Используя модель нейронной сети, нейробиолог из Пенсильвании Анна Шапиро и ее коллеги обнаружили, что по мере того, как тело перемещается между циклами быстрого и медленного сна, гиппокамп и неокортекс взаимодействуют способами, которые являются ключевыми для формирования памяти.

Какую роль играют стадии сна в формировании воспоминаний? «Мы давно знаем, что полезное обучение происходит во время сна», — говорит нейробиолог Пенсильванского университета Анна Шапиро. «Вы кодируете новые впечатления, пока бодрствуете, ложитесь спать, а когда просыпаетесь, ваша память каким-то образом трансформируется».

Тем не менее, как именно новые переживания обрабатываются во время сна, остается загадкой. Используя построенную ими вычислительную модель нейронной сети, Шапиро, доктор философии Пенна. студент Дхайрийя Сингх и Кеннет Норман из Принстонского университета получили новое представление об этом процессе.

В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences , они показывают, что по мере того, как мозг циклически проходит через медленные и быстрые движения глаз (REM) сон, который происходит примерно пять раз за ночь, гиппокамп учит неокортекс тому, чему он научился. , превращая новую, мимолетную информацию в прочную память.

Это не просто модель обучения в локальных схемах мозга. Это то, как одна область мозга может обучать другую область мозга во время сна, когда нет никакого руководства из внешнего мира. Это также предложение о том, как мы изящно учимся с течением времени, когда наша среда меняется».

Анна Шапиро, доцент кафедры психологии Пенна

В широком смысле Шапиро изучает обучение и память у людей, в частности то, как люди получают и закрепляют новую информацию. Она давно думала, что здесь сыграл роль сон, что она и ее команда тестировали в лаборатории, записывая, что происходит в мозгу, когда участники спят.

Nordic Naturals, ProMacular Defense, 30 мягких таблеток

Ее команда также создает модели нейронных сетей для имитации функций обучения и памяти. Специально для этой работы Шапиро и его коллеги построили модель нейронной сети, состоящую из гиппокампа, мозгового центра новых воспоминаний, которому поручено изучать повседневную, эпизодическую информацию, и неокортекса, отвечающего за такие аспекты, как язык, высшие уровни. -уровень познания и более постоянное хранилище памяти. Во время имитации сна исследователи могут наблюдать и записывать, какие смоделированные нейроны срабатывают в этих двух областях, а затем анализировать эти модели активности.

Команда провела несколько симуляций сна, используя созданный ими алгоритм обучения, вдохновленный мозгом. Моделирование показало, что во время медленного сна мозг в основном пересматривает недавние инциденты и данные, руководствуясь гиппокампом, а во время быстрого сна он в основном повторяет то, что произошло ранее , руководствуясь хранилищем памяти в областях неокортекса.

«Поскольку две области мозга соединяются во время медленного сна, именно тогда гиппокамп фактически обучает неокортекс», — говорит Сингх, второкурсник докторантуры в лаборатории Шапиро. «Затем, во время фазы быстрого сна, неокортекс повторно активируется и может воспроизводить то, что он уже знает», закрепляя данные в долговременной памяти.

По его словам, имеет значение и чередование двух стадий сна. «Когда у неокортекса нет возможности воспроизвести свою собственную информацию, мы видим, что информация там перезаписывается. Мы думаем, что вам нужно чередование быстрого и медленного сна, чтобы произошло сильное формирование памяти».

Выводы согласуются с тем, что известно в этой области, хотя аспекты модели все еще носят теоретический характер. «Нам еще нужно это проверить», — говорит Шапиро. «Одним из наших следующих шагов будет проведение экспериментов, чтобы понять, действительно ли быстрый сон вызывает старые воспоминания и какое значение это может иметь для интеграции новой информации в ваши существующие знания».

Поскольку текущие симуляции были основаны на том, что обычный взрослый человек спит здоровой ночью, они не обязательно переносятся на другие типы взрослых или менее звездные привычки сна. Они также не дают представления о том, что происходит с детьми, которым требуется другое количество и типы сна, чем взрослым. Шапиро говорит, что видит большой потенциал своей модели, чтобы ответить на некоторые из этих нерешенных вопросов. «Наличие такого инструмента позволяет вам двигаться во многих направлениях, особенно потому, что архитектура сна меняется на протяжении всей жизни и при различных расстройствах, и мы можем моделировать эти изменения в модели», — говорит она.

В долгосрочной перспективе лучшее понимание роли стадий сна в памяти может помочь в лечении психических и неврологических расстройств, симптомом которых является дефицит сна. Сингх говорит, что также могут быть последствия для глубокого обучения и искусственного интеллекта. «Наш биологически вдохновленный алгоритм может указать новые направления для более мощной автономной обработки памяти в системах искусственного интеллекта», — говорит он. Эта экспериментальная работа, связывающая сон и формирование памяти, приближает область еще на один шаг к этим целям.