Впервые исследователи из Цюрихского университета и Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе продемонстрировали причинно-следственный контекст того, почему глубокий сон важен для эффективности обучения человеческого мозга. Они разработали новый неинвазивный метод модуляции глубокого сна у людей в целевой области мозга.
Большинство людей знают по собственному опыту, что всего одна бессонная ночь может затруднить выполнение умственных задач на следующий день. Исследователи полагают, что глубокий сон необходим для поддержания эффективности обучения человеческого мозга в долгосрочной перспективе. Пока мы бодрствуем, мы постоянно получаем впечатления от окружающей среды, в результате чего многочисленные связи между нервными клетками – так называемые синапсы – временами возбуждаются и усиливаются. Возбуждение синапсов снова не нормализуется, пока мы не заснем. Без фазы восстановления многие синапсы остаются максимально возбужденными, а это означает, что изменения в системе больше невозможны: эффективность обучения заблокирована.
Причинно-следственная связь между глубоким сном и эффективностью обучения
Связь между глубоким сном и эффективностью обучения давно известна и доказана. Теперь исследователи из Цюрихского университета (UZH) и Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе впервые смогли продемонстрировать причинную связь в человеческом мозгу. Рето Хубер, профессор Университетской детской больницы Цюриха и детской и подростковой психиатрии в UZH, и Николь Вендерот, профессор кафедры медицинских наук и технологий ETH Zurich, преуспели в манипулировании глубоким сном испытуемых в целевых областях. "Мы разработали метод, позволяющий уменьшить глубину сна в определенной части мозга и тем самым доказать причинную связь между глубоким сном и эффективностью обучения," говорит Рето Хубер.
Субъективное качество сна не ухудшилось
В двухэтапном эксперименте с шестью женщинами и семью мужчинами испытуемые должны были выполнить три различных моторных задания. Конкретное задание заключалось в том, чтобы изучить различные последовательности движений пальцев в течение дня. В ночное время активность мозга испытуемых во время сна отслеживалась с помощью ЭЭГ. В то время как испытуемые могли спать без нарушения сна после фазы обучения в первый день, их сном целенаправленно манипулировали во второй день эксперимента – с помощью акустической стимуляции во время фазы глубокого сна. Для этого исследователи локализовали именно ту часть мозга, которая отвечает за обучение вышеупомянутым движениям пальцев, т.е.е., для контроля моторики (моторная кора). Испытуемые не знали об этой манипуляции; для них качество сна обеих экспериментальных фаз на следующий день было сопоставимым.
Нарушения глубокого сна снижают эффективность обучения
На втором этапе исследователи проверили, как манипуляции с глубоким сном влияют на задачи моторного обучения на следующий день. Здесь они наблюдали, как кривые обучения и успеваемости испытуемых менялись в ходе эксперимента. Как и ожидалось, участники особенно хорошо усвоили моторную задачу утром. Однако по прошествии дня количество ошибок росло. После сна эффективность обучения снова значительно улучшилась. Этого не было после ночи с управляемой фазой сна. Здесь были выявлены явные потери производительности и трудности в обучении движениям пальцев. Эффективность обучения была такой же слабой, как и вечером первого дня эксперимента. Благодаря манипуляциям с моторной корой, возбудимость соответствующих синапсов не снижалась во время сна. "В сильно возбужденной области мозга эффективность обучения была насыщена и больше не могла быть изменена, что препятствовало обучению двигательным навыкам," Николь Вендерот объясняет.
В контролируемом эксперименте с той же задачей исследователи манипулировали другой областью мозга во время сна. Однако в данном случае эта манипуляция не повлияла на эффективность обучения испытуемых.
Планируется использование в клинических исследованиях
Недавно полученные знания – важный шаг в исследовании сна человека. Задача ученых – использовать эти знания в клинических исследованиях. "Многие болезни также проявляются во сне, например, эпилепсия," Рето Хубер объясняет. "Используя новый метод, мы надеемся, что сможем манипулировать теми конкретными областями мозга, которые напрямую связаны с заболеванием." Это может помочь улучшить состояние пострадавших пациентов.