Сон консолидирует память и подготавливает мозг к обучению

Формирование, хранение и извлечение информации из памяти – это фундаментальные процессы, которые определяют, кто мы такие и как взаимодействуем с миром. На клеточном уровне эти процессы зависят от специализированных нейронов, называемых энграммными клетками, – нейронных популяций, которые физически кодируют наш опыт и позволяют нам вспоминать его позже. За последние несколько десятилетий ученые добились значительного прогресса в выявлении этих нейронных ансамблей и понимании некоторых аспектов распределения памяти.

Хотя общеизвестно, что сон необходим для обработки и консолидации памяти, многие из его базовых механизмов и функций неясны. Традиционные взгляды в основном фокусируются на сне как на процессе, обращенном в прошлое, который служит для закрепления прошлого опыта, но может ли он одновременно помочь подготовить мозг к новому обучению?

В недавней попытке ответить на этот вопрос исследовательская группа из Японии, возглавляемая почетным профессором Каору Инокучи из Университета Тоямы, обнаружила двойную роль сна в обработке памяти.

В их статье, опубликованной в журнале Nature Communications, исследуется, как мозг одновременно сохраняет прошлые воспоминания и готовится к будущим во время сна.

Исследователи использовали передовую систему визуализации, которая сочетает в себе визуализацию кальция в реальном времени с маркировкой клеток энграмм, что позволяет им отслеживать активность нейронов у мышей до, во время и после обучения. Этот подход дал им беспрецедентное представление о том, как конкретные популяции нейронов ведут себя в различных когнитивных состояниях, в том числе в периоды сна до и после обучения.

Их результаты показали, что во время сна после обучения происходят два параллельных процесса. Во-первых, клетки энграммы, которые кодируют первоначальный опыт обучения, демонстрируют паттерны реактивации, что подтверждает хорошо отлаженный процесс консолидации. Примечательно, что они также выявили отдельную популяцию нейронов, которые они назвали “клетками будущих энграмм”, которые становятся все более синхронизированными во время сна после обучения. Позже было показано, что эти клетки кодируют новый, отличающийся от предыдущего, опыт обучения.

“Клетки будущих энграмм демонстрировали увеличенную совместную активность с существующими клетками энграмм во время сна. Это позволяет предположить, что такое взаимодействие помогает формировать новые сети памяти”, – объясняет профессор Инокучи.

Чтобы понять механизмы, лежащие в основе этого явления, команда разработала модель нейронной сети, имитирующую активность гиппокампа. Модель предполагала, что синаптическая депрессия и масштабирование, которые являются механизмами, регулирующими силу связей между нейронами во время сна, необходимы для появления клеток, которые могут стать энграммами. Когда в модели были отключены эти процессы, подготовка нейронов к будущему обучению была значительно нарушена.

Исследование также выявило интересную динамику между существующими и будущими энграммными клетками, демонстрирующую повышенную совместную активацию во время сна после обучения.

Это указывает на некоторую форму передачи информации или координации между нейронными сетями, представляющими прошлые и будущие воспоминания.

Эти результаты имеют важное значение для нашего понимания процессов обучения и памяти. Они позволяют предположить, что качество сна между сеансами обучения может определять не только то, насколько хорошо мы запоминаем то, что уже выучили, но и насколько эффективно мы можем усваивать новую информацию. Это может повлиять на подходы к образованию, улучшению когнитивных способностей и лечению расстройств памяти.

Кроме того, исследование открывает новые возможности для изучения того, как нарушения сна могут влиять не только на консолидацию памяти, но и на готовность мозга к будущим задачам, связанным с обучением. “Мы считаем, что манипулирование мозговой активностью во время сна или режимами сна может выявить методы улучшения памяти за счет раскрытия скрытого потенциала мозг”, – говорит профессор Инокучи.

В целом, это исследование подчеркивает важнейшую роль сна в поддержании когнитивных функций и общего благополучия. “Мы хотим, чтобы люди понимали, что сон – это не просто отдых, он играет решающую роль в том, как мозг обрабатывает информацию”, – заключает профессор Инокучи. “С этим пониманием мы надеемся, что каждый начнет больше ценить сон и использовать его как способ улучшить общее качество своей жизни”.