Tijekom spavanja, hipokampus i neokorteks međusobno djeluju na načine koji su ključni za formiranje pamćenja

Tijekom spavanja, hipokampus i neokorteks međusobno djeluju na načine koji su ključni za formiranje pamćenja

Koristeći model neuronske mreže, neuroznanstvenica s Penna Anna Schapiro i kolege otkrili su da hipokampus i neokorteks međusobno djeluju na načine koji su ključni za formiranje pamćenja dok se tijelo kreće između REM faze i ciklusa sporovalnog sna.

Kakvu ulogu igraju faze spavanja u formiranju sjećanja? “Odavno znamo da se korisno učenje događa tijekom sna”, kaže neuroznanstvenica Anna Schapiro sa Sveučilišta Pennsylvania. "Kodirate nova iskustva dok ste budni, zaspite, a kad se probudite, vaše se sjećanje nekako promijenilo."

Ali kako se točno nova iskustva obrađuju tijekom spavanja uglavnom je ostala tajna. Koristeći računalni model neuronske mreže koji su izgradili, Schapiro, Penn Ph.D. Student Dhairyya Singh i Kenneth Norman sa Sveučilišta Princeton sada imaju nove uvide u proces.

U istraživanju objavljenom u Proceedings of the National Academy of Sciences, oni pokazuju da hipokampus podučava neokorteks onome što je naučio dok mozak kruži kroz spavanje s brzim valovima i brzim pokretima očiju (REM), što se događa oko pet puta noću, kako bi pretvorio nove, kratkotrajne informacije u trajna sjećanja.

Ovo nije samo model učenja u lokalnim krugovima u mozgu. Na taj način jedna regija mozga može poučavati drugu regiju mozga tijekom sna, u vrijeme kada nema vodstva iz vanjskog svijeta. To je također prijedlog kako graciozno učimo tijekom vremena kako se naše okruženje mijenja.”

Anna Schapiro, docentica na Pennovom odjelu za psihologiju

Općenito govoreći, Schapiro proučava učenje i pamćenje kod ljudi, posebice kako ljudi stječu i konsolidiraju nove informacije. Dugo je vjerovala da spavanje ovdje igra ulogu, nešto što su ona i njezin tim testirali u laboratoriju snimajući što se događa u mozgu sudionika dok spavaju.

Njezin tim također gradi modele neuronske mreže za simulaciju funkcija učenja i pamćenja. Posebno za ovaj rad, Schapiro i kolege izgradili su model neuronske mreže koji se sastoji od hipokampusa, moždanog centra za nova sjećanja, koji ima zadatak naučiti svakodnevne, epizodne informacije iz svijeta, i neokorteksa, koji je odgovoran za aspekte kao što su kognicija na razini jezika i trajnije pohranjivanje pamćenja. Tijekom simuliranog sna, istraživači mogu promatrati i bilježiti koji se simulirani neuroni aktiviraju u ova dva područja i zatim analizirati te obrasce aktivnosti.

Tim je proveo nekoliko simulacija spavanja koristeći algoritam učenja inspiriran mozgom koji su razvili. Simulacije su pokazale da se tijekom sporovalnog sna mozak uglavnom prisjeća nedavnih događaja i podataka, vođen hipokampusom, a tijekom REM spavanja uglavnom ponavlja ono što se dogodilo prije, vođen pohranom memorije u neokortikalnim regijama.

E-knjiga o neuroznanosti

Kompilacija najboljih intervjua, članaka i vijesti iz prošle godine. Preuzmite kopiju danas

"Kako se dvije regije mozga povezuju tijekom ne-REM faze spavanja, hipokampus zapravo podučava neokorteks", kaže Singh, student druge godine diplomskog studija u Schapirovom laboratoriju. "Tada, tijekom REM faze, neokorteks se reaktivira i može ponoviti ono što već zna", čime se podaci pohranjuju u dugoročno pamćenje.

Prebacivanje između dvije faze sna također je važno, kaže. "Kada neokorteks nema priliku reflektirati vlastite informacije, vidimo da su informacije tamo prebrisane. Vjerujemo da trebate imati naizmjenično REM i ne-REM spavanje kako bi došlo do snažnog formiranja pamćenja."

Rezultati su u skladu s onim što je poznato na terenu, iako su aspekti modela još uvijek teoretski. "To još uvijek moramo testirati", kaže Schapiro. "Jedan od naših sljedećih koraka bit će provođenje eksperimenata kako bismo shvatili vraća li REM spavanje doista stara sjećanja i kakav bi to utjecaj moglo imati na integraciju novih informacija u vaše postojeće znanje."

Budući da su se trenutne simulacije temeljile na tipičnom zdravom noćnom snu odrasle osobe, one se ne generaliziraju nužno na druge vrste odraslih osoba ili manje dobre navike spavanja. Također ne nude uvid u to što se događa s djecom, koja zahtijevaju različite količine i vrste kontakta očima od odraslih. Schapiro kaže da vidi veliki potencijal za svoj model da odgovori na neka od ovih otvorenih pitanja. "S ovakvim alatom možete ići u mnogim smjerovima, posebno zato što se arhitektura spavanja mijenja tijekom životnog vijeka i kod različitih bolesti, a mi možemo simulirati te promjene u modelu", kaže ona.

Dugoročno gledano, bolje razumijevanje uloge faza sna u pamćenju moglo bi pomoći u informiranju o liječenju psihijatrijskih i neuroloških poremećaja čiji su simptomi nedostaci sna. Singh kaže da bi moglo biti implikacija i za duboko učenje i umjetnu inteligenciju. "Naš biološki inspiriran algoritam mogao bi pružiti nove smjernice za moćniju offline obradu memorije u sustavima umjetne inteligencije", kaže on. Ovaj rad na dokazu koncepta koji povezuje spavanje i formiranje pamćenja dovodi polje korak bliže ovim ciljevima.

Izvor:

Sveučilište u Pennsylvaniji

Referenca:

Singh, D. i sur. (2022) Model autonomnih interakcija između hipokampusa i neokorteksa koji pokreće konsolidaciju pamćenja ovisno o spavanju. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.