Связь между сном и памятью изучалась по крайней мере с начала 19 века. Память , когнитивный процесс хранения и извлечения прошлого опыта, обучения и распознавания, [1] является продуктом пластичности мозга , структурных изменений в синапсах , которые создают ассоциации между стимулами. Стимулы кодируются в течение миллисекунд; однако долгосрочное сохранение воспоминаний может занять дополнительные минуты, дни или даже годы, чтобы полностью консолидироваться и стать стабильной памятью, которая доступна (более устойчива к изменениям или помехам). Таким образом, формирование определенной памяти происходит быстро, но эволюция памяти часто является непрерывным процессом.
Было показано, что процессы памяти стабилизируются и улучшаются (ускоряются и/или интегрируются), а воспоминания лучше консолидируются ночным сном и дневным сном . Было показано, что определенные стадии сна улучшают память человека, хотя это зависит от конкретной задачи. Как правило, считается, что декларативная память улучшается во время медленного сна , в то время как недекларативная память улучшается во время быстрого сна (БДГ) , хотя есть некоторые противоречия в экспериментальных результатах. Влияние сна на память, особенно в том, что касается человеческого мозга , является активной областью исследований в неврологии , психологии и смежных дисциплинах.
В 1801 году Дэвид Хартли впервые предположил, что сновидения изменяют ассоциативные планетарные связи в мозге во время периодов быстрого движения глаз (БДГ) цикла сна. Идея о том, что сон оказывает восстанавливающее действие на психику, сортируя и консолидируя воспоминания и идеи, была интеллектуально приемлемой к концу 19-го века. В «Питере и Венди» [2] Дж. М. Барри писал : «У каждой хорошей матери есть ежевечерняя привычка после того, как ее дети засыпают, рыться в их головах и приводить все в порядок к следующему утру, раскладывая по своим местам многочисленные вещи, которые бродили в течение дня... Когда вы просыпаетесь утром, непослушания и злые страсти, с которыми вы ложились спать, были сложены в маленькие складки и помещены на дно вашего разума; а сверху, красиво проветриваемые, разложены ваши самые красивые мысли, готовые к тому, чтобы вы их надели». Истории о Питере Пэне происходят в вымышленном мире и содержат множество намеков на аспекты когнитивной психологии , некоторые из которых предшествовали их формальному научному исследованию. [3]
Первое полусистематическое исследование связи между сном и памятью было проведено в 1924 году Дженкинсом и Далленбахом с целью проверки теории распада памяти Германа Эббингауза . [1] Их результаты показали, что сохранение памяти было намного лучше после периода сна по сравнению с тем же интервалом времени, проведенным в состоянии бодрствования. Однако только в 1953 году, когда сон был разделен на сон с быстрым движением глаз и сон с небыстрым движением глаз , были проведены исследования, сосредоточенные на влиянии определенных стадий сна на память. [1] Поскольку поведенческие характеристики эффектов сна и памяти становятся все более понятными и поддерживаемыми, исследователи обращаются к слабо изученной нейронной основе сна и памяти. [4]
Сон развивается циклически, состоящим из пяти стадий. Четыре из этих стадий в совокупности называются сном без быстрого движения глаз (NREM), тогда как последний цикл — это период быстрого движения глаз. Цикл длится примерно 90–110 минут. Бодрствование определяется с помощью электроэнцефалограммы ( ЭЭГ ), которая измеряется и характеризуется бета-волнами , самыми высокими по частоте, но самыми низкими по амплитуде, и, как правило, движется непоследовательно из-за огромного количества стимулов, с которыми человек сталкивается во время бодрствования.
