在睡眠期间，海马体和新皮质以对记忆形成至关重要的方式相互作用

在睡眠期间，海马体和新皮质以对记忆形成至关重要的方式相互作用

宾夕法尼亚大学神经科学家 Anna Schapiro 及其同事利用神经网络模型发现，当身体在快速眼动睡眠周期和慢波睡眠周期之间移动时，海马体和新皮质的相互作用对于记忆形成至关重要。

睡眠阶段在记忆的形成中发挥什么作用？ “我们早就知道有用的学习发生在睡眠期间，”宾夕法尼亚大学的神经科学家安娜·夏皮罗说。 “当你醒着的时候，你会编码新的经历，然后你会睡着，当你醒来时，你的记忆会以某种方式发生改变。”

但睡眠期间新的体验究竟是如何被处理的在很大程度上仍然是个谜。 宾夕法尼亚大学博士夏皮罗 (Schapiro) 使用他们构建的神经网络计算模型。 普林斯顿大学的学生 Dhairyya Singh 和 Kenneth Norman 现在对这一过程有了新的见解。

在《美国国家科学院院刊》上发表的研究中，他们表明，当大脑通过慢波和快速眼动（REM）睡眠（每晚大约发生五次）循环时，海马体会向新皮质传授它所学到的知识，将新奇的、稍纵即逝的信息转化为持久的记忆。

这不仅仅是大脑局部回路的学习模型。 这样，在没有外界指导的情况下，一个大脑区域可以在睡眠期间教导另一个大脑区域。 这也为我们如何随着环境的变化而优雅地学习提供了建议。”

安娜·夏皮罗 (Anna Schapiro)，宾夕法尼亚大学心理学系助理教授

从广义上讲，夏皮罗研究人类的学习和记忆，特别是人们如何获取和巩固新信息。 她长期以来一直相信睡眠在这里发挥着重要作用，她和她的团队通过记录参与者睡眠时大脑中发生的情况在实验室进行了测试。

她的团队还构建神经网络模型来模拟学习和记忆功能。 专门针对这项工作，夏皮罗和同事建立了一个神经网络模型，该模型由海马体和新皮质组成，海马体是大脑新记忆的中心，其任务是学习世界上的日常、情景信息，而新皮质则负责语言级认知和更永久的记忆存储等方面。 在模拟睡眠期间，研究人员可以观察并记录这两个区域中哪些模拟神经元放电，然后分析这些活动模式。

该团队使用他们开发的受大脑启发的学习算法进行了多次睡眠模拟。 模拟显示，在慢波睡眠期间，大脑主要在海马体的引导下回忆最近的事件和数据，而在快速眼动睡眠期间，在新皮质区域的记忆存储引导下，大脑主要重复之前发生的事情。

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“当两个大脑区域在非快速眼动睡眠期间连接时，海马体实际上会教导新皮质，”夏皮罗实验室的二年级研究生辛格说。 “然后，在快速眼动睡眠期间，新皮质重新激活并可以重复它已经知道的内容”，从而将数据保存到长期记忆中。

他说，两个睡眠阶段之间的切换也很重要。 “当新皮质没有机会反映自己的信息时，我们发现那里的信息被覆盖。我们认为，你需要交替进行快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠，才能形成强大的记忆。”

尽管该模型的某些方面仍处于理论阶段，但结果与该领域已知的情况一致。 “我们仍然需要对此进行测试，”夏皮罗说。 “我们接下来的步骤之一将是进行实验，以了解快速眼动睡眠是否真的能带回旧的记忆，以及这可能会对将新信息整合到现有知识中产生什么影响。”

由于当前的模拟是基于典型成年人的健康夜间睡眠，因此它们不一定适用于其他类型的成年人或不太好的睡眠习惯。 他们也没有深入了解儿童会发生什么，因为儿童需要与成人不同数量和类型的目光接触。 夏皮罗说，她认为她的模型有巨大的潜力来回答其中一些悬而未决的问题。 “有了这样的工具，你可以朝很多方向发展，特别是因为睡眠结构会随着生命周期和不同疾病的变化而变化，我们可以在模型中模拟这些变化，”她说。

从长远来看，更好地了解睡眠阶段在记忆中的作用可能有助于为以睡眠不足为症状的精神和神经疾病的治疗提供信息。 辛格表示，这也可能对深度学习和人工智能产生影响。 “我们的受生物学启发的算法可以为人工智能系统中更强大的离线记忆处理提供新的方向，”他说。 这项将睡眠和记忆形成联系起来的概念验证工作使该领域离这些目标又近了一步。

来源：

宾夕法尼亚大学

参考：

辛格，D.，等人。 (2022) 海马体和新皮质之间的自主相互作用模型，驱动睡眠依赖性记忆巩固。 美国国家科学院院刊。 doi.org/10.1073/pnas.2123432119 。

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