Znanost

Učenje u snu: kako se tijekom spavanja pohranjuje trajna memorija

Igor Berecki subota, 26. studenog 2022. u 06:00

Nova istraživanja koja nam pružaju dubok, detaljni uvid u ljudski mozak kakav ranije nije bio moguć, pokazuju kako se tijekom spavanja događaju procesi reaktiviranja memorije, što rezultira poboljšanim, trajnijim pamćenjem

Neuroznanstvenica Anna Schapiro sa Sveučilišta Pennsylvania (UPenn) provela je veći dio svoje znanstvene karijere u traženju odgovora na pitanje kakvu ulogu igraju pojedine faze sna u formiranju sjećanja. „Već neko vrijeme pretpostavljamo da se tijekom sna događa takozvano korisno učenje“, objašnjava Schapiro. „Dok ste budni, prikupljate nove podatke i kodirate ih u pakete koji se spremaju u mozgu. Potom odete spavati, a kada se probudite, vaše je sjećanje na neki način transformirano: dijelovi memorije su izblijedjeli ili posve nestali, a dijelovi su ostali trajno upamćeni.“

Od hipokampusa k neokorteksu

Način na koji se nova iskustva obrađuju tijekom spavanja do sada je uglavnom ostajao misterij. Ipak, korištenjem računalnog modela neuronske mreže koji su osmislili i izradili, Anna Schapiro, te Dhairyya Singh i Kenneth Norman sa Sveučilišta Princeton imaju novi uvid u detalje procesa učenja i pamćenja tijekom sna. U istraživanju objavljenom u Proceedings of the National Academy of Sciences, pokazali su kako - dok mozak prolazi kroz cikličke faze kroz sporovalnog (non-REM) i brzovalnog sna (REM), što se ponavlja oko pet puta tijekom noći - duboke regije mozga (hipokampus) šalju u površinske dijelove kore mozga (neokorteks) podatke o onome što je naučeno, pretvarajući svježe stečene, privremene informacije u trajno sjećanje.

„Ovo nije običan prikaz kretanja moždanih impulsa u lokalnim krugovima. To je objašnjenje ključnog načina na koji jedna regija mozga podučava drugu regiju tijekom spavanja u vrijeme kada nema dotoka novih informacija iz vanjskog svijeta“, kaže Schapiro. Simulacije su otkrile da tijekom sporovalnog spavanja mozak većinom preispituje nedavne događaje i podatke, vođen hipokampusom, a tijekom REM-faze spavanja uglavnom ponavlja ono što se prethodno dogodilo, vođen pohranom memorije u neokortikalnim regijama.

„Kada se dvije regije mozga povežu tijekom non-REM faze spavanja, tada hipokampus zapravo podučava neokorteks“, kaže Singh, student druge godine doktorskog studija u laboratoriju kojega vodi Schapirova. „Potom se tijekom REM faze neokorteks reaktivira i može reproducirati ono što je naučio, učvršćujući podatke u dugotrajnom pamćenju.“

Pravilna, ritmička izmjena te dvije faze sna je važna, kaže on. „Ako neokorteks nema priliku ponovno reproducirati vlastite informacije, pokazalo se da se te informacije lakše i brže prebrišu i izgube. Potrebno imati naizmjenično REM i ne-REM spavanje kako bi došlo do snažnog formiranja pamćenja.“

S ljudi na računala

Budući da su se simulacije temeljile na odraslim osobama, ne moraju nužno davati uvid u to što se primjerice događa s djecom, koja imaju drukčije trajanje i obrasce spavanja nego odrasli ili pak kod osoba koje boluju od nekih neuroloških oboljenja koja mijenjaju obrasce spavanja i memoriranja. No, Schapirova tvrdi da njihov model neuronske mreže ima veliki potencijal za široku primjenu: „Posjedovanje ovakvog alata omogućuje vam da idete u mnogim smjerovima, posebno zato što se arhitektura spavanja mijenja tijekom životnog vijeka i kod raznih neuroloških poremećaja, a mi u našem modelu možemo vjerno simulirati te promjene.“