В течение первой половины ночи большая часть сна проходит в состоянии медленного сна, но по мере того, как ночь продолжается, длительность стадий медленного сна уменьшается, а длительность стадий быстрого сна увеличивается. [6]
Стабилизация памяти — это закрепление памяти на месте, в котором устанавливается слабая связь. Стабилизация процедурных воспоминаний может происходить даже во время бодрствования, что предполагает, что определенные недекларативные задачи улучшаются при отсутствии сна. [4] Однако, когда говорят, что воспоминания улучшаются, связь усиливается повторением, а также связыванием ее с другими связанными воспоминаниями, тем самым делая извлечение более эффективным. В то время как стабилизация недекларативных воспоминаний может происходить во время бодрствования, усиление этих сенсорных и моторных воспоминаний , как было обнаружено, чаще всего происходит во время ночного сна. [4]
Активность мозга, которая происходит во время сна, оценивается двумя способами: зависимость от использования и зависимость от опыта. [7] Зависимая от использования активность мозга является результатом использования нейронов, которое произошло в предыдущие часы бодрствования. По сути, это регенерация нейронов, активность, которая происходит независимо от того, узнал ли человек что-то новое или нет. [7]
Зависимая от опыта активность мозга является результатом новой ситуации, среды или изученной задачи или факта, которые имели место в период перед сном. Это тип активности мозга, который обозначает консолидацию/усиление памяти. [7]
Часто бывает трудно различить эти два условия в экспериментальной обстановке, поскольку сама обстановка является новой средой. Эта новая среда будет видна в активности мозга во время сна вместе с недавно изученной задачей. Чтобы избежать этого, большинство экспериментаторов настаивают на том, чтобы участники провели один день в экспериментальных условиях до начала тестирования, чтобы обстановка не была новой после начала эксперимента. Это гарантирует, что собранные данные для мозговой активности, зависящей от опыта, будут получены исключительно из новой задачи.
Консолидация памяти — это процесс, который берет изначально нестабильное представление и кодирует его более прочным, эффективным и действенным образом. В этом новом состоянии память менее восприимчива к помехам. [1] По сути, существует три фазы консолидации памяти , и все они, как считается, облегчаются сном или не сном:
Реконсолидация памяти включает в себя извлечение уже консолидированной памяти (явной или неявной) в краткосрочную или рабочую память. Здесь она приводится в лабильное состояние, в котором последующая информация может вмешиваться в то, что в данный момент находится в памяти, тем самым изменяя память. Это известно как ретроактивное вмешательство и является чрезвычайно важной проблемой для суда и показаний очевидцев. [8]
Исследователи подходят к изучению сна и памяти с разных сторон. Некоторые исследования измеряют эффекты лишения сна после того, как обучают новому заданию (субъект изучает задание и затем лишается сна). Это называется посттренировочным лишением сна . Наоборот, были проведены другие эксперименты, которые измеряют эффекты лишения сна до того, как задание было обучено (субъект лишается сна, а затем усваивает задание). Это называется предтренировочным лишением сна .
Это обработка воспоминаний вне сознательного восприятия. Например, после того, как кто-то прочитал книгу, его мозг продолжает обрабатывать опыт во время других действий. Эта «офлайн» обработка также происходит во время сна. [8]
Нейровизуализацию можно разделить на две категории, обе используются в различных ситуациях в зависимости от того, какой тип информации необходим. Структурная визуализация преимущественно имеет дело со структурой мозга ( компьютерная томография ), в то время как функциональная визуализация в большей степени имеет дело с метаболическими процессами в отношении анатомического функционирования ( позитронно-эмиссионная томография , функциональная магнитно-резонансная томография ). В последние годы связь между сном и процессами памяти была подкреплена развитием таких методов нейровизуализации. [17]
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) используется для просмотра функциональных процессов мозга (или других частей тела). Позитронно -эмиссионный радионуклид вводится в кровоток и испускает гамма-лучи , которые обнаруживаются сканером визуализации. Затем компьютерный анализ позволяет провести трехмерную реконструкцию интересующей области мозга или части тела.
Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) — это тип визуализации мозга, который измеряет изменение кислорода в крови из-за активности нейронов. Полученные данные можно визуализировать в виде изображения мозга с цветными представлениями активации.
