Uyku Sırasında Bir Beyin Bölgesi Bir Başkasına Öğretiyor, Yeni Verileri Kalıcı Hatıralara Dönüştürüyor

Özet: Vücut, REM uykusu ve yavaş dalga uyku döngüleri arasında hareket ederken, hipokampus ve neokorteks, hafıza oluşumunu kolaylaştırmak için etkileşime girer.

Kaynak: Pensilvanya Üniversitesi

Uyku evreleri anıların oluşmasında nasıl bir rol oynar?

Pennsylvania Üniversitesi’nden sinirbilimci Anna Schapiro, “Uyku sırasında faydalı öğrenmenin gerçekleştiğini uzun zamandır biliyorduk” diyor. “Uyanıkken yeni deneyimleri kodlarsınız, uyursunuz ve uyandığınızda hafızanız bir şekilde dönüştürülmüştür.”

Yine de uyku sırasında yeni deneyimlerin tam olarak nasıl işlendiği çoğunlukla bir sır olarak kaldı. Oluşturdukları bir sinir ağı hesaplama modelini kullanarak, Schapiro, Penn Ph.D. öğrenci Dhairyya Singh ve Princeton Üniversitesi’nden Kenneth Norman artık sürece dair yeni bir anlayışa sahip.

Dergide yayınlanan araştırmada Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabıbeyin, bir gece yaklaşık beş kez gerçekleşen yavaş dalga ve hızlı göz hareketi (REM) uykusunda döngü yaparken, hipokampusun neokortekse öğrendiklerini öğrettiğini, yeni, kısacık bilgileri kalıcı belleğe dönüştürdüğünü gösteriyorlar.

“Bu sadece beyindeki yerel devrelerde bir öğrenme modeli değil. Penn’in Psikoloji Bölümü’nde yardımcı doçent olan Schapiro, uyku sırasında bir beyin bölgesinin başka bir beyin bölgesini, dış dünyadan rehberliğin olmadığı bir zamanda bu şekilde öğretebileceğini söylüyor. “Ayrıca, çevremiz değiştikçe zaman içinde nasıl incelikle öğreneceğimize dair bir öneri.”

Genel olarak, Schapiro insanlarda öğrenme ve hafızayı, özellikle de insanların yeni bilgileri nasıl edindiğini ve pekiştirdiğini inceler. Uzun zamandır burada uykunun bir rol oynadığını düşünüyordu, kendisi ve ekibi bir laboratuvarda test ediyor ve katılımcılar uyurken beyinde neler olduğunu kaydediyor.

Ekibi ayrıca öğrenme ve hafıza işlevlerini simüle etmek için sinir ağı modelleri de oluşturuyor. Özellikle bu çalışma için, Schapiro ve meslektaşları, dünyanın günlük, epizodik bilgilerini ve dil gibi yönlerden sorumlu neokorteks ile görevlendirilen, beynin yeni anıların merkezi olan hipokampustan oluşan bir sinir ağı modeli oluşturdular. -seviye biliş ve daha kalıcı bellek depolama.

Simüle edilmiş uyku sırasında, araştırmacılar bu iki alanda hangi simüle nöronların ateşlendiğini izleyebilir ve kaydedebilir, ardından bu aktivite modellerini analiz edebilir.

Ekip, oluşturdukları beyinden ilham alan bir öğrenme algoritmasını kullanarak birkaç uyku simülasyonu çalıştırdı. Simülasyonlar, yavaş dalga uykusu sırasında beynin çoğunlukla tekrar ziyaret ettiğini ortaya çıkardı. son hipokampus tarafından yönlendirilen olaylar ve veriler ve REM uykusu sırasında çoğunlukla olanları tekrarlar Öncedenneokortikal bölgelerdeki bellek depolaması tarafından yönlendirilir.

Schapiro’nun laboratuvarında ikinci sınıf doktora öğrencisi olan Singh, “İki beyin bölgesi REM dışı uyku sırasında bağlandığında, hipokampus aslında neokorteksi öğretiyor” diyor. “Ardından, REM aşamasında, neokorteks yeniden aktive olur ve zaten bildiğini tekrar edebilir”, verilerin uzun süreli bellekte tutulmasını sağlamlaştırır.

İki uyku aşaması arasındaki değişimin de önemli olduğunu söylüyor. “Neokorteks kendi bilgisini tekrar etme şansına sahip olmadığında, oradaki bilgilerin üzerine yazıldığını görüyoruz. Güçlü hafıza oluşumunun gerçekleşmesi için REM ve non-REM uykusunun dönüşümlü olması gerektiğini düşünüyoruz.”

