În timpul somnului, hipocampul și neocortexul interacționează în moduri care sunt esențiale pentru formarea memoriei

În timpul somnului, hipocampul și neocortexul interacționează în moduri care sunt esențiale pentru formarea memoriei

Folosind un model de rețea neuronală, neurologul Anna Schapiro și colegii sai de la Penn au descoperit că hipocampul și neocortexul interacționează în moduri care sunt esențiale pentru formarea memoriei pe măsură ce corpul se mișcă între ciclurile de somn REM și cu unde lente.

Ce rol joacă etapele de somn în formarea amintirilor? „Știm de mult că învățarea utilă are loc în timpul somnului”, spune neurologul Anna Schapiro de la Universitatea din Pennsylvania. „Codici experiențe noi în timp ce ești treaz, adormi și când te trezești memoria ta s-a schimbat cumva.”

Dar cum sunt procesate noile experiențe în timpul somnului a rămas în mare parte un mister. Folosind un model de calcul al rețelei neuronale pe care l-au construit, Schapiro, Penn Ph.D. Studentii Dhairyya Singh și Kenneth Norman de la Universitatea Princeton au acum noi perspective asupra procesului.

În cercetările publicate în Proceedings of the National Academy of Sciences, ei arată că hipocampul învață neocortexul ceea ce a învățat pe măsură ce creierul circulă prin somn cu unde lente și cu mișcarea rapidă a ochilor (REM), care se întâmplă de aproximativ cinci ori pe noapte, pentru a converti informații noi și trecătoare în amintiri durabile.

Acesta nu este doar un model de învățare în circuitele locale din creier. În acest fel, o regiune a creierului poate învăța o altă regiune a creierului în timpul somnului, într-un moment în care nu există îndrumări din lumea exterioară. Este, de asemenea, o sugestie pentru modul în care învățăm cu grație în timp, pe măsură ce mediul nostru se schimbă.”

Anna Schapiro, profesor asistent la Departamentul de Psihologie din Penn

În linii mari, Schapiro studiază învățarea și memoria la oameni, în special modul în care oamenii dobândesc și consolidează informații noi. Ea a crezut de mult că somnul joacă un rol aici, ceva ce ea și echipa ei au testat într-un laborator, înregistrând ceea ce se întâmplă în creierul participanților în timp ce dorm.

Echipa ei construiește și modele de rețele neuronale pentru a simula funcțiile de învățare și memorie. În mod special pentru această lucrare, Schapiro și colegii au construit un model de rețea neuronală constând dintr-un hipocamp, centrul creierului pentru noi amintiri, care are sarcina de a învăța informațiile de zi cu zi, episodice ale lumii, și neocortexul, care este responsabil pentru fațete precum cogniția la nivel de limbaj și stocarea mai permanentă a memoriei. În timpul somnului simulat, cercetătorii pot observa și înregistra care neuroni simulați se declanșează în aceste două zone și apoi pot analiza aceste modele de activitate.

Echipa a efectuat mai multe simulări de somn folosind un algoritm de învățare inspirat de creier pe care l-au dezvoltat. Simulările au arătat că în timpul somnului cu unde lente, creierul își amintește în principal evenimente și date recente, ghidat de hipocamp, iar în timpul somnului REM repetă în mare parte ceea ce sa întâmplat înainte, ghidat de stocarea memoriei în regiunile neocorticale.

Carte electronică pentru neuroștiințe

Compilare a celor mai bune interviuri, articole și știri din ultimul an. Descărcați o copie astăzi

„Pe măsură ce cele două regiuni ale creierului se conectează în timpul somnului non-REM, hipocampul învață de fapt neocortexul”, spune Singh, un student absolvent în anul doi în laboratorul lui Schapiro. „Apoi, în timpul REM, neocortexul se reactivează și poate repeta ceea ce știe deja”, transferând astfel datele în memoria pe termen lung.

Comutarea între cele două faze de somn este, de asemenea, importantă, spune el. „Când neocortexul nu are șansa de a reflecta propriile informații, vedem că informațiile de acolo sunt suprascrise. Credem că trebuie să aveți somn alternativ REM și non-REM pentru a avea loc o formare puternică a memoriei.”

Rezultatele sunt în concordanță cu ceea ce se știe în domeniu, deși aspectele modelului sunt încă teoretice. „Trebuie încă să testăm asta”, spune Schapiro. „Unul dintre următorii noștri pași va fi să efectuăm experimente pentru a înțelege dacă somnul REM aduce cu adevărat amintiri vechi și ce impact ar putea avea acest lucru asupra integrării de noi informații în cunoștințele tale existente.”

Deoarece simulările actuale s-au bazat pe un somn normal de noapte sănătos al unui adult, ele nu se generalizează neapărat la alte tipuri de adulți sau la obiceiuri de somn mai puțin excelente. De asemenea, nu oferă nicio perspectivă asupra a ceea ce se întâmplă cu copiii, care necesită cantități și tipuri diferite de contact vizual decât adulții. Schapiro spune că vede un mare potențial ca modelul ei să răspundă la unele dintre aceste întrebări deschise. „Cu un astfel de instrument puteți merge în mai multe direcții, mai ales pentru că arhitectura somnului se schimbă de-a lungul vieții și în diferite boli și putem simula aceste schimbări în model”, spune ea.

Pe termen lung, o mai bună înțelegere a rolului etapelor de somn în memorie ar putea ajuta la informarea tratamentelor pentru tulburările psihiatrice și neurologice a căror simptome sunt deficitele de somn. Singh spune că ar putea exista și implicații pentru învățarea profundă și inteligența artificială. „Algoritmul nostru inspirat din punct de vedere biologic ar putea oferi noi direcții pentru o procesare mai puternică a memoriei offline în sistemele AI”, spune el. Această muncă de dovadă a conceptului care leagă somnul și formarea memoriei aduce domeniul cu un pas mai aproape de aceste obiective.

Sursă:

Universitatea din Pennsylvania

Referinţă:

Singh, D., și colab. (2022) Un model de interacțiuni autonome între hipocamp și neocortex care conduce la consolidarea memoriei dependentă de somn. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.