Хотя это может рассматриваться как похожее на методы нейровизуализации, молекулярные измерения помогают усилить области активации, которые в противном случае были бы неразборчивы для нейровизуализации. Одним из таких методов, который помогает как во временном, так и во визуальном разрешении фМРТ, является реакция, зависящая от уровня кислорода в крови (BOLD). Изменения в реакции BOLD можно увидеть, когда в предполагаемых областях функционирования наблюдаются разные уровни активации. Энергия поступает в мозг в форме глюкозы и кислорода (который переносится гемоглобином ). [18] Кровоснабжение последовательно регулируется таким образом, что области активации получают большее количество энергии по сравнению с областями, которые менее активированы. [19] В позитронно-эмиссионной томографии использование радионуклидов ( изотопов с коротким периодом полураспада ) облегчает визуальное разрешение. Эти радионуклиды присоединяются к глюкозе, воде и аммиаку , так что достигается легкое поглощение в активированных областях мозга. После того, как эти радиоактивные индикаторы вводятся в кровоток , эффективность и местоположение химических процессов можно наблюдать с помощью ПЭТ. [20]
Основным методом измерения сна у людей является полисомнография (ПСГ). Для этого метода участники часто должны приходить в лабораторию, где исследователи могут использовать ПСГ для измерения таких показателей, как общее время сна, эффективность сна, пробуждение после начала сна и фрагментация сна. ПСГ может контролировать различные функции организма, включая активность мозга (электроэнцефалография), движение глаз (электроокулография), движение мышц (электромиография) и сердечный ритм (электрокардиография).
Актиграфия — это распространенный и минимально инвазивный способ измерения архитектуры сна. Актиграфия имеет только один метод записи — движение. Это движение можно анализировать с помощью различных актиграфических программ. Таким образом, актиграф часто можно носить как часы или на талии как ремень. Поскольку он минимально инвазивный и относительно недорогой, этот метод позволяет проводить записи вне лабораторных условий и в течение многих дней подряд. Но актиграфия часто переоценивает время сна (de Souza 2003 и Kanady 2011).
Большинство исследований указывают на специфические дефициты в декларативной памяти, которые формируются до или после лишения быстрого сна. И наоборот, дефициты в недекларативной памяти возникают до или после лишения медленного сна. Это теория улучшения, специфичная для стадии. [7] Существует также предложенная гипотеза двухэтапной памяти, предполагающая, что оптимальное обучение происходит, когда след памяти изначально обрабатывается в медленном сне, а затем в быстром сне. Подтверждение этому показано во многих экспериментах, где улучшение памяти больше при медленном сне или быстром сне по сравнению с лишением сна, но память еще точнее, когда период сна содержит как медленное сновидение, так и быстрый сон. [7]
Декларативная память — это память об осознанных событиях. Существует два типа декларативной памяти: эпизодическая и семантическая. Эпизодическая память предназначена для запоминания опыта или личных фактов, тогда как семантическая память — это запоминание конкретных фактов. Декларативная память обычно считается явной памятью , потому что человек должен сознательно пытаться ее вспомнить.
Временная память состоит из трех основных категорий, [21] хотя они все еще обсуждаются психологами и нейробиологами; категории - это непосредственная память, кратковременная и долговременная память. [22] Непосредственная память - это когда воспоминание вызывается на основе недавно представленной информации. Кратковременная память - это то, что используется при сохранении информации, которая была представлена в течение нескольких секунд или минут до этого. Тип кратковременной памяти известен как рабочая память, которая представляет собой способность сохранять информацию, необходимую для выполнения последовательных действий. Долговременная память - это сохранение информации в течение более длительных периодов времени, таких как дни, недели или даже всю жизнь.
