Мозок продовжує вчитися, навіть коли ми спимо: вчені з’ясували, як це відбувається

Навіть коли людина спить, її мозок продовжує працювати з інформацією, отриманою протягом дня. Це стосується не тільки спогадів про події, а й рухових навичок — наприклад, гри на музичному інструменті, танців або їзди на велосипеді. Нове дослідження показало, що мозок може повторно відтворювати послідовності рухів під час сну без участі гіпокампа — ділянки, яку тривалий час вважали центральною для закріплення спогадів.

Результати дослідження на мишах опублікували в журналі Nature Neuroscience. Про них повідомляє PsyPost.

Як мозок запам’ятовує нові рухи

Коли ми вчимося їздити на велосипеді, друкувати на клавіатурі або виконувати нову фізичну вправу, спочатку доводиться свідомо контролювати майже кожен рух. Із практикою дії стають точнішими та поступово автоматизуються. За це відповідає процедурна пам’ять, яка допомагає засвоювати рухові навички та звички.

На відміну від пам’яті про факти й події, процедурна пам’ять значною мірою спирається на мозкові структури, пов’язані з рухами та формуванням звичок. Однією з них є смугасте тіло, або стріатум, розташоване в глибині головного мозку.

Відомо, що сон допомагає закріплювати засвоєну інформацію. Під час відпочинку мозок може повторно активувати нейронні послідовності, які виникали під час навчання. Цей процес називають нейронним відтворенням, або replay.

Довгий час науковці припускали, що центральну роль у такому відтворенні відіграє гіпокамп — структура, яка бере участь у формуванні спогадів про події та просторової пам’яті. Однак дослідники з Університетського коледжу Лондона вирішили перевірити, чи можуть мозкові системи, відповідальні за рухові навички, працювати незалежно від нього.

Що показав експеримент на мишах

Науковці навчили мишей виконувати послідовність із п’яти рухів. Тварини мали торкатися носом спеціальних отворів у визначеному порядку, щоб отримати воду як винагороду. Після багаторазових повторень рухи ставали швидшими, точнішими та більш автоматизованими.

Дослідники реєстрували активність окремих нейронів у стріатумі під час виконання завдання, а потім спостерігали за роботою тих самих клітин, коли миші спали. Для аналізу використовували алгоритми машинного навчання, які допомагали розпізнавати послідовності нейронної активності.

Виявилося, що під час сну мозок повторно активував ті самі нейронні послідовності, які виникали під час тренування. Іноді вони відтворювалися зі звичайною швидкістю, а іноді значно швидше, ніж відбувалися самі рухи.

При цьому мозок частіше відтворював послідовності, пов’язані з виконанням завдання та отриманням винагороди, ніж випадкові рухи. Деякі характеристики такого відтворення були пов’язані з кращими результатами наступного дня.

Чи потрібен гіпокамп для закріплення рухових навичок

Щоб перевірити роль гіпокампа, науковці провели окремий експеримент, у якому пошкодили цю структуру мозку в частини мишей. Після цього порівняли їхню здатність навчатися рухової послідовності та активність нейронів під час сну з показниками контрольної групи.

Результати показали, що миші з пошкодженим гіпокампом засвоювали завдання так само успішно, як і інші тварини. Вони виконували послідовність із подібною швидкістю та точністю.

Найцікавіше, що під час сну їхній стріатум продовжував відтворювати нейронні послідовності, пов’язані з тренуванням. Вони могли відтворюватися у прямому та зворотному порядку, прискорюватися або сповільнюватися. Відсутність функціонального гіпокампа не порушила цих характеристик.

Це свідчить, що принаймні деякі механізми закріплення рухових навичок можуть працювати незалежно від гіпокампа. Мозкові системи, які відповідають за різні типи пам’яті, ймовірно, мають більше автономності, ніж припускали раніше.

Чому сон допомагає краще виконувати вивчені рухи

В іншій частині експерименту дослідники тимчасово блокували в стріатумі рецептори, необхідні для нейропластичності — здатності мозку змінювати зв’язки між нейронами. Це робили після денного тренування, коли миші вже спали.

Наступного дня тварини виконували завдання гірше, ніж до втручання. Їхні результати поверталися до рівня попередніх етапів навчання, що вказує на значення процесів нейропластичності під час сну для збереження набутої навички.

Автори дослідження припускають, що повторне відтворення нейронних послідовностей допомагає зміцнювати зв’язки між клітинами мозку. Завдяки цьому засвоєні рухи можуть ставати точнішими та стабільнішими навіть без додаткового тренування.

Однак дослідження не доводить, що кожне повторне відтворення нейронної активності безпосередньо покращує навичку. Науковці встановили зв’язок між певними характеристиками цього процесу та подальшим виконанням завдання, а також показали роль нейропластичності під час сну.

Що це відкриття означає для людей

Результати допомагають краще зрозуміти, як мозок зберігає рухові навички та чому сон може бути корисним після навчання. Вони також ставлять під сумнів уявлення про те, що гіпокамп обов’язково керує всіма процесами повторного відтворення спогадів під час сну.

Проте експерименти проводили на мишах, тому поки невідомо, чи працює цей механізм так само в мозку людини. Крім того, гіпокамп може залишатися необхідним для складніших рухових завдань, які потребують просторової орієнтації або запам’ятовування навколишнього середовища.

Надалі науковці планують з’ясувати, що саме запускає незалежне відтворення рухових послідовностей у стріатумі. Серед можливих механізмів вони розглядають участь дофаміну — нейромедіатора, який впливає на навчання, мотивацію та обробку винагороди.

Дослідження не означає, що сон може замінити практику. Проте воно показує, що процес навчання не обов’язково закінчується тоді, коли ми припиняємо тренуватися: мозок продовжує працювати з набутим досвідом навіть під час відпочинку.