team bygger også neurale netværksmodeller for at simulere indlærings- og hukommelsesfunktioner. Specifikt til dette arbejde byggede Schapiro og kolleger en neural netværksmodel bestående af en hippocampus, hjernens center for nye erindringer, som har til opgave at lære verdens hverdagslige, episodiske informationer, og neocortex, som er ansvarlig for facetter såsom kognition på sprogniveau og mere permanent lagring af hukommelse. Under simuleret søvn kan forskere observere og registrere, hvilke simulerede neuroner der affyrer i disse to områder og derefter analysere disse aktivitetsmønstre.

Holdet udførte adskillige søvnsimuleringer ved hjælp af en hjerne-inspireret læringsalgoritme, de udviklede. Simuleringerne viste, at under slow-wave-søvn husker hjernen for det meste de seneste begivenheder og data, styret af hippocampus, og under REM-søvn gentager den for det meste, hvad der skete før, styret af hukommelseslagring i de neokortikale regioner.

Neurovidenskab e-bog

Samling af de bedste interviews, artikler og nyheder fra det sidste år. Download en kopi i dag

"Da de to hjerneregioner forbindes under ikke-REM-søvn, lærer hippocampus faktisk neocortex," siger Singh, en andenårs kandidatstuderende i Schapiros laboratorium. "Så, under REM, genaktiveres neocortex og kan gentage, hvad den allerede ved," og derved forpligter dataene til langtidshukommelsen.

At skifte mellem de to søvnfaser er også vigtigt, siger han. "Når neocortex ikke har en chance for at afspejle sin egen information, ser vi, at informationen der bliver overskrevet. Vi mener, at man skal have skiftevis REM- og non-REM-søvn, for at der kan opstå en stærk hukommelsesdannelse."

Resultaterne stemmer overens med det, der er kendt på området, selvom aspekter af modellen stadig er teoretiske. "Det skal vi stadig teste," siger Schapiro. "Et af vores næste skridt vil være at udføre eksperimenter for at forstå, om REM-søvn virkelig bringer gamle minder tilbage, og hvilken indflydelse dette kan have på at integrere ny information i din eksisterende viden."

Fordi de nuværende simuleringer var baseret på en typisk voksens sunde nattesøvn, generaliserer de ikke nødvendigvis til andre typer voksne eller mindre gode søvnvaner. De giver heller ingen indsigt i, hvad der sker med børn, som kræver andre mængder og former for øjenkontakt end voksne. Schapiro siger, at hun ser et stort potentiale for, at hendes model kan besvare nogle af disse åbne spørgsmål. "Med et værktøj som dette kan du gå i mange retninger, især fordi søvnarkitekturen ændrer sig over levetiden og på tværs af forskellige sygdomme, og vi kan simulere disse ændringer i modellen," siger hun.

På lang sigt kan en bedre forståelse af søvnstadiernes rolle i hukommelsen hjælpe med at informere behandlinger af psykiatriske og neurologiske lidelser, hvor søvnunderskud er et symptom. Singh siger, at der også kan være konsekvenser for dyb læring og kunstig intelligens. "Vores biologisk inspirerede algoritme kunne give nye retninger for mere kraftfuld offline-hukommelsesbehandling i AI-systemer," siger han. Dette proof-of-concept arbejde, der forbinder søvn og hukommelsesdannelse, bringer feltet et skridt tættere på disse mål.

Kilde:

University of Pennsylvania

Reference:

Singh, D., et al. (2022) En model for autonome interaktioner mellem hippocampus og neocortex, der driver søvnafhængig hukommelseskonsolidering. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.