В исследовании участники были разделены на четыре группы: две контрольные группы, которым давали либо кофеин , либо плацебо , и две группы, которым не давали спать в течение 36 часов, которым давали либо кофеин, либо плацебо. Задача, используемая для измерения временной памяти, состояла в различении недавних и более ранних предъявлений лиц. Набор из двенадцати незнакомых лиц предъявлялся последовательно каждые 10 секунд. После этого в течение 5 минут использовалось задание на самостоятельное указание, чтобы предотвратить репетицию и занять уставших участников. Это требовало от них отмечать любые новые увиденные предметы (существительные или абстрактные фигуры), представленные на 12 листах. Был представлен второй набор, за которым последовало еще одно задание на самостоятельное указание, а затем участнику была показана случайная последовательность из 48 лиц, содержащих либо ранее предъявленные лица, либо новые. Их спрашивали, узнают ли они лица и были ли они из первого или второго набора. Результаты показывают, что лишение сна не оказывает существенного влияния на распознавание лиц, но приводит к значительному ухудшению временной памяти (различению того, какое лицо принадлежит к какому набору). Было обнаружено, что кофеин оказывает большее влияние на группу, лишенную сна, по сравнению с группой плацебо, лишенной сна, но все равно показал худшие результаты, чем обе контрольные группы. Было также обнаружено, что лишение сна усиливает убеждения в своей правоте, особенно если участники ошибались. Исследования визуализации мозга у тех, кто лишен сна, показали, что наибольшее снижение скорости метаболизма происходит в префронтальной коре . [23]
Зависимая от уровня кислорода в крови (BOLD) фМРТ использовалась в исследовании Драммонда и соавторов для измерения реакции мозга на вербальное обучение после лишения сна. ФМРТ регистрировала активность мозга во время задания на вербальное обучение участников, либо спавших нормальной ночью, либо лишенных 34,7 (± 1,2) часов сна. Задание чередовалось между базовым условием определения того, были ли существительные заглавными или строчными, и экспериментальным условием запоминания списка существительных. Результаты исследования показывают, что производительность значительно хуже при свободном воспроизведении списка существительных при лишении сна (в среднем 2,8 ± 2 слова) по сравнению с нормальной ночью сна (4,7 ± 4 слова). Что касается активированных областей мозга, то было обнаружено, что левая префронтальная кора , премоторная кора и височные доли активируются во время выполнения задачи в состоянии покоя, а отдельные области префронтальной коры активируются еще больше во время выполнения задачи в состоянии лишения сна. Кроме того, было обнаружено, что билатеральная теменная доля , левая средняя лобная извилина и правая нижняя лобная извилина активируются у тех, кто лишен сна. Значение этих результатов заключается в том, что мозг может изначально компенсировать последствия лишения сна, сохраняя при этом частично нетронутую производительность, которая снижается с увеличением времени выполнения задачи. Эта первоначальная компенсация может быть обнаружена в билатеральных областях как лобных, так и теменных долей, а активация префронтальной коры значительно коррелирует с сонливостью. [9]
Активация мозга во время выполнения трех когнитивных задач (вербальное обучение, арифметика и разделенное внимание) сравнивалась как после нормального сна, так и после 35 часов полной депривации сна (TSD) в исследовании Драммонда и Брауна. Использование фМРТ измеряло эти различия в мозге. В задаче на вербальное обучение фМРТ указывала области, участвующие как в вербальном обучении, так и в запоминании. Результаты показали, что как TSD, так и нормальный ночной сон показали значительную реакцию в префронтальной коре, а после TSD показал реакцию дополнительных областей, которые включали другие префронтальные области, двустороннюю нижнюю теменную дольку и верхнюю теменную долю . Увеличение сонливости также коррелировало с активацией двух вентральных