Tijdens de slaap werken de hippocampus en de neocortex op een manier samen die cruciaal is voor de geheugenvorming

Tijdens de slaap werken de hippocampus en de neocortex op een manier samen die cruciaal is voor de geheugenvorming

Met behulp van een neuraal netwerkmodel ontdekten neurowetenschapper Anna Schapiro en collega's van Penn dat de hippocampus en de neocortex op een manier samenwerken die cruciaal is voor de geheugenvorming terwijl het lichaam zich beweegt tussen REM- en langzame slaapcycli.

Welke rol spelen slaapfasen bij de vorming van herinneringen? “We weten al lang dat nuttig leren plaatsvindt tijdens de slaap”, zegt neurowetenschapper Anna Schapiro van de Universiteit van Pennsylvania. “Je codeert nieuwe ervaringen terwijl je wakker bent, je valt in slaap, en als je wakker wordt is je geheugen op de een of andere manier veranderd.”

Maar hoe nieuwe ervaringen precies tijdens de slaap worden verwerkt, is grotendeels een mysterie gebleven. Met behulp van een rekenmodel voor een neuraal netwerk dat ze hebben gebouwd, hebben Schapiro, Penn Ph.D. Student Dhairyya Singh en Kenneth Norman van Princeton University hebben nu nieuwe inzichten in het proces.

In onderzoek gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences laten ze zien dat de hippocampus de neocortex leert wat hij heeft geleerd terwijl de hersenen door slow-wave en rapid-eye motion (REM)-slaap gaan, wat ongeveer vijf keer per nacht gebeurt, om nieuwe, vluchtige informatie om te zetten in blijvende herinneringen.

Dit is niet alleen een leermodel in lokale circuits in de hersenen. Zo kan het ene hersengebied tijdens de slaap, op een moment dat er geen begeleiding is van de buitenwereld, een ander hersengebied lesgeven. Het is ook een suggestie voor hoe we in de loop van de tijd op een elegante manier leren als onze omgeving verandert.”

Anna Schapiro, assistent-professor bij Penn's afdeling Psychologie

In grote lijnen bestudeert Schapiro het leren en het geheugen bij mensen, vooral hoe mensen nieuwe informatie verwerven en consolideren. Ze gelooft al lang dat slaap hier een rol speelt, iets dat zij en haar team in een laboratorium hebben getest door vast te leggen wat er in de hersenen van de deelnemers gebeurt terwijl ze slapen.

Haar team bouwt ook neurale netwerkmodellen om leer- en geheugenfuncties te simuleren. Specifiek voor dit werk hebben Schapiro en collega's een neuraal netwerkmodel gebouwd dat bestaat uit een hippocampus, het hersencentrum voor nieuwe herinneringen, dat belast is met het leren van de alledaagse, episodische informatie van de wereld, en de neocortex, die verantwoordelijk is voor facetten zoals cognitie op taalniveau en meer permanente opslag van geheugen. Tijdens gesimuleerde slaap kunnen onderzoekers observeren en vastleggen welke gesimuleerde neuronen in deze twee gebieden vuren en vervolgens deze activiteitspatronen analyseren.

Het team voerde verschillende slaapsimulaties uit met behulp van een op de hersenen geïnspireerd leeralgoritme dat ze hadden ontwikkeld. De simulaties toonden aan dat de hersenen tijdens de langzame slaap vooral recente gebeurtenissen en gegevens herinneren, geleid door de hippocampus, en dat tijdens de REM-slaap meestal wordt herhaald wat er eerder is gebeurd, geleid door geheugenopslag in de neocorticale gebieden.

eBook over neurowetenschappen

Compilatie van de beste interviews, artikelen en nieuws van het afgelopen jaar. Download vandaag nog een exemplaar

“Terwijl de twee hersengebieden verbinding maken tijdens de niet-REM-slaap, leert de hippocampus feitelijk de neocortex”, zegt Singh, een tweedejaars student in het laboratorium van Schapiro. “Tijdens REM wordt de neocortex opnieuw geactiveerd en kan hij herhalen wat hij al weet”, waardoor de gegevens in het langetermijngeheugen worden opgeslagen.

Ook het wisselen tussen de twee slaapfasen is belangrijk, zegt hij. "Als de neocortex geen kans krijgt om zijn eigen informatie weer te geven, zien we dat de informatie daar wordt overschreven. Wij zijn van mening dat je afwisselend REM- en niet-REM-slaap nodig hebt om sterke geheugenvorming te laten plaatsvinden."

De resultaten komen overeen met wat er in het veld bekend is, hoewel aspecten van het model nog steeds theoretisch zijn. “Dat moeten we nog testen”, zegt Schapiro. “Een van onze volgende stappen zal zijn het uitvoeren van experimenten om te begrijpen of de REM-slaap echt oude herinneringen naar boven haalt en welke impact dit zou kunnen hebben op het integreren van nieuwe informatie in je bestaande kennis.”

Omdat de huidige simulaties gebaseerd waren op de gezonde nachtrust van een gemiddelde volwassene, generaliseren ze niet noodzakelijkerwijs naar andere typen volwassenen of minder goede slaapgewoonten. Ze bieden ook geen inzicht in wat er gebeurt met kinderen, die andere hoeveelheden en soorten oogcontact nodig hebben dan volwassenen. Schapiro zegt dat ze grote mogelijkheden ziet voor haar model om een ​​aantal van deze open vragen te beantwoorden. “Met een tool als deze kun je veel kanten op, vooral omdat de slaaparchitectuur gedurende de levensduur en bij verschillende ziekten verandert, en we deze veranderingen in het model kunnen simuleren”, zegt ze.

Op de lange termijn zou een beter begrip van de rol van slaapstadia in het geheugen kunnen bijdragen aan behandelingen voor psychiatrische en neurologische aandoeningen waarvan slaaptekorten een symptoom zijn. Singh zegt dat er ook implicaties kunnen zijn voor deep learning en kunstmatige intelligentie. “Ons biologisch geïnspireerde algoritme zou nieuwe richtingen kunnen bieden voor krachtigere offline geheugenverwerking in AI-systemen”, zegt hij. Dit proof-of-concept-werk dat slaap- en geheugenvorming met elkaar verbindt, brengt het veld een stap dichter bij deze doelen.

Bron:

Universiteit van Pennsylvania

Referentie:

Singh, D., et al. (2022) Een model van autonome interacties tussen hippocampus en neocortex dat slaapafhankelijke geheugenconsolidatie stimuleert. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.