Počas spánku hipokampus a neokortex interagujú spôsobmi, ktoré sú rozhodujúce pre tvorbu pamäte

Počas spánku hipokampus a neokortex interagujú spôsobmi, ktoré sú rozhodujúce pre tvorbu pamäte

Neurovedkyňa z Penna Anna Schapiro a kolegovia pomocou modelu neurónovej siete zistili, že hipokampus a neokortex interagujú spôsobmi, ktoré sú rozhodujúce pre tvorbu pamäte, keď sa telo pohybuje medzi REM a pomalými vlnami spánkových cyklov.

Akú úlohu zohrávajú fázy spánku pri vytváraní spomienok? „Už dlho vieme, že užitočné učenie sa vyskytuje počas spánku,“ hovorí neurovedkyňa Anna Schapiro z Pennsylvánskej univerzity. "Nové zážitky zakódujete, keď ste hore, zaspíte a keď sa zobudíte, vaša pamäť sa nejako zmenila."

Ale ako presne sa nové skúsenosti spracúvajú počas spánku, zostáva do značnej miery záhadou. Pomocou výpočtového modelu neurónovej siete, ktorý vytvorili, Schapiro, Penn Ph.D. Študent Dhairyya Singh a Kenneth Norman z Princetonskej univerzity majú teraz nový pohľad na tento proces.

Vo výskume publikovanom v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences ukazujú, že hipokampus učí neokortex to, čo sa naučil, keď mozog cykluje spánok s pomalými vlnami a rýchlymi pohybmi očí (REM), čo sa deje asi päťkrát za noc, aby premenil nové, prchavé informácie na trvalé spomienky.

Toto nie je len model učenia v lokálnych okruhoch v mozgu. Týmto spôsobom môže jedna oblasť mozgu učiť inú oblasť mozgu počas spánku, v čase, keď neexistuje žiadne vedenie z vonkajšieho sveta. Je to tiež návrh, ako sa učíme elegantne v priebehu času, keď sa naše prostredie mení.“

Anna Schapiro, odborná asistentka na Pennovej katedre psychológie

Všeobecne povedané, Schapiro študuje učenie a pamäť u ľudí, najmä to, ako ľudia získavajú a upevňujú nové informácie. Dlho verila, že tu zohráva úlohu spánok, čo ona a jej tím testovali v laboratóriu zaznamenávaním toho, čo sa deje v mozgoch účastníkov počas spánku.

Jej tím tiež vytvára modely neurónových sietí na simuláciu funkcií učenia a pamäte. Schapiro a jeho kolegovia špeciálne pre túto prácu vytvorili model neurónovej siete pozostávajúci z hipokampu, mozgového centra pre nové spomienky, ktorého úlohou je učiť sa každodenné, epizodické informácie sveta, a neokortexu, ktorý je zodpovedný za aspekty, ako je kognícia na úrovni jazyka a trvalejšie ukladanie pamäte. Počas simulovaného spánku môžu výskumníci pozorovať a zaznamenávať, ktoré simulované neuróny sa spúšťajú v týchto dvoch oblastiach, a potom analyzovať tieto vzorce aktivity.

Tím vykonal niekoľko simulácií spánku pomocou algoritmu učenia inšpirovaného mozgom, ktorý vyvinuli. Simulácie ukázali, že počas pomalého spánku si mozog väčšinou vybavuje nedávne udalosti a údaje, vedené hipokampom, a počas REM spánku väčšinou opakuje to, čo sa stalo predtým, riadený ukladaním pamäte v neokortikálnych oblastiach.

Elektronická kniha o neurovedách

Kompilácia top rozhovorov, článkov a noviniek za posledný rok. Stiahnite si kópiu ešte dnes

„Keďže sa dve oblasti mozgu spájajú počas spánku bez REM, hipokampus skutočne učí neokortex,“ hovorí Singh, študent druhého ročníka v laboratóriu Schapiro. "Potom sa počas REM neokortex reaktivuje a môže zopakovať to, čo už vie," čím sa údaje uložia do dlhodobej pamäte.

Prepínanie medzi dvoma fázami spánku je tiež dôležité, hovorí. "Keď neokortex nemá šancu odrážať svoje vlastné informácie, vidíme, že informácie sú prepísané. Veríme, že potrebujete mať striedavý REM a non-REM spánok, aby došlo k silnej tvorbe pamäti."

Výsledky sú v súlade s tým, čo je v tejto oblasti známe, hoci aspekty modelu sú stále teoretické. "Ešte to musíme otestovať," hovorí Schapiro. "Jedným z našich ďalších krokov bude uskutočnenie experimentov, aby sme pochopili, či REM spánok skutočne prináša staré spomienky a aký vplyv to môže mať na integráciu nových informácií do vašich existujúcich vedomostí."

Pretože súčasné simulácie boli založené na typickom zdravom nočnom spánku dospelých, nemusia sa nevyhnutne zovšeobecňovať na iné typy dospelých alebo menej vynikajúce spánkové návyky. Neposkytujú tiež žiadny pohľad na to, čo sa deje s deťmi, ktoré vyžadujú iné množstvo a typy očného kontaktu ako dospelí. Schapiro hovorí, že vidí veľký potenciál, aby jej modelka odpovedala na niektoré z týchto otvorených otázok. „S nástrojom, ako je tento, sa môžete vydať mnohými smermi, najmä preto, že architektúra spánku sa mení v priebehu života a pri rôznych chorobách a tieto zmeny môžeme simulovať v modeli,“ hovorí.

Z dlhodobého hľadiska by lepšie pochopenie úlohy fáz spánku v pamäti mohlo pomôcť pri liečbe psychiatrických a neurologických porúch, ktorých symptómom sú deficity spánku. Singh hovorí, že by to mohlo mať dôsledky aj pre hlboké učenie a umelú inteligenciu. „Náš biologicky inšpirovaný algoritmus by mohol poskytnúť nové smery pre výkonnejšie offline spracovanie pamäte v systémoch AI,“ hovorí. Táto práca na overení koncepcie spájajúca spánok a formovanie pamäti privádza oblasť o krok bližšie k týmto cieľom.

Zdroj:

University of Pennsylvania

Referencia:

Singh, D., a kol. (2022) Model autonómnych interakcií medzi hipokampom a neokortexom, ktorý riadi konsolidáciu pamäte závislú od spánku. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.