префронтальных областей, и корреляция между большей активацией в двусторонних теменных долях (которые включают языковые области) и более низкими уровнями нарушений при свободном воспроизведении также была обнаружена после TSD. В арифметической задаче нормальный сон показал ожидаемую активацию в двусторонних префронтальных и теменных областях рабочей памяти , но после TSD в ответ проявилась только активация в левой верхней теменной доле и левой премоторной коре , без новых областей для компенсации (как было обнаружено при вербальном обучении). Повышенная сонливость также коррелировала с активацией в вентральной префронтальной области, но только в одной области. Задача на разделенное внимание объединяла как вербальное обучение, так и арифметическую задачу. ФМРТ показала, что реакция мозга после TSD похожа на реакцию на задачу на вербальное обучение (в частности, правая префронтальная кора, двусторонние теменные доли и поясная извилина показали самую сильную реакцию). Значение этого открытия заключается в том, что дополнительные области мозга, активированные как после вербального обучения, так и после задач на разделенное внимание после TSD, представляют собой церебральную компенсаторную реакцию на недостаток сна. Например, наблюдается снижение реакции левой височной доли во время обеих задач, которая задействована в различных задачах обучения в состоянии покоя, но вовлечение левой нижней теменной доли в кратковременное хранение вербальной памяти после TSD предполагает, что эта область может компенсировать. Отсутствие новых областей для арифметической задачи может предполагать, что она в значительной степени зависит от рабочей памяти, поэтому компенсация невозможна, по сравнению с такими задачами, как вербальное обучение, которые в меньшей степени зависят от рабочей памяти. [24]
Медленноволновой сон (SWS) часто ассоциируется с успешным выполнением задач по декларативному воспоминанию. Например, задачи по декларативному и процедурному воспоминанию, применяемые в раннем и позднем ночном сне, а также в условиях контролируемого бодрствования, показали, что декларативная память улучшается больше во время раннего сна (преобладает SWS), тогда как процедурная память во время позднего сна (преобладает REM-сон). [25] [26] Основываясь на целевой реактивации памяти (TMR), которая использует связанные сигналы памяти для запуска следов памяти во время сна, недавние исследования подтверждают важность ночного SWS для формирования устойчивых воспоминаний в неокортикальных сетях, а также подчеркивают возможность повышения производительности памяти людей при декларативном воспоминании. [25] [27] [28] [29] [30] Увеличение медленной активности и времени сна, проведенного в SWS, также связано с лучшей производительностью в неявном обучении . [31]
Наиболее заметный паттерн популяции в гиппокампе во время сна nREM называется острыми волновыми рябями (SPW-R). SPW-R являются наиболее синхронными нейронными паттернами в мозге млекопитающих. Около 15-30 процентов нейронов могут синхронно активироваться в течение 50-200 мс в регионах CA3-CA2-CA1, субикулярном комплексе и энторинальной коре во время SPW-R (в отличие от ~1 процента во время активного бодрствования и сна REM). Нейроны в SPW-R организованы последовательно, и многие из этих быстрых последовательностей связаны с порядком активации нейронов во время опыта животного перед сном. Например, когда крыса исследует лабиринт, последовательности клеток места в разных рукавах лабиринта воспроизводятся либо в прямом (как во время самого опыта), либо в обратном порядке, но сжимаются во времени в несколько раз. SPW-R временно связаны как с веретенами сна, так и с медленными колебаниями неокортекса. Вмешательство в SPW-R или их связь с медленными колебаниями неокортекса приводит к ухудшению памяти, которое может быть столь же серьезным, как хирургическое повреждение гиппокампа и/или связанных с ним структур. Поэтому SPW-R являются наиболее важными физиологическими биомаркерами эпизодической (т. е. зависящей от гиппокампа) консолидации памяти (Buzsáki 2015).
