Under sömnen samverkar hippocampus och neocortex på sätt som är avgörande för minnesbildning

Under sömnen samverkar hippocampus och neocortex på sätt som är avgörande för minnesbildning

Med hjälp av en neural nätverksmodell fann Penn neuroforskare Anna Schapiro och kollegor att hippocampus och neocortex interagerar på sätt som är avgörande för minnesbildning när kroppen rör sig mellan REM och långsamma sömncykler.

Vilken roll spelar sömnstadier i bildandet av minnen? "Vi har länge vetat att användbar inlärning sker under sömn", säger neuroforskaren Anna Schapiro vid University of Pennsylvania. "Du kodar nya upplevelser medan du är vaken, du somnar och när du vaknar har ditt minne på något sätt förändrats."

Men hur exakt nya upplevelser bearbetas under sömnen har till stor del förblivit ett mysterium. Med hjälp av en beräkningsmodell för neuralt nätverk som de byggde, utvecklade Schapiro, Penn Ph.D. Student Dhairyya Singh och Kenneth Norman från Princeton University har nu nya insikter i processen.

I forskning publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences visar de att hippocampus lär neocortex vad den har lärt sig när hjärnan cirkulerar genom långsamma vågor och snabba ögonrörelser (REM) sömn, som händer ungefär fem gånger per natt, för att omvandla ny, flyktig information till bestående minnen.

Detta är inte bara en modell för inlärning i lokala kretsar i hjärnan. På så sätt kan en hjärnregion lära en annan hjärnregion under sömnen, i en tid då det inte finns någon vägledning från omvärlden. Det är också ett förslag på hur vi lär oss graciöst över tiden när vår miljö förändras.”

Anna Schapiro, biträdande professor vid Penns institution för psykologi

I stort sett studerar Schapiro inlärning och minne hos människor, särskilt hur människor skaffar och konsoliderar ny information. Hon har länge trott att sömn spelar en roll här, något hon och hennes team testade i ett labb genom att spela in vad som händer i deltagarnas hjärnor medan de sover.

Hennes team bygger också modeller för neurala nätverk för att simulera inlärnings- och minnesfunktioner. Specifikt för detta arbete byggde Schapiro och kollegor en neural nätverksmodell bestående av en hippocampus, hjärnans centrum för nya minnen, som har till uppgift att lära sig världens vardagliga, episodiska information, och neocortex, som är ansvarig för aspekter som kognition på språknivå och mer permanent lagring av minne. Under simulerad sömn kan forskare observera och registrera vilka simulerade neuroner som eldar i dessa två områden och sedan analysera dessa aktivitetsmönster.

Teamet genomförde flera sömnsimuleringar med hjälp av en hjärninspirerad inlärningsalgoritm som de utvecklade. Simuleringarna visade att under långsam sömn minns hjärnan mestadels senaste händelser och data, styrda av hippocampus, och under REM-sömn upprepar det mesta som hände tidigare, styrt av minneslagring i de neokortikala regionerna.

Neurovetenskap e-bok

Sammanställning av de bästa intervjuerna, artiklarna och nyheterna från det senaste året. Ladda ner en kopia idag

"Eftersom de två hjärnregionerna ansluter under icke-REM-sömn, lär hippocampus faktiskt neocortex", säger Singh, en andraårsstudent i Schapiros labb. "Sedan, under REM, återaktiveras neocortex och kan upprepa vad den redan vet", och därigenom överföra data till långtidsminnet.

Att växla mellan de två sömnfaserna är också viktigt, säger han. "När neocortex inte har en chans att spegla sin egen information ser vi att informationen där skrivs över. Vi tror att man måste ha omväxlande REM- och icke-REM-sömn för att en stark minnesbildning ska uppstå."

Resultaten överensstämmer med vad som är känt inom området, även om aspekter av modellen fortfarande är teoretiska. "Vi måste fortfarande testa det", säger Schapiro. "Ett av våra nästa steg kommer att vara att genomföra experiment för att förstå om REM-sömn verkligen ger tillbaka gamla minnen och vilken inverkan detta kan ha på att integrera ny information i din befintliga kunskap."

Eftersom de nuvarande simuleringarna baserades på en typisk vuxens hälsosamma nattsömn, generaliserar de inte nödvändigtvis till andra typer av vuxna eller mindre utmärkta sömnvanor. De ger inte heller någon inblick i vad som händer med barn, som kräver olika mängder och typer av ögonkontakt än vuxna. Schapiro säger att hon ser stor potential för hennes modell att svara på några av dessa öppna frågor. "Med ett sådant här verktyg kan du gå i många riktningar, särskilt eftersom sömnarkitekturen förändras över livslängden och över olika sjukdomar, och vi kan simulera dessa förändringar i modellen", säger hon.

På lång sikt kan en bättre förståelse av sömnstadiernas roll i minnet hjälpa till att informera behandlingar för psykiatriska och neurologiska störningar där sömnbrist är ett symptom. Singh säger att det också kan ha konsekvenser för djupinlärning och artificiell intelligens. "Vår biologiskt inspirerade algoritm kan ge nya riktningar för mer kraftfull offline-minnesbehandling i AI-system", säger han. Detta proof-of-concept arbete som kopplar samman sömn och minnesbildning för fältet ett steg närmare dessa mål.

Källa:

University of Pennsylvania

Hänvisning:

Singh, D., et al. (2022) En modell av autonoma interaktioner mellan hippocampus och neocortex som driver sömnberoende minneskonsolidering. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.

.