Согласно новому исследованию исследователей Калифорнийского университета в Сан-Франциско, отчетливые паттерны электрической активности в спящем мозгу могут влиять на то, запоминаем мы или забываем то, что узнали накануне. Ученые смогли повлиять на то, насколько хорошо крысы усвоили новый навык, настраивая эти мозговые волны, пока животные спали, предлагая потенциальные будущие применения в улучшении человеческой памяти или забывании травмирующих событий, говорят исследователи.
В новом исследовании, опубликованном 3 октября в журнале Cell, исследовательская группа под руководством доктора медицинских наук Карунеша Гангули.D., адъюнкт-профессор неврологии и член Института нейробиологии UCSF Weill использовал технику, называемую оптогенетикой, для ослабления определенных типов мозговой активности у спящих крыс по желанию.
Это позволило исследователям определить, что два различных типа медленных мозговых волн, наблюдаемых во время сна, называемые медленными колебаниями и дельта-волнами, соответственно усиливают или ослабляют активацию определенных мозговых клеток, участвующих в недавно приобретенном навыке – в данном случае, как управлять водой. носик, которым крысы могли управлять своим мозгом с помощью нейронного имплантата.
"Мы были удивлены, обнаружив, что можем улучшить или ухудшить обучение, подавляя эти различные типы мозговых волн во время сна," Гангули сказал. "В частности, дельта-волны – большая часть сна, но они менее изучены, и никто не приписывал им какую-либо роль. Мы считаем, что эти два типа медленных волн конкурируют во время сна, чтобы определить, будет ли новая информация объединена и сохранена или же забыта."
"Связывание определенного типа мозговых волн с забыванием – новая концепция," Гангули добавил. "Больше исследований было проведено по укреплению воспоминаний, меньше по забыванию, и их, как правило, изучают изолированно друг от друга. Наши данные показывают, что между ними существует постоянная конкуренция – именно баланс между ними определяет то, что мы помним."
Одни спят, чтобы вспомнить, другие – забыть
За последние два десятилетия многовековое человеческое предчувствие о том, что сон играет роль в формировании воспоминаний, все больше подтверждается научными исследованиями. Исследования на животных показывают, что одни и те же нейроны, участвующие в формировании первоначальной памяти о новой задаче или опыте, реактивируются во время сна, чтобы закрепить эти следы памяти в мозгу. Многие ученые считают, что забывание также является важной функцией сна – возможно, как способ освободить разум от ненужной информации.
Медленные колебания и дельта-волны являются отличительными чертами так называемого медленного сна, который – по крайней мере у людей – составляет половину или более ночного сна. Есть свидетельства того, что эти стадии сна, не относящиеся к быстрому сну, играют роль в консолидации различных видов памяти, в том числе в обучении двигательным навыкам. У людей исследователи обнаружили, что время, проведенное на ранних стадиях медленного сна, связано, например, с лучшим изучением простого фортепианного рифа.
Команда Гангули начала изучать роль сна в обучении в рамках своих постоянных усилий по разработке нейронных имплантатов, которые позволили бы людям с параличом более надежно управлять роботизированными конечностями с помощью своего мозга. В ранних экспериментах на лабораторных животных он отмечал, что наибольшее улучшение способности животных управлять этими интерфейсами мозг-компьютер происходило, когда они спали между тренировками.
"Мы поняли, что нам нужно понять, как обучение и забывание происходят во время сна, чтобы понять, как по-настоящему интегрировать искусственные системы в мозг," Гангули сказал.
Мозговые волны соревнуются в определении обучаемости во время сна
В новом исследовании дюжине крыс были имплантированы электроды, отслеживающие возбуждение небольшой группы выбранных нейронов в моторной коре головного мозга, которая участвует в зачатии и выполнении произвольных движений. Создание определенной схемы нейронного возбуждения позволило крысам управлять трубкой для подачи воды в своих клетках. По сути, крысы выполняли своего рода биологическую обратную связь – каждая крыса научилась запускать небольшой ансамбль нейронов вместе по уникальной новой схеме, чтобы сдвинуть кран и получить воду.
Команда Гангули наблюдала тот же уникальный новый образец возбуждения, воспроизводящийся в мозгу животных во время сна. Сила этой реактивации во время сна определяла, насколько хорошо крысы могли контролировать излив воды на следующий день. Но исследователи хотели пойти дальше – понять, как мозг контролирует, учатся крысы или забывают, пока они спят.
Чтобы управлять эффектом мозговых волн во время не-REM-сна, исследователи генетически модифицировали нейроны крыс, чтобы выразить светочувствительный оптогенетический переключатель управления, что позволило команде использовать лазеры и оптоволокно для мгновенного снижения активности мозга, связанной с передачей определенного мозга. волны. Благодаря точной миллисекундной синхронизации лазера ученые в отдельных экспериментах специально подавляли либо медленные колебательные волны, либо дельта-волны в крошечном участке мозга вокруг новой схемы памяти.
Нарушение дельта-волн усиливало реактивацию нейронной активности, связанной с заданием, во время сна и было связано с лучшей производительностью после пробуждения. И наоборот, нарушение медленных колебаний привело к снижению производительности при пробуждении. "Медленные колебания, кажется, защищают новые паттерны нейронного возбуждения после обучения, в то время как дельта-волны, как правило, стирают их и способствуют забыванию," Гангули сказал.
Дальнейший анализ показал, что для защиты обучения медленные колебания должны происходить одновременно с третьим, хорошо изученным феноменом мозговых волн, называемым веретенами сна. Веретено сна – это высокочастотный кратковременный всплеск активности, который возникает в области, называемой таламус, а затем распространяется на другие части мозга. Они связаны с консолидацией памяти, а отсутствие нормальных веретен сна связано с заболеваниями мозга, включая шизофрению и задержку развития, а также со старением.
"Наша работа показывает, что во сне есть сильное стремление забыть," Гангули сказал. "Очень короткие пары шпинделей сна и медленных колебаний могут преодолеть запоминание, вызванное дельта-волнами, и сохранить обучение, но баланс очень хрупкий. Даже небольшие нарушения в этих событиях приводят к забыванию."
Пока не известно, что склоняет чашу весов между забыванием, управляемым дельта-волнами, и медленным обучением, управляемым колебаниями, но очевидно, что лучшее понимание этого процесса может оказать глубокое влияние на изучение человеческого обучения и памяти, сказал Гангули. "Сон действительно вызывает глубокие изменения в мозге. Понимание этих изменений будет иметь решающее значение для интеграции искусственных интерфейсов в мозг и может однажды позволить нам изменить нейронные цепи, чтобы помочь в восстановлении движений, например, после инсульта, где предыдущие исследования показали, что сон играет важную роль в успешном восстановлении."