Исследователи использовали крыс для изучения влияния новых тактильных объектов на долгосрочную эволюцию основных петель переднего мозга грызунов, необходимых для видоспецифичного поведения, включая такие структуры, как гиппокамп , скорлупа , неокортекс и таламус . [32] Крысы находились под наблюдением, но их не беспокоили в течение 48–96 часов, что позволяло происходить нормальным циклам бодрствования-сна. В какой-то момент четыре новых тактильных объекта были помещены в четыре угла клетки крысы. Все они сильно отличались друг от друга, и они находились там в общей сложности один час. Активность мозга в течение этого часа использовалась в качестве исходного уровня или шаблона для сравнения. Анализ данных показал, что нейронные сборки во время SWS значительно больше коррелировали с шаблонами, чем во время бодрствования или быстрого сна. Кроме того, эти постобучающие, пост-SWS реверберации длились 48 часов, что намного дольше, чем продолжительность изучения нового объекта (один час), что указывает на долгосрочную потенциацию . [32] Дальнейший анализ на основе нейронов не показал ни одного подмножества нейронов (структуры мозга), которые были бы ответственны за реверберации или антиреверберации (шаблоны активности, значительно более непохожие, чем новые шаблоны стимуляции). Другое отмеченное различие заключалось в том, что самые высокие пики корреляции в SWS соответствовали самой низкой скорости нейронной активации в переднем мозге, в отличие от REM-сна и бодрствования, где скорость активации самая высокая. Предполагается, что это связано с помехами от других входящих стимулов во время периодов бодрствования. В SWS нет входящих стимулов, поэтому новый опыт может быть воспроизведен без перерыва. [32]
Исследование Пейнё и др. (2004) отметило, что последовательности активации в ансамблях гиппокампа во время пространственного обучения также активны во время сна, что показывает, что сон после тренировки играет роль в обработке пространственных воспоминаний. Это исследование было проведено, чтобы доказать, что те же самые области гиппокампа активируются у людей во время изучения маршрута в виртуальном городе и повторно активируются во время последующего медленного сна (SWS). [10] Чтобы контролировать эту активацию, экспериментаторы использовали ПЭТ-сканирование и фМРТ для использования мозгового кровотока в качестве маркера синаптической активности. В выводе отмечено, что количество активации гиппокампа во время медленного сна положительно коррелировало с улучшением задания виртуального тура на следующий день, что указывает на то, что активность гиппокампа во время сна коррелирует с улучшением производительности памяти. Эти выводы доказывают, что зависящая от обучения модуляция активности гиппокампа во время сна показывает обработку ранее изученных эпизодических и пространственных следов памяти. Эта модуляция гиппокампа приводит к пластическим изменениям в мозге и в конечном итоге к улучшению производительности. Результаты этого исследования показали, что пространственные следы памяти обрабатываются у людей, когда они находятся в состоянии медленного сна . Оно показало реакцию гиппокампальной формации во время медленного сна после декларативного задания на пространственную память. Экспериментаторы также обнаружили, что у людей существует зависящая от опыта модуляция активности во время медленного сна в областях гиппокампа, но не во время быстрого сна после обучения. Доказательства этого исследования были существенными для его гипотезы о том, что информация, усвоенная во время бодрствования, изменяется и усиливается, когда люди спят. [10]
На основе гипотезы активной консолидации системы, повторные реактивации вновь закодированной информации в гиппокампе во время медленных колебаний в фазе медленного сна опосредуют стабилизацию и постепенную интеграцию декларативной памяти с уже существующими сетями знаний на уровне коры. [33] Предполагается, что гиппокамп может хранить информацию только временно и с высокой скоростью обучения, тогда как неокортекс связан с долговременным хранением и медленной скоростью обучения. [25] [26] [28] [29] [34] Этот диалог между гиппокампом и неокортексом происходит параллельно с гиппокампальными острыми волновыми рябями и таламо-кортикальными веретенами , синхронность, которая управляет формированием событий веретена-ряби, что, по-видимому, является предпосылкой для формирования долговременных воспоминаний. [26] [27] [29] [34]
