Що мозок робить зі спогадами під час сну: вчені виявили невідомі ланцюжки хвиль

Під час REM-сну мозок може відтворювати нещодавній досвід за допомогою особливих послідовностей електричних хвиль. Раніше науковці не спостерігали такого механізму. Відкриття допомагає краще зрозуміти, як різні фази сну можуть разом працювати над збереженням спогадів.

Дослідження провели науковці з Брандейського університету. Роботу опублікували на платформі eLife.

Що відбувається зі спогадами під час сну

Після нового досвіду спогад не одразу стає частиною довготривалої пам’яті. Мозок має повторно активувати та впорядкувати пов’язані з ним нейронні зв’язки. Цей процес називають консолідацією пам’яті.

Одну з головних ролей у ньому відіграє гіпокамп — структура мозку, яка бере участь у формуванні нових спогадів. Для їхнього подальшого збереження гіпокамп взаємодіє з корою, зокрема з префронтальною ділянкою.

Науковці давно знають, що під час повільного NREM-сну мозок може повторно відтворювати схеми активності, які виникали під час навчання. Значення REM-сну — фази, під час якої ми найчастіше бачимо яскраві сни, — залишалося менш зрозумілим.

Як проводили дослідження

Дослідники спостерігали за мозковою активністю десяти дорослих щурів. Тварини виконували просторове завдання: пересувалися W-подібним лабіринтом і шукали винагороду.

У префронтальну кору та ділянку CA1 гіпокампа щурів імплантували мікроелектроди. Це дозволило фіксувати загальні електричні ритми мозку та активність окремих нейронів під час навчання і подальшого сну.

Науковці порівнювали роботу мозку протягом двох основних фаз — NREM- і REM-сну.

Які хвилі виявили науковці

Під час REM-сну у префронтальній корі виникали короткі високочастотні коливання. На відміну від поодиноких сплесків, характерних для NREM-сну, вони утворювали повторювані ланцюжки.

Окремі події в цих ланцюжках повторювалися приблизно кожні 130 мілісекунд і були синхронізовані з повільнішим тета-ритмом, активним під час REM-сну.

У цей момент загальна активність префронтальної кори зменшувалася. На її тлі невеликі групи нейронів активувалися у чіткій послідовності.

Це відрізнялося від картини під час NREM-сну, коли повторна активація охоплювала більші групи нейронів і відбувалася короткими інтенсивними сплесками. REM-послідовності були вибірковішими та тривали довше — близько однієї секунди проти приблизно 100 мілісекунд під час NREM-сну.

Як взаємодіяли різні ділянки мозку

Під час нововиявлених ланцюжків посилювалася синхронізація між префронтальною корою та гіпокампом. Це може вказувати на активніший обмін інформацією між двома ділянками, важливими для пам’яті.

До процесу залучалися конкретні нейрони гіпокампа. Цікаво, що ці самі клітини пригнічувалися під час певних хвиль у фазі NREM-сну.

Упродовж сну їхня базова активність поступово змінювалася. На думку дослідників, чергування NREM- і REM-фаз може допомагати мозку регулювати чутливість нейронних мереж і вибірково працювати з інформацією, отриманою протягом дня.

Чим відрізняються дві фази сну

Результати показують, що мозок може повторно активувати досвід у різний спосіб:

• під час NREM-сну виникають короткі й масштабні сплески активності;
• під час REM-сну активуються менші групи нейронів, але їхня робота триває довше та має послідовну структуру.

Це дозволяє припустити, що NREM-сон може запускати широке відтворення недавнього досвіду, а REM-сон — точніше відбирати, налаштовувати або інтегрувати окремі його елементи.

Проте це поки що пояснення механізму, а не остаточно доведений розподіл функцій між фазами сну.

Яку роль може відігравати ацетилхолін

Дослідники також створили комп’ютерну модель нейронної мережі. У ній врахували рівень ацетилхоліну — нейромедіатора, концентрація якого значно відрізняється у різних фазах сну.

За низького рівня ацетилхоліну, характерного для NREM-сну, невеликий сигнал спричиняв масштабний сплеск нейронної активності.

За високого рівня, властивого REM-сну, поширення активності обмежувалося. У результаті модель відтворювала вибіркові й послідовні реакції, подібні до тих, які науковці зафіксували у мозку тварин.

Що насправді доводить дослідження

Результати показують, що повторна активація мозкових схем відбувається не лише під час глибокого NREM-сну. REM-сон також має власний, відмінний спосіб відтворення нещодавнього досвіду.

Але науковці поки не довели, що виявлені ланцюжки безпосередньо покращують пам’ять. Їм не вдалося пов’язати появу цих хвиль із тим, наскільки добре тварини надалі виконували завдання.

Дослідження також проводили лише на десяти щурах, а мозкову активність записували протягом кількох годин, а не повного добового циклу. Через відсутність запису рухів очей науковці не могли точно розділити окремі підтипи REM-сну.

Тому говорити про відкриття остаточного механізму збереження людських спогадів зарано. Наступний крок — перевірити, чи справді ці хвильові ланцюжки необхідні для консолідації пам’яті та чи існує аналогічний процес у мозку людини.