Under søvn samhandler hippocampus og neocortex på måter som er kritiske for hukommelsesdannelse

Under søvn samhandler hippocampus og neocortex på måter som er kritiske for hukommelsesdannelse

Ved hjelp av en nevrale nettverksmodell fant Penn-nevroforsker Anna Schapiro og kolleger at hippocampus og neocortex samhandler på måter som er kritiske for hukommelsesdannelse når kroppen beveger seg mellom REM og langsomme søvnsykluser.

Hvilken rolle spiller søvnstadier i dannelsen av minner? "Vi har lenge visst at nyttig læring skjer under søvn," sier nevroforsker Anna Schapiro ved University of Pennsylvania. "Du koder for nye opplevelser mens du er våken, du sovner, og når du våkner har minnet ditt på en eller annen måte endret seg."

Men hvordan nøyaktig nye opplevelser bearbeides under søvn, har stort sett forblitt et mysterium. Ved å bruke en beregningsmodell for nevrale nettverk bygget de, Schapiro, Penn Ph.D. Student Dhairyya Singh og Kenneth Norman fra Princeton University har nå ny innsikt i prosessen.

I forskning publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences viser de at hippocampus lærer neocortex hva den har lært mens hjernen sykluser gjennom slow-wave og rapid-eye movement (REM) søvn, som skjer omtrent fem ganger om natten, for å konvertere ny, flyktig informasjon til varige minner.

Dette er ikke bare en modell for læring i lokale kretsløp i hjernen. På denne måten kan en hjerneregion lære en annen hjerneregion under søvn, på et tidspunkt hvor det ikke er noen veiledning fra omverdenen. Det er også et forslag til hvordan vi lærer grasiøst over tid når miljøet vårt endrer seg.»

Anna Schapiro, assisterende professor ved Penns Institutt for psykologi

Grovt sett studerer Schapiro læring og hukommelse hos mennesker, spesielt hvordan mennesker tilegner seg og konsoliderer ny informasjon. Hun har lenge trodd at søvn spiller en rolle her, noe hun og teamet hennes testet i en lab ved å registrere hva som skjer i deltakernes hjerner mens de sover.

Teamet hennes bygger også nevrale nettverksmodeller for å simulere lærings- og minnefunksjoner. Spesielt for dette arbeidet bygde Schapiro og medarbeidere en nevrale nettverksmodell bestående av en hippocampus, hjernens senter for nye minner, som har i oppgave å lære seg verdens hverdagslige, episodiske informasjon, og neocortex, som er ansvarlig for fasetter som kognisjon på språknivå og mer permanent lagring av minne. Under simulert søvn kan forskere observere og registrere hvilke simulerte nevroner som brenner i disse to områdene og deretter analysere disse aktivitetsmønstrene.

Teamet gjennomførte flere søvnsimuleringer ved hjelp av en hjerneinspirert læringsalgoritme de utviklet. Simuleringene viste at under saktebølgesøvn husker hjernen stort sett nylige hendelser og data, styrt av hippocampus, og under REM-søvn gjentar det meste det som skjedde før, styrt av minnelagring i de neokortikale regionene.

Nevrovitenskap eBok

Sammenstilling av de beste intervjuene, artikler og nyheter fra det siste året. Last ned en kopi i dag

"Som de to hjerneområdene kobles sammen under ikke-REM-søvn, lærer hippocampus faktisk neocortex," sier Singh, en andreårsstudent ved Schapiros laboratorium. "Deretter, under REM, reaktiveres neocortex og kan gjenta det den allerede vet," og dermed forplikte dataene til langtidshukommelsen.

Å bytte mellom de to søvnfasene er også viktig, sier han. "Når neocortex ikke har en sjanse til å reflektere sin egen informasjon, ser vi at informasjonen der er overskrevet. Vi mener at du må ha vekslende REM- og ikke-REM-søvn for at sterk hukommelsesdannelse skal oppstå."

Resultatene samsvarer med det som er kjent på feltet, selv om aspekter ved modellen fortsatt er teoretiske. "Vi må fortsatt teste det," sier Schapiro. "Et av de neste trinnene våre vil være å gjennomføre eksperimenter for å forstå om REM-søvn virkelig bringer tilbake gamle minner og hvilken innvirkning dette kan ha på å integrere ny informasjon i din eksisterende kunnskap."

Fordi de nåværende simuleringene var basert på en typisk voksens sunne natts søvn, generaliserer de ikke nødvendigvis til andre typer voksne eller mindre gode søvnvaner. De gir heller ingen innsikt i hva som skjer med barn, som krever andre mengder og typer øyekontakt enn voksne. Schapiro sier at hun ser et stort potensial for at modellen hennes kan svare på noen av disse åpne spørsmålene. "Med et verktøy som dette kan du gå i mange retninger, spesielt fordi søvnarkitekturen endres over levetiden og på tvers av forskjellige sykdommer, og vi kan simulere disse endringene i modellen," sier hun.

På lang sikt kan en bedre forståelse av søvnstadienes rolle i hukommelsen bidra til å informere behandlinger for psykiatriske og nevrologiske lidelser som søvnunderskudd er et symptom på. Singh sier at det også kan være implikasjoner for dyp læring og kunstig intelligens. "Vår biologisk inspirerte algoritme kan gi nye retninger for kraftigere offline-minnebehandling i AI-systemer," sier han. Dette proof-of-concept-arbeidet som forbinder søvn og minnedannelse bringer feltet et skritt nærmere disse målene.

Kilde:

University of Pennsylvania

Referanse:

Singh, D., et al. (2022) En modell av autonome interaksjoner mellom hippocampus og neocortex som driver søvnavhengig minnekonsolidering. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.