Dugoročno gledano, bolje razumijevanje uloge faza spavanja u pamćenju moglo bi pomoći u liječenju psihijatrijskih i neuroloških poremećaja čiji je simptom nedostatak sna. Singh kaže kako bi korištenje njihovog modela moglo imati primjene i za metode dubokog učenja kod umjetne inteligencije. „Naš biološki inspiriran algoritam mogao bi pružiti nove smjernice za snažniju offline obradu memorije u sustavima umjetne inteligencije“, kaže on. „Dokaz koncepta koji povezuje spavanje i formiranje pamćenja primiče nas korak bliže ovim ciljevima.“

Skoro istovremeno s rezultatima simulacije neuronskih mreža kojima je Anna Schapiro sa svojim suradnicima dokazala kako hipokampus i neokorteks surađuju, tijekom sna razmjenjujući informacije prikupljene tijekom prethodnog dana, Sličnim istraživanjem uloge hipokampusa i neokorteksa u pohranjivanju trajne memorije bavile su se i druge skupine znanstvenika. Jedno od tih istraživanja je posebno zanimljivo, jer je pokazalo kako možda i nije posve točna premisa da tijekom spavanja nema dotoka novih informacija iz vanjskog svijeta, nego je štoviše moguće ojačati fiksiranje upamćenih podataka ako se tijekom sna primjenjuju određeni vanjski podražaji.

Sondiranje dubokih moždanih regija

Dok su u dosadašnjim istraživanjima načina na koji mozak tijekom sna obrađuje i pohranjuje sjećanja analizirane elektroencefalografske (EEG) snimke prikupljene standardnim postupkom - elektrodama pričvršćenim putem „kape“ na vanjski dio glave – upravo je objavljena prva studija koja takvu električnu aktivnost bilježi i mapira putem specijalnih mikroelektroda ugrađenih izravno u unutrašnjost mozga.

Neuroznanstvenici sa Sveučilišta Northwestern udružili su se s kliničarima iz Centra za epilepsiju Sveučilišta u Chicagu kako bi u svrhu istraživanja obrazaca pohrane sjećanja proučavali električnu aktivnost mozga koja je registrirana kao odgovor na nizove zvukova koje je istraživački tim puštao pacijentima za vrijeme sna. Pet pacijenata koji su dobrovoljno sudjelovali u studiji imalo je elektrodne sonde ugrađene u mozak kao dio ispitivanja novih mogućnosti liječenja njihovih epileptičkih napadaja.

Ispitanici su nakon buđenja sljedećeg jutra pokazali značajno poboljšanje rezultata u testu prisjećanja. Mapirana aktivnost mozga prikazana je u obliku vizualnih podataka koji identificiraju područja mozga uključena u proces pohrane memorije tijekom noći, što predstavlja značajan napredak u razumijevanju načina na koji u ljudskom mozgu funkcionira pohrana memorije. Iako je broj ispitanih pacijenata bio malen, istraživači smatraju kako je ipak moguće donositi pouzdane zaključke na temelju prikupljenih podataka, jer su kod svih pet pacijenata registrirani isti obrasci moždane električne aktivnosti i poboljšanja pamćenja.

„Istraživali smo kako ljudi pohranjuju sjećanje na ono što su doživjeli, to jest kako nešto upamte umjesto da zaborave“, kaže Ken Paller, direktor Programa kognitivne neuroznanosti na Northwesternu i viši istraživač na studiji. „Naše istraživanje je pokazalo da san pridonosi toj sposobnosti.“ Rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences doslovce istoga dana kada su svoje istraživanje objavili Schapiro, Norman i Singh.

