Unen aikana hippokampus ja neokortex ovat vuorovaikutuksessa tavoilla, jotka ovat kriittisiä muistin muodostumiselle

Unen aikana hippokampus ja neokortex ovat vuorovaikutuksessa tavoilla, jotka ovat kriittisiä muistin muodostumiselle

Neuraaliverkkomallin avulla Pennin neurotieteilijä Anna Schapiro ja kollegat havaitsivat, että hippokampus ja neokorteksti ovat vuorovaikutuksessa tavoilla, jotka ovat kriittisiä muistin muodostumiselle, kun keho liikkuu REM- ja hitaan aallon unijaksojen välillä.

Mikä rooli univaiheilla on muistojen muodostumisessa? "Olemme tienneet pitkään, että hyödyllistä oppimista tapahtuu unen aikana", sanoo neurotieteilijä Anna Schapiro Pennsylvanian yliopistosta. "Koodaat uusia kokemuksia ollessasi hereillä, nukahdat ja herätessäsi muistisi on jotenkin muuttunut."

Mutta kuinka tarkalleen uudet kokemukset unen aikana käsitellään, on suurelta osin jäänyt mysteeriksi. Schapiro, Penn Ph.D. Princetonin yliopiston opiskelija Dhairyya Singh ja Kenneth Norman ovat nyt saaneet uusia näkemyksiä prosessista.

Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa he osoittavat, että hippokampus opettaa neokorteksille sen, mitä se on oppinut, kun aivot kiertävät hidasaallon ja nopean silmän liikkeen (REM) unta, joka tapahtuu noin viisi kertaa yössä, muuttaakseen uudenlaisen, ohikiitävän tiedon pysyviksi muistoiksi.

Tämä ei ole vain malli oppimisesta aivojen paikallisissa piireissä. Tällä tavalla yksi aivoalue voi opettaa toista aivoaluetta unen aikana, jolloin ulkomaailmasta ei ole ohjausta. Se on myös ehdotus siitä, kuinka opimme sulavasti ajan myötä ympäristömme muuttuessa."

Anna Schapiro, Pennin psykologian laitoksen apulaisprofessori

Yleisesti ottaen Schapiro tutkii ihmisten oppimista ja muistia, erityisesti sitä, miten ihmiset hankkivat ja yhdistävät uutta tietoa. Hän on pitkään uskonut, että unella on tässä rooli, mitä hän ja hänen tiiminsä testasivat laboratoriossa tallentamalla, mitä osallistujien aivoissa tapahtuu heidän nukkuessaan.

Hänen tiiminsä rakentaa myös hermoverkkomalleja oppimis- ja muistitoimintojen simuloimiseksi. Erityisesti tätä työtä varten Schapiro ja kollegat rakensivat hermoverkkomallin, joka koostuu hippokampuksesta, aivojen uusien muistojen keskuksesta, jonka tehtävänä on oppia maailman jokapäiväistä, episodista tietoa, ja neokorteksista, joka on vastuussa sellaisista puolista kuin kielitason kognitio ja pysyvämpi muistin tallennus. Simuloidun unen aikana tutkijat voivat tarkkailla ja tallentaa, mitkä simuloidut neuronit syttyvät näillä kahdella alueella, ja sitten analysoida näitä aktiivisuusmalleja.

Ryhmä suoritti useita unisimulaatioita käyttämällä aivojen inspiroimaa oppimisalgoritmia. Simulaatiot osoittivat, että hitaan aallon unen aikana aivot enimmäkseen muistavat viimeaikaisia ​​tapahtumia ja dataa hippokampuksen ohjaamana ja REM-unen aikana enimmäkseen toistavat aiemmin tapahtuneita neokortiksien alueiden muistin varastoinnin ohjaamana.

Neurotieteen e-kirja

Kokoelma viime vuoden huippuhaastatteluista, artikkeleista ja uutisista. Lataa kopio tänään

"Kun kaksi aivoaluetta yhdistyvät ei-REM-unen aikana, hippokampus itse asiassa opettaa neokorteksia", sanoo Singh, toisen vuoden jatko-opiskelija Schapiron laboratoriosta. "Sitten REM:n aikana neokortex aktivoituu uudelleen ja voi toistaa sen, mitä se jo tietää", sitoen näin tiedot pitkäaikaiseen muistiin.

Myös vaihtaminen kahden univaiheen välillä on tärkeää, hän sanoo. "Kun neokorteksilla ei ole mahdollisuutta heijastaa omaa informaatiotaan, näemme, että siellä oleva tieto on päällekirjoitettu. Uskomme, että tarvitset vuorotellen REM- ja ei-REM-uni, jotta voimakas muistin muodostuminen tapahtuu."

Tulokset ovat yhdenmukaisia ​​alan tiedossa, vaikka mallin näkökohdat ovat vielä teoreettisia. "Meidän on vielä testattava sitä", Schapiro sanoo. "Yksi seuraavista vaiheistamme on tehdä kokeita, jotta voimme ymmärtää, tuoko REM-uni todella vanhoja muistoja mieleen ja mikä vaikutus sillä voi olla uuden tiedon integroimiseen olemassa olevaan tietoon."

Koska nykyiset simulaatiot perustuivat tyypilliseen aikuisen terveelliseen yöuneen, ne eivät välttämättä yleisty muuntyyppisiin aikuisiin tai vähemmän erinomaisiin nukkumistottumuksiin. Ne eivät myöskään tarjoa käsitystä siitä, mitä tapahtuu lapsille, jotka tarvitsevat eri määriä ja erilaisia ​​katsekontakteja kuin aikuiset. Schapiro sanoo näkevänsä mallillaan suuren potentiaalin vastata joihinkin näihin avoimiin kysymyksiin. "Tällaisella työkalulla pääsee moniin suuntiin, varsinkin koska unen arkkitehtuuri muuttuu eliniän ja eri sairauksien aikana, ja voimme simuloida näitä muutoksia mallissa", hän sanoo.

Pitkällä aikavälillä parempi ymmärtäminen univaiheiden roolista muistissa voisi auttaa parantamaan psykiatristen ja neurologisten häiriöiden hoitoa, joista univaje on oire. Singh sanoo, että sillä voi olla myös vaikutuksia syvään oppimiseen ja tekoälyyn. "Biologisesti inspiroima algoritmimme voisi tarjota uusia ohjeita tehokkaampaan offline-muistin käsittelyyn tekoälyjärjestelmissä", hän sanoo. Tämä unen ja muistin muodostumisen yhdistävä konseptityö tuo alan askeleen lähemmäksi näitä tavoitteita.

Lähde:

Pennsylvanian yliopisto

Viite:

Singh, D., et ai. (2022) Hippokampuksen ja neokorteksin autonomisen vuorovaikutuksen malli, joka ohjaa unesta riippuvaa muistin konsolidaatiota. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.