Modelin bazı yönleri hala teorik olsa da, bulgular sahada bilinenlerle tutarlıdır.

Schapiro, “Bunu hala test etmemiz gerekiyor” diyor. “Bir sonraki adımlarımızdan biri, REM uykusunun gerçekten eski anıları uyandırıp uyandırmadığını ve yeni bilgileri mevcut bilginize entegre etmek için ne gibi etkileri olabileceğini anlamak için deneyler yapmak olacak.”

Mevcut simülasyonlar, sağlıklı bir gece uykusu çeken tipik bir yetişkine dayandığından, mutlaka diğer yetişkin türlerine veya yıldızdan daha az uyku alışkanlıklarına geçmeleri gerekmez.

Ayrıca, yetişkinlerden farklı miktarlarda ve türde uykuya ihtiyaç duyan çocuklarda neler olduğuna dair bir fikir de sunmuyorlar. Schapiro, modelinin bu olağanüstü sorulardan bazılarını yanıtlama konusunda büyük bir potansiyel gördüğünü söylüyor.

“Böyle bir araca sahip olmak, özellikle uyku mimarisi yaşam boyu ve çeşitli bozukluklarda değiştiği için birçok yöne gitmenize izin veriyor ve bu değişiklikleri modelde simüle edebiliyoruz” diyor.

Uzun vadede, uyku evrelerinin bellekteki rolünün daha iyi anlaşılması, uyku bozukluklarının bir semptom olduğu psikiyatrik ve nörolojik bozukluklara yönelik tedavilerin bilgilendirilmesine yardımcı olabilir. Singh, derin öğrenme ve yapay zeka için de etkileri olabileceğini söylüyor.

“Biyolojik olarak ilham alan algoritmamız, AI sistemlerinde daha güçlü çevrimdışı bellek işleme için yeni yönler sağlayabilir” diyor.

Uyku ve hafıza oluşumunu birbirine bağlayan bu kavram kanıtı çalışması, alanı bu hedeflere bir adım daha yaklaştırıyor.

Finansman: Bu araştırma için fon, Ulusal Sağlık Enstitülerinden (Grant R01 MH069456) ve Charles E. Kaufman Vakfı’ndan (Grant KA2020-114800) geldi.

Bu uyku ve hafıza araştırması haberleri hakkında

Soyut

Hipokampus ve neokorteks arasında uykuya bağlı hafıza konsolidasyonu sağlayan bir otonom etkileşim modeli

Zaman içinde dünya hakkındaki bilgimizi nasıl geliştiririz?

Birçok hafıza oluşumu ve konsolidasyonu teorisi, hipokampüsün yeni bilgileri depoladığını ve daha sonra bu bilgiyi zaman içinde, özellikle uyku sırasında neokortekse “öğrettiğini” öne sürdü. Ancak, mekanik olarak bunun gerçekte nasıl çalıştığı belirsizdir—Bu sistemler, yararlı öğrenmeyi ve temsilde geçişleri gerçekleştirmek için neredeyse hiç çevresel girdi olmayan dönemlerde nasıl etkileşime girebilir?

Gösteriler olarak hizmet veren sinir ağı modeli simülasyonları ile bu soru hakkında düşünmek için bir çerçeve sağlıyoruz.

Model, simüle edilmiş uyku sırasında anıları yeniden canlandıran ve birbirleriyle tamamen özerk bir şekilde etkileşime giren hipokampus ve neokortikal alanlardan oluşur. Salınımlar, bellek temsili ve davranışında faydalı değişikliklere yol açan hataya dayalı öğrenmeyi desteklemek için kullanılır.

Model, hipokampus ve neokorteks arasındaki dinamiklerin sıkı bir şekilde birleştiği, hipokampusun neokorteksin yeni çekicilerin yüksek kaliteli versiyonlarını eski haline getirmesine yardımcı olduğu hızlı olmayan bir göz hareketi (NREM) uyku aşamasına ve neokorteks’in bulunduğu bir REM uyku aşamasına sahiptir. mevcut çekicileri daha özgürce keşfedebilir.

Modelin tekrarını en son ve uzak bilgilere odaklayan NREM ve REM uyku aşamaları arasında geçiş yapmanın, zarif sürekli öğrenmeyi kolaylaştırdığını bulduk.

Böylece, yararlı yeni kortikal öğrenmeyi teşvik etmek ve yeni bilgiler entegre edildikçe eski bilgileri korumak için uyku sırasında herhangi bir dış girdi olmadan hipokampus ve neokorteksin nasıl etkileşime girebileceğinin bir hesabını sunuyoruz.