Noćni zvukovi za poboljšanje pamćenja

Prije spavanja, u budnom stanju, pacijentima su na ekranu laptopa prikazane slike na kojima su prikazani brojni jednostavni objekti različito postavljeni u prostoru (npr. slika na kojoj je gore desno lopta, u sredini lijevo ključevi, gore lijevo ptica, dolje desno automobil, itd.), čiji položaj je bilo potrebno reproducirati sutradan ujutro prema sjećanju. Ti jutarnji rezultati zapamćenih objekata i lokacija su zabilježeni i kasnije uspoređeni s rezultatima druge faze ispitivanja.

A u toj drugoj fazi testa su pacijentima tijekom spavanja puštani tihi zvukovi povezani s objektima (npr. zveckanje snopa ključeva, pjev ptice…). Nakon buđenja, ponovljene su jutarnje kontrole upamćenih detalja, na kojima su opažena značajna poboljšanja u testovima prostornog prisjećanja: pacijenti su znatno točnije označavali zapamćena mjesta na zaslonu prijenosnog računala.

Podaci dobiveni registriranjem mikroelektričnih moždanih aktivnosti iz implantiranih moždanih elektroda pokazali su da zvukovi predmeta tijekom sna izazivaju povećanu oscilatornu aktivnost u hipokampusu, dubokoj moždanoj regiji, uključujući povećanje theta, sigma i gama valova na EEG-zapisu. Prisutnost elektrofiziološke aktivnosti u hipokampusu i susjednom medijalnom temporalnom području cerebralnog korteksa, kada su zvukovi pacijentima puštani tijekom sna, odražavala je reaktivaciju i jačanje odgovarajućih prostornih sjećanja. Ovi elektrofiziološki dokazi doveli su istraživače do zaključka da se u tim regijama mozga tijekom sna događa poboljšanje pohrane trajne memorije.

„Prije je postojala uvriježena pretpostavka da će takvi zvukovi biti blokirani dok spavamo, odnosno da nije moguće registrirati i upamtiti zvukove tijekom sna“, rekao je Paller. „Umjesto toga, ti su nam zvukovi pružili izravan dokaz da moždane strukture poput hipokampusa reagiraju kada se sjećanja ponovno aktiviraju vanjskim podražajem kao što je zvuk, pomažući nam da zadržimo znanje koje smo stekli dok smo bili budni.“

Ukratko, vjerojatno zaista ne možemo naučiti gradivo tako što bismo prije spavanja stavili knjigu pod jastuk, kako smo kao djeca priželjkivali da je moguće, ali se čini kako jeste moguće bolje pamtiti ono što smo pročitali ako nam se tijekom spavanja taj isti sadržaj ponovo prezentira u audio-verziji.

Cool, zar ne?

Igor „Doc“ Berecki je pedijatar-intenzivist na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Pobornik teorijske i praktične primjene medicine i znanosti temeljene na dokazima, opušta se upitno ne-stresnim aktivnostima: od pisanja znanstveno-popularnih tekstova i objavljivanja ilustracija u tiskanom izdanju časopisâ BUG, crtkanja računalnih grafika i primijenjenog dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, fejsbučkog blogiranja o životnim neistinama i medicinskim istinama, sve do kuhanja upitno probavljivih craft-piva i sasvim probavljivih jela, te neprobavljivog sviranja bluesa.

📢 Uštedi do 12%

iPad

Idealni za kreativce i svakodnevnu uporabu!

769,99€ 5.801,49 kn 875,84€ Kupi

📢 3 godine jamstva

VERBATIM SSD

128GB, Vi550 S3, SATA 3, 2.5", 560/430 MB/s

22,99€ 173,22 kn Kupi


Viši standard za kućno kino

MARANTZ Cinema 60 DAB

7.2-kanalni AV prijemnik visokih performansi s pojačanjem od 100 W po kanalu, Dolby Atmos, DTS:X, 8K Ultra HD i HEOS ugrađenim streamingom.

1.412,17 € 10.639,99 kn Kupi

Besprijekorna kvaliteta zvuka

KEF LSX II

Jednostavno streamajte bilo što uključujući AirPlay 2, Chromecast, Spotify i Tidal ili neprimjetno povežite LSX II s drugim uređajima.

1.499,63 € 11.298,96 kn Kupi