Zusammenfassung: Während sich der Körper zwischen REM-Schlaf und Langsamschlafzyklen bewegt, interagieren der Hippocampus und der Neokortex, um die Gedächtnisbildung zu erleichtern.
Quelle: Universität von Pennsylvania
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 einer in der veröffentlichten Forschung Proceedings of the National Academy of Scienceszeigen sie, dass der Hippocampus dem Neokortex beibringt, was er gelernt hat, während das Gehirn durch den REM-Schlaf (Slow-Wave- und Rapid-Eye-Movement) zykliert, was er gelernt hat, und neue, flüchtige Informationen in dauerhafte Erinnerungen umwandelt.
„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“, sagt Schapiro, Assistenzprofessor am Department of Psychology von Penn. “Es ist auch ein Vorschlag dafür, wie wir im Laufe der Zeit anmutig lernen, wenn sich unsere Umgebung ändert.”
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 meistens wiederkommt jüngste Ereignisse und Daten, geleitet vom Hippocampus, und während des REM-Schlafs wiederholt es meistens, was passiert ist bishergeleitet von der Gedächtnisspeicherung in den neokortikalen Regionen.
„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 Speicherung der Daten im Langzeitgedächtnis gefestigt wird.
Auch der Wechsel zwischen den beiden Schlafphasen sei wichtig, sagt er. „Wenn der Neokortex keine Möglichkeit 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 des Lebens 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.
Finanzierung: Die Finanzierung dieser Forschung kam von den National Institutes of Health (Grant R01 MH069456) und der Charles E. Kaufman Foundation (Grant KA2020-114800).
Siehe auch
Über diese Neuigkeiten aus der Schlaf- und Gedächtnisforschung
Autor: Michel Berger
Quelle: Universität von Pennsylvania
Kontakt: Michele Berger – Universität von Pennsylvania
Bild: Das Bild ist gemeinfrei
Ursprüngliche Forschung: Geschlossener Zugang.
„Ein Modell autonomer Interaktionen zwischen Hippocampus und Neokortex, das die schlafabhängige Gedächtniskonsolidierung vorantreibt“ von Anna Schapiro et al. PNAS
Abstrakt
Ein Modell autonomer Interaktionen zwischen Hippocampus und Neokortex, das die schlafabhängige Gedächtniskonsolidierung vorantreibt
Wie bauen wir unser Wissen über die Welt im Laufe der Zeit auf?
Viele Theorien zur Gedächtnisbildung und -konsolidierung gehen davon aus, dass der Hippocampus neue Informationen speichert und diese Informationen dann im Laufe der Zeit dem Neokortex „beibringt“, insbesondere während des Schlafs. Aber es ist mechanistisch unklar, wie dies tatsächlich funktioniert – wie können diese Systeme in Zeiten praktisch ohne Umwelteinflüsse interagieren, um nützliches Lernen und Veränderungen in der Repräsentation zu erreichen?
Wir bieten einen Rahmen zum Nachdenken über diese Frage, wobei neuronale Netzmodellsimulationen als Demonstration dienen.
Das Modell besteht aus Hippocampus- und neokortikalen Arealen, die während des simulierten Schlafs Erinnerungen wiedergeben und völlig autonom miteinander interagieren. Oszillationen werden genutzt, um fehlergesteuertes Lernen zu unterstützen, das zu nützlichen Änderungen in der Repräsentation und im Verhalten des Gedächtnisses führt.
Das Modell hat eine Schlafphase ohne schnelle Augenbewegung (NREM), in der die Dynamik zwischen Hippocampus und Neokortex eng gekoppelt ist, wobei der Hippocampus dem Neokortex hilft, High-Fidelity-Versionen neuer Attraktoren wiederherzustellen, und eine REM-Schlafphase, in der sich der Neokortex befindet in der Lage, vorhandene Attraktoren freier zu erkunden.
Wir stellen fest, dass der Wechsel zwischen NREM- und REM-Schlafphasen, die die Wiedergabe des Modells abwechselnd auf aktuelle und entfernte Informationen fokussieren, ein anmutiges kontinuierliches Lernen erleichtert.
Wir stellen somit einen Bericht darüber bereit, wie der Hippocampus und der Neocortex während des Schlafs ohne externe Eingaben interagieren können, um nützliches neues kortikales Lernen voranzutreiben und altes Wissen zu schützen, wenn neue Informationen integriert werden.