Κατά τη διάρκεια του ύπνου, ο ιππόκαμπος και ο νεοφλοιός αλληλεπιδρούν με τρόπους που είναι κρίσιμοι για το σχηματισμό της μνήμης

Κατά τη διάρκεια του ύπνου, ο ιππόκαμπος και ο νεοφλοιός αλληλεπιδρούν με τρόπους που είναι κρίσιμοι για το σχηματισμό της μνήμης

Χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο νευρωνικού δικτύου, η νευροεπιστήμονας του Penn Anna Schapiro και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι ο ιππόκαμπος και ο νεοφλοιός αλληλεπιδρούν με τρόπους που είναι κρίσιμοι για το σχηματισμό της μνήμης καθώς το σώμα κινείται μεταξύ των κύκλων ύπνου REM και βραδέων κυμάτων.

Τι ρόλο παίζουν τα στάδια του ύπνου στη διαμόρφωση των αναμνήσεων; «Γνωρίζουμε από καιρό ότι η χρήσιμη μάθηση συμβαίνει κατά τη διάρκεια του ύπνου», λέει η νευροεπιστήμονας Anna Schapiro από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. «Κωδικοποιείς νέες εμπειρίες ενώ είσαι ξύπνιος, κοιμάσαι και όταν ξυπνάς η μνήμη σου έχει αλλάξει κάπως».

Αλλά το πώς ακριβώς επεξεργάζονται οι νέες εμπειρίες κατά τη διάρκεια του ύπνου παρέμεινε σε μεγάλο βαθμό ένα μυστήριο. Χρησιμοποιώντας ένα υπολογιστικό μοντέλο νευρωνικών δικτύων που κατασκεύασαν, ο Schapiro, Penn Ph.D. Ο φοιτητής Dhairyya Singh και ο Kenneth Norman από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον έχουν τώρα νέες ιδέες για τη διαδικασία.

Σε έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences, δείχνουν ότι ο ιππόκαμπος διδάσκει στον νεοφλοιό αυτό που έχει μάθει καθώς ο εγκέφαλος κυκλώνει μέσω του ύπνου αργών κυμάτων και γρήγορης κίνησης των ματιών (REM), που συμβαίνει περίπου πέντε φορές τη νύχτα, για να μετατρέψει νέες, φευγαλέες πληροφορίες σε μόνιμες αναμνήσεις.

Αυτό δεν είναι απλώς ένα μοντέλο μάθησης σε τοπικά κυκλώματα στον εγκέφαλο. Με αυτόν τον τρόπο, μια περιοχή του εγκεφάλου μπορεί να διδάξει μια άλλη περιοχή του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια του ύπνου, τη στιγμή που δεν υπάρχει καθοδήγηση από τον έξω κόσμο. Είναι επίσης μια πρόταση για το πώς μαθαίνουμε με χάρη με την πάροδο του χρόνου καθώς αλλάζει το περιβάλλον μας».

Anna Schapiro, επίκουρη καθηγήτρια στο Penn’s Department of Psychology

Σε γενικές γραμμές, ο Schapiro μελετά τη μάθηση και τη μνήμη στους ανθρώπους, ιδιαίτερα πώς οι άνθρωποι αποκτούν και ενοποιούν νέες πληροφορίες. Από καιρό πίστευε ότι ο ύπνος παίζει ρόλο εδώ, κάτι που η ίδια και η ομάδα της δοκίμασαν σε ένα εργαστήριο καταγράφοντας τι συμβαίνει στον εγκέφαλο των συμμετεχόντων ενώ κοιμούνται.

Η ομάδα της κατασκευάζει επίσης μοντέλα νευρωνικών δικτύων για την προσομοίωση λειτουργιών μάθησης και μνήμης. Ειδικά για αυτήν την εργασία, ο Schapiro και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν ένα μοντέλο νευρωνικού δικτύου που αποτελείται από έναν ιππόκαμπο, το κέντρο του εγκεφάλου για νέες αναμνήσεις, που έχει ως αποστολή να μαθαίνει τις καθημερινές, επεισοδιακές πληροφορίες του κόσμου και τον νεοφλοιό, ο οποίος είναι υπεύθυνος για πτυχές όπως η γνώση σε επίπεδο γλώσσας και η πιο μόνιμη αποθήκευση της μνήμης. Κατά τη διάρκεια του προσομοιωμένου ύπνου, οι ερευνητές μπορούν να παρατηρήσουν και να καταγράψουν ποιοι προσομοιωμένοι νευρώνες πυροδοτούνται σε αυτές τις δύο περιοχές και στη συνέχεια να αναλύσουν αυτά τα μοτίβα δραστηριότητας.