В этом исследовании две группы участников приняли участие в двухдневном уравновешенном исследовании. Все участники изучали два задания между 10:00 и 10:30 вечера. Декларативное задание представляло собой список парных ассоциативных слов из 40 немецких семантически связанных пар слов. Недекларативное задание представляло собой задание на зеркальное отслеживание. В 11:00 вечера всем участникам была сделана двухчасовая инфузия либо физостигмина , либо плацебо . Физостигмин является ингибитором ацетилхолинэстеразы ; это препарат, который подавляет распад тормозного нейромедиатора ацетилхолина , тем самым позволяя ему дольше оставаться активным в синапсах . Группу спящих укладывали спать, в то время как другая группа бодрствовала. Тестирование обоих заданий проводилось в 2:45 утра, через 30 минут после пробуждения группы спящих; сон, который был богат медленноволновым сном (SWS). Результаты показали, что повышенный уровень ACh отрицательно повлиял на память припоминания (декларативная задача) в состоянии сна по сравнению с участниками, которым давали плацебо. [11] В частности, припоминание после сна для группы плацебо показало увеличение на 5,2 ± 0,8 слов по сравнению с увеличением всего на 2,1 ± 0,6 слов, когда участникам давали ингибитор ацетилхолинэстеразы. Напротив, ни скорость, ни точность не снизились в недекларативной зеркальной задаче, когда участникам давали физостигмин, и ни одно из заданий не было затронуто в группах бодрствования, когда вводился физостигмин. Это говорит о том, что цель подавления ACh во время SWS позволяет осуществлять гиппокамп-зависимую консолидацию декларативной памяти; высокий уровень ACh во время SWS блокирует воспроизведение памяти на уровне гиппокампа. [11]
Сонные веретена — это короткие и интенсивные всплески нейронов, срабатывающих синхронно, происходящие в таламо-кортикальных сетях. Они достигают пика поздно ночью и являются определяющими характеристиками второй стадии сна . Считается, что сонные веретена помогают консолидировать информацию во время сна и, как было показано, увеличиваются после тренировки на двигательной задаче. [16] Недавний мета-обзор 53 исследований пришел к выводу, что «нет никакой связи между сонными веретенами и памятью, и, таким образом, маловероятно, что сонные веретена действительно в целом участвуют в обучении и пластичности». [35]
Исследование с использованием 49 крыс показало увеличение веретен сна во время медленного сна после обучения. Оно дало доказательства увеличения частоты веретен во время сна без быстрого сна после парных задач обучения двигательным навыкам. С помощью ЭЭГ были обнаружены веретена сна и показано, что они присутствуют только во время медленного сна. Начиная с предварительного исследования, крысы прошли шесть часов контролируемого сна после периода обучения. Результаты показали, что в течение первого часа после обучения наблюдался наиболее очевидный эффект на плотность веретен сна, модулированную обучением. Однако это увеличение плотности веретен не зависело от условий обучения. Другими словами, наблюдалось увеличение веретен независимо от того, как обучались крысы. Паттерны ЭЭГ показали значительную разницу в плотности веретен сна по сравнению с плотностью контрольной группы крыс, которые не проходили никакого обучения до того, как были измерены их веретена сна. Этот эффект увеличения плотности веретен продолжался только в течение первого часа сна после обучения, а затем исчез в течение второго часа сна.
В исследовании Фишера и Борна, 2009, [36] доказано, что предыдущие знания о денежном вознаграждении и сон после обучения являются значимыми предикторами общей производительности постукивания пальцами. Испытуемым были представлены два различных задания на последовательность пальцев, которые должны были быть воспроизведены позже. Испытуемым было сказано, что будет предложено вознаграждение за улучшение выполнения определенного задания на последовательность постукивания пальцами. Контрольной группе не было предоставлено никакого знания о вознаграждении. Испытуемые были дополнительно разделены путем предоставления периода сна между начальным обучением и финальным тестированием для одной группы, в то время как другая группа столкнулась с интервалом удержания бодрствования. Был сделан вывод, что группа, которая получила как информацию о вознаграждении, так и возможность спать, продемонстрировала наивысший рост производительности в обеих последовательностях постукивания пальцами. Знание вознаграждения без сна и сон без знания вознаграждения были значимыми факторами улучшения производительности. Во всех случаях было установлено, что сон имел благоприятное влияние на общую производительность по сравнению с группами, которые прошли двенадцатичасовой период удержания бодрствования.
Недекларативная память — это память, полученная из предыдущего опыта, которая бессознательно применяется к повседневным сценариям. Недекларативная память необходима для выполнения приобретенных навыков и привычек, например, бега или приготовления любимого блюда. Существует три типа недекларативной памяти: имплицитная память (бессознательная память, прайминг ), инструментальная память ( классическое обусловливание ) и процедурная память (автоматическая память навыков).
