Durante il sonno, l’ippocampo e la neocorteccia interagiscono in modi critici per la formazione della memoria

Durante il sonno, l’ippocampo e la neocorteccia interagiscono in modi critici per la formazione della memoria

Utilizzando un modello di rete neurale, la neuroscienziata Anna Schapiro e colleghi della Penn hanno scoperto che l'ippocampo e la neocorteccia interagiscono in modi critici per la formazione della memoria mentre il corpo si muove tra i cicli di sonno REM e quelli a onde lente.

Che ruolo giocano le fasi del sonno nella formazione dei ricordi? "Sappiamo da tempo che durante il sonno avviene un apprendimento utile", afferma la neuroscienziata Anna Schapiro dell'Università della Pennsylvania. "Codifichi nuove esperienze mentre sei sveglio, ti addormenti e quando ti svegli la tua memoria è in qualche modo cambiata."

Ma come esattamente le nuove esperienze vengano elaborate durante il sonno è rimasto in gran parte un mistero. Utilizzando un modello computazionale di rete neurale da loro costruito, Schapiro, Penn Ph.D. Gli studenti Dhairyya Singh e Kenneth Norman dell'Università di Princeton hanno ora nuove informazioni sul processo.

In una ricerca pubblicata negli Atti della National Academy of Sciences, mostrano che l’ippocampo insegna alla neocorteccia ciò che ha imparato mentre il cervello attraversa il sonno REM (ad onde lente e movimento rapido degli occhi), che avviene circa cinque volte a notte, per convertire informazioni nuove e fugaci in ricordi duraturi.

Questo non è solo un modello di apprendimento nei circuiti locali del cervello. In questo modo, una regione del cervello può insegnare ad un’altra regione del cervello durante il sonno, in un momento in cui non c’è alcuna guida dal mondo esterno. È anche un suggerimento su come impariamo con garbo nel tempo man mano che il nostro ambiente cambia.

Anna Schapiro, assistente professore presso il Dipartimento di Psicologia della Penn

In generale, Schapiro studia l’apprendimento e la memoria negli esseri umani, in particolare il modo in cui le persone acquisiscono e consolidano nuove informazioni. Crede da tempo che il sonno abbia un ruolo in questo caso, qualcosa che lei e il suo team hanno testato in laboratorio registrando ciò che accade nel cervello dei partecipanti mentre dormono.

Il suo team costruisce anche modelli di reti neurali per simulare le funzioni di apprendimento e memoria. Specificamente per questo lavoro, Schapiro e colleghi hanno costruito un modello di rete neurale costituito da un ippocampo, il centro del cervello per i nuovi ricordi, che ha il compito di apprendere le informazioni episodiche quotidiane del mondo, e la neocorteccia, che è responsabile di aspetti come la cognizione a livello linguistico e una conservazione più permanente della memoria. Durante il sonno simulato, i ricercatori possono osservare e registrare quali neuroni simulati si attivano in queste due aree e quindi analizzare questi modelli di attività.

Il team ha condotto diverse simulazioni del sonno utilizzando un algoritmo di apprendimento ispirato al cervello sviluppato da loro. Le simulazioni hanno mostrato che durante il sonno a onde lente il cervello ricorda per lo più eventi e dati recenti, guidato dall’ippocampo, e durante il sonno REM ripete per lo più ciò che è accaduto prima, guidato dall’immagazzinamento della memoria nelle regioni neocorticali.

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"Mentre le due regioni del cervello si connettono durante il sonno non REM, l'ippocampo in realtà insegna alla neocorteccia", afferma Singh, uno studente laureato del secondo anno nel laboratorio di Schapiro. “Quindi, durante la fase REM, la neocorteccia si riattiva e può ripetere ciò che già sa”, memorizzando così i dati nella memoria a lungo termine.

Anche il passaggio tra le due fasi del sonno è importante, dice. "Quando la neocorteccia non ha la possibilità di riflettere le proprie informazioni, vediamo che le informazioni vengono sovrascritte. Crediamo che sia necessario alternare il sonno REM e non REM affinché avvenga una forte formazione della memoria."

I risultati sono coerenti con quanto noto nel settore, sebbene alcuni aspetti del modello siano ancora teorici. "Dobbiamo ancora testarlo", afferma Schapiro. “Uno dei nostri prossimi passi sarà condurre esperimenti per capire se il sonno REM riporta davvero alla memoria vecchi ricordi e quale impatto ciò potrebbe avere sull’integrazione di nuove informazioni nelle conoscenze esistenti”.

Poiché le simulazioni attuali erano basate sul sonno notturno sano di un adulto tipico, non si generalizzano necessariamente ad altri tipi di adulti o ad abitudini di sonno meno eccellenti. Inoltre, non offrono alcuna visione di ciò che accade ai bambini, che richiedono quantità e tipi di contatto visivo diversi rispetto agli adulti. Schapiro afferma di vedere un grande potenziale nel suo modello per rispondere ad alcune di queste domande aperte. "Con uno strumento come questo si può andare in molte direzioni, soprattutto perché l'architettura del sonno cambia nel corso della vita e a seconda delle diverse malattie, e possiamo simulare questi cambiamenti nel modello", afferma.

A lungo termine, una migliore comprensione del ruolo delle fasi del sonno nella memoria potrebbe aiutare a formulare trattamenti per i disturbi psichiatrici e neurologici di cui i deficit del sonno sono un sintomo. Singh afferma che potrebbero esserci implicazioni anche per il deep learning e l’intelligenza artificiale. “Il nostro algoritmo ispirato alla biologia potrebbe fornire nuove direzioni per un’elaborazione della memoria offline più potente nei sistemi di intelligenza artificiale”, afferma. Questo lavoro di prova che collega il sonno e la formazione della memoria avvicina il campo a questi obiettivi.

Fonte:

Università della Pennsylvania

Riferimento:

Singh, D., et al. (2022) Un modello di interazioni autonomiche tra ippocampo e neocorteccia che guida il consolidamento della memoria dipendente dal sonno. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

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