Η ομάδα πραγματοποίησε πολλές προσομοιώσεις ύπνου χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο εκμάθησης εμπνευσμένο από τον εγκέφαλο που ανέπτυξε. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι κατά τη διάρκεια του ύπνου αργών κυμάτων ο εγκέφαλος ανακαλεί ως επί το πλείστον πρόσφατα γεγονότα και δεδομένα, καθοδηγούμενο από τον ιππόκαμπο, και κατά τη διάρκεια του ύπνου REM επαναλαμβάνει κυρίως αυτό που συνέβη πριν, καθοδηγούμενο από την αποθήκευση μνήμης στις νεοφλοιώδεις περιοχές.

Ηλεκτρονικό βιβλίο νευροεπιστήμης

Συγκέντρωση των κορυφαίων συνεντεύξεων, άρθρων και ειδήσεων του περασμένου έτους. Κάντε λήψη ενός αντιγράφου σήμερα

«Καθώς οι δύο περιοχές του εγκεφάλου συνδέονται κατά τη διάρκεια του ύπνου non-REM, ο ιππόκαμπος διδάσκει πραγματικά τον νεοφλοιό», λέει ο Singh, δευτεροετής μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Schapiro. «Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια του REM, ο νεοφλοιός επανενεργοποιείται και μπορεί να επαναλάβει αυτό που ήδη γνωρίζει», δεσμεύοντας έτσι τα δεδομένα στη μακροπρόθεσμη μνήμη.

Η εναλλαγή μεταξύ των δύο φάσεων ύπνου είναι επίσης σημαντική, λέει. "Όταν ο νεοφλοιός δεν έχει την ευκαιρία να αντικατοπτρίσει τις δικές του πληροφορίες, βλέπουμε ότι οι πληροφορίες εκεί αντικαθίστανται. Πιστεύουμε ότι πρέπει να έχετε εναλλασσόμενο ύπνο REM και μη REM για να δημιουργηθεί ισχυρή μνήμη."

Τα αποτελέσματα είναι συνεπή με όσα είναι γνωστά στο πεδίο, αν και πτυχές του μοντέλου εξακολουθούν να είναι θεωρητικές. «Πρέπει ακόμα να το δοκιμάσουμε», λέει ο Schapiro. «Ένα από τα επόμενα βήματά μας θα είναι να διεξάγουμε πειράματα για να καταλάβουμε εάν ο ύπνος REM όντως επαναφέρει παλιές αναμνήσεις και τι αντίκτυπο μπορεί να έχει αυτό στην ενσωμάτωση νέων πληροφοριών στις υπάρχουσες γνώσεις σας».

Επειδή οι τρέχουσες προσομοιώσεις βασίστηκαν στον τυπικό υγιεινό νυχτερινό ύπνο ενός ενήλικα, δεν γενικεύονται απαραίτητα σε άλλους τύπους ενηλίκων ή σε λιγότερο εξαιρετικές συνήθειες ύπνου. Επίσης, δεν προσφέρουν καμία εικόνα για το τι συμβαίνει στα παιδιά, τα οποία χρειάζονται διαφορετικές ποσότητες και είδη οπτικής επαφής από τους ενήλικες. Η Schapiro λέει ότι βλέπει μεγάλες δυνατότητες για το μοντέλο της να απαντήσει σε μερικές από αυτές τις ανοιχτές ερωτήσεις. «Με ένα εργαλείο σαν αυτό μπορείτε να πάτε σε πολλές κατευθύνσεις, ειδικά επειδή η αρχιτεκτονική του ύπνου αλλάζει κατά τη διάρκεια της ζωής και σε διάφορες ασθένειες, και μπορούμε να προσομοιώσουμε αυτές τις αλλαγές στο μοντέλο», λέει.

Μακροπρόθεσμα, η καλύτερη κατανόηση του ρόλου των σταδίων ύπνου στη μνήμη θα μπορούσε να βοηθήσει στην ενημέρωση των θεραπειών για ψυχιατρικές και νευρολογικές διαταραχές των οποίων τα ελλείμματα ύπνου αποτελούν σύμπτωμα. Ο Singh λέει ότι θα μπορούσαν επίσης να υπάρξουν συνέπειες για τη βαθιά μάθηση και την τεχνητή νοημοσύνη. «Ο βιολογικά εμπνευσμένος αλγόριθμός μας θα μπορούσε να παρέχει νέες κατευθύνσεις για πιο ισχυρή επεξεργασία μνήμης εκτός σύνδεσης σε συστήματα τεχνητής νοημοσύνης», λέει. Αυτό το έργο απόδειξης της ιδέας που συνδέει τον ύπνο και το σχηματισμό μνήμης φέρνει το πεδίο ένα βήμα πιο κοντά σε αυτούς τους στόχους.

Πηγή:

Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια

Αναφορά:

Singh, D., et αϊ. (2022) Ένα μοντέλο αυτόνομων αλληλεπιδράσεων μεταξύ του ιππόκαμπου και του νεοφλοιού που οδηγεί την εδραίωση της μνήμης που εξαρτάται από τον ύπνο. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.