Podczas snu hipokamp i kora nowa oddziałują na siebie w sposób krytyczny dla tworzenia pamięci

Podczas snu hipokamp i kora nowa oddziałują na siebie w sposób krytyczny dla tworzenia pamięci

Korzystając z modelu sieci neuronowej, neurobiolog z Penn, Anna Schapiro i współpracownicy odkryli, że hipokamp i kora nowa oddziałują na siebie w sposób krytyczny dla tworzenia pamięci, gdy ciało przechodzi między cyklami snu REM i wolnofalowymi.

Jaką rolę odgrywają fazy snu w tworzeniu wspomnień? „Od dawna wiemy, że podczas snu następuje pożyteczna nauka” – mówi neurobiolog Anna Schapiro z Uniwersytetu Pensylwanii. „Kodujesz nowe doświadczenia, gdy nie śpisz, zasypiasz, a kiedy się budzisz, twoja pamięć w jakiś sposób się zmieniła”.

Jednak to, jak dokładnie nowe doświadczenia są przetwarzane podczas snu, w dużej mierze pozostaje tajemnicą. Korzystając ze zbudowanego przez siebie modelu obliczeniowego sieci neuronowej, Schapiro, Penn Ph.D. Studenci Dhairyya Singh i Kenneth Norman z Uniwersytetu Princeton mają teraz nowy wgląd w ten proces.

Badania opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences pokazują, że hipokamp uczy kory nowej tego, czego się nauczyła, gdy mózg przechodzi przez fazę snu wolnofalowego i snu o szybkich ruchach gałek ocznych (REM), który zdarza się około pięć razy w ciągu nocy, aby przekształcić nowe, ulotne informacje w trwałe wspomnienia.

To nie jest tylko model uczenia się w lokalnych obwodach mózgu. W ten sposób jeden obszar mózgu może uczyć inny obszar mózgu podczas snu, gdy nie ma wskazówek ze świata zewnętrznego. Jest to także sugestia, jak uczyć się z wdziękiem wraz z upływem czasu, gdy zmienia się nasze środowisko”.

Anna Schapiro, adiunkt na Wydziale Psychologii Penna

Ogólnie rzecz biorąc, Schapiro bada uczenie się i pamięć u ludzi, zwłaszcza sposób, w jaki ludzie zdobywają i utrwalają nowe informacje. Od dawna wierzyła, że ​​sen odgrywa tutaj rolę, co ona i jej zespół przetestowali w laboratorium, rejestrując, co dzieje się w mózgach uczestników podczas snu.

Jej zespół buduje także modele sieci neuronowych do symulacji funkcji uczenia się i pamięci. Specjalnie na potrzeby tej pracy Schapiro i współpracownicy zbudowali model sieci neuronowej składającej się z hipokampu, ośrodka mózgowego odpowiedzialnego za tworzenie nowych wspomnień, którego zadaniem jest uczenie się codziennych, epizodycznych informacji o świecie, oraz kory nowej, która jest odpowiedzialna za takie aspekty, jak poznanie na poziomie języka i trwalsze przechowywanie pamięci. Podczas symulowanego snu badacze mogą obserwować i rejestrować, które symulowane neurony uruchamiają się w tych dwóch obszarach, a następnie analizować te wzorce aktywności.

Zespół przeprowadził kilka symulacji snu, korzystając z opracowanego przez siebie algorytmu uczenia się inspirowanego mózgiem. Symulacje wykazały, że podczas snu wolnofalowego mózg głównie przywołuje ostatnie zdarzenia i dane, kierując się hipokampem, a podczas snu REM przeważnie powtarza to, co wydarzyło się wcześniej, kierując się pamięcią przechowywaną w obszarach kory nowej.

Książka elektroniczna Neuronauka

Zestawienie najważniejszych wywiadów, artykułów i aktualności z ostatniego roku. Pobierz kopię już dziś

„Gdy podczas snu innego niż REM oba obszary mózgu łączą się, hipokamp faktycznie uczy korę nową” – mówi Singh, student drugiego roku w laboratorium Schapiro. „Następnie podczas fazy REM kora nowa reaktywuje się i może powtórzyć to, co już wie”, zapisując w ten sposób dane w pamięci długotrwałej.

Ważne jest również przełączanie między dwiema fazami snu, mówi. „Kiedy kora nowa nie ma szansy odzwierciedlić własnych informacji, widzimy, że informacje tam zawarte są nadpisywane. Uważamy, że aby doszło do silnego tworzenia pamięci, potrzebny jest naprzemienny sen REM i inny niż REM”.

Wyniki są zgodne z wiedzą w tej dziedzinie, chociaż pewne aspekty modelu mają nadal charakter teoretyczny. „Musimy to jeszcze przetestować” – mówi Schapiro. „Jednym z naszych kolejnych kroków będzie przeprowadzenie eksperymentów, aby zrozumieć, czy sen REM rzeczywiście przywołuje stare wspomnienia i jaki wpływ może to mieć na integrację nowych informacji z istniejącą wiedzą”.

Ponieważ obecne symulacje opierały się na zdrowym śnie typowej osoby dorosłej, niekoniecznie można je uogólnić na inne typy dorosłych lub mniej doskonałe nawyki związane ze snem. Nie dają też żadnego wglądu w to, co dzieje się z dziećmi, które wymagają innej ilości i rodzaju kontaktu wzrokowego niż dorośli. Schapiro twierdzi, że widzi w swojej modelce ogromny potencjał w zakresie odpowiedzi na niektóre z tych otwartych pytań. „Dzięki takiemu narzędziu można pójść w wielu kierunkach, zwłaszcza że architektura snu zmienia się wraz z długością życia i różnymi chorobami, a my możemy symulować te zmiany w modelu” – mówi.

W dłuższej perspektywie lepsze zrozumienie roli etapów snu w pamięci może pomóc w leczeniu zaburzeń psychiatrycznych i neurologicznych, których objawem są deficyty snu. Singh twierdzi, że mogą to mieć również konsekwencje dla głębokiego uczenia się i sztucznej inteligencji. „Nasz algorytm inspirowany biologią może zapewnić nowe kierunki wydajniejszego przetwarzania pamięci offline w systemach AI” – mówi. Ta weryfikacja koncepcji łącząca sen i tworzenie pamięci przybliża dziedzinę o krok do tych celów.

Źródło:

Uniwersytet Pensylwanii

Odniesienie:

Singh, D. i in. (2022) Model autonomicznych interakcji między hipokampem a korą nową, które napędzają konsolidację pamięci zależną od snu. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.