Mithilfe eines neuronalen Netzwerkmodells fanden die Penn-Neurowissenschaftlerin Anna Schapiro und Kollegen heraus, dass Hippocampus und Neokortex auf eine Weise interagieren, die für die Gedächtnisbildung entscheidend ist, wenn sich der Körper zwischen REM- und Langsamschlafzyklen bewegt.
Welche Rolle spielen die Schlafstadien bei der Bildung von Erinnerungen? „Wir wissen seit langem, dass nützliches Lernen im Schlaf stattfindet“, sagt die Neurowissenschaftlerin Anna Schapiro von der University of Pennsylvania. „Du codierst neue Erfahrungen, während du wach bist, du schläfst ein, und wenn du aufwachst, hat sich dein Gedächtnis irgendwie verändert.“
Doch wie genau neue Erfahrungen im Schlaf verarbeitet werden, ist weitgehend ein Rätsel geblieben. Unter Verwendung eines neuralen Netzwerk-Rechenmodells, das sie bauten, stellten Schapiro, Penn Ph.D. Studentin Dhairyya Singh und Kenneth Norman von der Princeton University haben jetzt neue Einblicke in den Prozess.
In Forschungsergebnissen, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, zeigen sie, dass der Hippocampus dem Neokortex beibringt, was er gelernt hat, während das Gehirn durch den REM-Schlaf (Slow-Wave- und Rapid-Eye-Movement) wechselt, was etwa fünfmal pro Nacht passiert , um neuartige, flüchtige Informationen in dauerhafte Erinnerungen umzuwandeln.
Dies ist nicht nur ein Modell des Lernens in lokalen Schaltkreisen im Gehirn. Auf diese Weise kann eine Gehirnregion eine andere Gehirnregion im Schlaf unterrichten, in einer Zeit, in der es keine Anleitung von der Außenwelt gibt. Es ist auch ein Vorschlag dafür, wie wir im Laufe der Zeit anmutig lernen, wenn sich unsere Umgebung ändert.“
Anna Schapiro, Assistenzprofessorin an der Penn’s Department of Psychology
Im Großen und Ganzen untersucht Schapiro Lernen und Gedächtnis beim Menschen, insbesondere wie Menschen neue Informationen erwerben und festigen. Sie hat lange geglaubt, dass Schlaf hier eine Rolle spielt, etwas, das sie und ihr Team in einem Labor getestet haben, indem sie aufgezeichnet haben, was im Gehirn der Teilnehmer passiert, während sie schlafen.
Ihr Team baut auch neuronale Netzwerkmodelle, um Lern- und Gedächtnisfunktionen zu simulieren. Speziell für diese Arbeit bauten Schapiro und Kollegen ein neuronales Netzwerkmodell, das aus einem Hippocampus, dem Zentrum des Gehirns für neue Erinnerungen, das die Aufgabe hat, die alltäglichen, episodischen Informationen der Welt zu lernen, und dem Neocortex, der für Facetten wie Sprache verantwortlich ist, besteht -Level-Kognition und eine dauerhaftere Speicherung des Gedächtnisses. Während des simulierten Schlafs können die Forscher beobachten und aufzeichnen, welche simulierten Neuronen in diesen beiden Bereichen feuern, und dann diese Aktivitätsmuster analysieren.
Das Team führte mehrere Schlafsimulationen mit einem von ihnen entwickelten, vom Gehirn inspirierten Lernalgorithmus durch. Die Simulationen zeigten, dass das Gehirn während des Slow-Wave-Schlafs die jüngsten Ereignisse und Daten hauptsächlich erneut aufruft, geleitet vom Hippocampus, und während des REM-Schlafs meist das wiederholt, was zuvor passiert ist, geleitet von der Gedächtnisspeicherung in den neokortikalen Regionen.
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„Da sich die beiden Gehirnregionen während des Non-REM-Schlafs verbinden, unterrichtet der Hippocampus tatsächlich den Neokortex“, sagt Singh, ein Doktorand im zweiten Jahr in Schapiros Labor. „Dann, während der REM-Phase, reaktiviert sich der Neokortex und kann wiederholen, was er bereits weiß“, wodurch die Daten im Langzeitgedächtnis festgeschrieben werden.
Auch der Wechsel zwischen den beiden Schlafphasen sei wichtig, sagt er. „Wenn der Neokortex keine Chance hat, seine eigenen Informationen wiederzugeben, sehen wir, dass die Informationen dort überschrieben werden. Wir glauben, dass Sie abwechselnd REM- und Nicht-REM-Schlaf haben müssen, damit eine starke Gedächtnisbildung auftritt.“
Die Ergebnisse stimmen mit dem überein, was auf diesem Gebiet bekannt ist, obwohl Aspekte des Modells noch theoretisch sind. „Das müssen wir noch testen“, sagt Schapiro. „Einer unserer nächsten Schritte wird es sein, Experimente durchzuführen, um zu verstehen, ob der REM-Schlaf wirklich alte Erinnerungen weckt und welche Auswirkungen dies auf die Integration neuer Informationen in Ihr vorhandenes Wissen haben könnte.“
Da die aktuellen Simulationen auf einer gesunden Nachtruhe eines typischen Erwachsenen basierten, lassen sie sich nicht unbedingt auf andere Arten von Erwachsenen oder weniger hervorragende Schlafgewohnheiten übertragen. Sie bieten auch keinen Einblick in das, was mit Kindern passiert, die andere Mengen und Arten von Augenkontakt benötigen als Erwachsene. Schapiro sagt, sie sieht großes Potenzial für ihr Modell, um einige dieser offenen Fragen zu beantworten. „Mit einem solchen Tool können Sie in viele Richtungen gehen, insbesondere weil sich die Schlafarchitektur im Laufe der Lebensdauer und bei verschiedenen Erkrankungen ändert, und wir diese Änderungen im Modell simulieren können“, sagt sie.
Langfristig könnte ein besseres Verständnis der Rolle der Schlafstadien im Gedächtnis helfen, Behandlungen für psychiatrische und neurologische Störungen zu informieren, für die Schlafdefizite ein Symptom sind. Singh sagt, dass es auch Auswirkungen auf Deep Learning und künstliche Intelligenz geben könnte. „Unser biologisch inspirierter Algorithmus könnte neue Richtungen für eine leistungsfähigere Offline-Speicherverarbeitung in KI-Systemen aufzeigen“, sagt er. Diese Proof-of-Concept-Arbeit, die Schlaf und Gedächtnisbildung verbindet, bringt das Feld diesen Zielen einen Schritt näher.
Quelle:
Referenz:
Singh, D., et al. (2022) Ein Modell autonomer Interaktionen zwischen Hippocampus und Neocortex, das die schlafabhängige Gedächtniskonsolidierung vorantreibt. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2123432119.
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