Внеклеточные сигнальные киназы, также известные как классические MAP-киназы , представляют собой группу протеинкиназ, расположенных в нейронах. Эти белки активируются или дезактивируются фосфорилированием (добавлением фосфатной группы с использованием АТФ) в ответ на нейротрансмиттеры и факторы роста. [12] Это может привести к последующим взаимодействиям белка с белком и передаче сигналов (нейротрансмиттеры или гормоны передают клеткам), что в конечном итоге контролирует все клеточные процессы, включая транскрипцию генов и клеточные циклы (важные для обучения и памяти). В исследовании четыре группы крыс тестировались в водном лабиринте Морриса, две группы в пространственной задаче (скрытая платформа) и две группы в непространственной задаче (видимая платформа). Эффекты шести часов полной депривации сна (TSD) оценивались для экспериментальной группы (одна пространственная группа, одна непространственная группа) в обеих задачах. Через шесть часов после периода TSD (или периода сна для контроля) группы крыс обучались любой из задач, а затем тестировались через 24 часа. Кроме того, уровни общего фосфорилирования ERK (ERK 1 и ERK 2), протеинфосфата 1 (PP1) и фосфатазы MAPK 2 (последние два участвуют в дефосфорилировании) были оценены путем декапитации четырех других групп мышей (двух лишенных сна и двух не лишенных сна) и удаления их гиппокампов после шести часов TSD или двух часов после TSD (всего восемь часов). Результаты показали, что TSD не ухудшил обучение пространственной задаче, но ухудшил память. Что касается непространственной задачи, обучение снова не отличалось в TSD; однако память в группе TSD была фактически немного лучше, хотя и не совсем значительно. Анализ гиппокампа показал, что TSD значительно снизил уровни общего фосфорилирования ERK примерно на 30%. TSD не повлиял на белки в коре, что указывает на то, что снижение уровней ERK было вызвано нарушением передачи сигнала в гиппокампе. Кроме того, ни уровни PP1, ни уровни фосфатазы MAPK 2 не были увеличены, что позволяет предположить, что снижение ERK было вызвано не дефосфорилированием, а TSD. Поэтому предполагается, что TSD оказывает аверсивное воздействие на клеточные процессы (ERK: транскрипция генов и т. д.), лежащие в основе пластичности памяти, зависящей от сна. [12]
Быстрый сон известен своими яркими творениями и сходством с биоэлектрическими выходами бодрствующего человека. Эта стадия сна характеризуется мышечной атонией, быстрой, но низковольтной ЭЭГ и, как следует из названия, быстрым движением глаз. Трудно приписать улучшение памяти одной стадии сна, когда за консолидацию памяти может отвечать весь цикл сна . Недавние исследования, проведенные Даттой и др. [37], использовали задачу избегания, за которой следовал период быстрого сна после тренировки, чтобы изучить изменения в волнах P, влияющих на переработку недавно полученных стимулов. Было обнаружено, что не только волны P увеличивались во время сна после тренировки, но и плотность волн. Эти результаты могут означать, что волны P во время быстрого сна могут помочь активировать критические структуры переднего мозга и коры, отвечающие за консолидацию памяти. В работе Хенневина и др. исследование, 1989, [38] мезэнцефальная ретикулярная формация (МРФ) была подвергнута легкой электрической стимуляции во время быстрого сна, что, как известно, оказывает благоприятное воздействие на обучение, если применяется после обучения. Крысы в эксперименте были обучены бегать по лабиринту в поисках пищевого вознаграждения. Одна группа крыс получала непробуждающую электрическую стимуляцию МРФ после каждого из их испытаний в лабиринте по сравнению с контрольной группой , которая не получала никакой электрической стимуляции. Было замечено, что стимулированные крысы показали значительно лучшие результаты в отношении уменьшения ошибок. Эти результаты подразумевают, что динамические процессы памяти происходят как во время обучения, так и во время сна после обучения. Другое исследование Хенневина и др. (1998) [39] обусловило крыс бояться шума, который связан с последующим ударом током по ноге. Интересной частью эксперимента является то, что реакция страха на шум (измеренная в миндалевидном теле ) наблюдалась, когда шум предъявлялся во время быстрого сна. Это было сравнено с группой псевдообусловленных крыс, которые не демонстрировали такую же активацию миндалевидного тела во время сна после тренировки. Это предполагает, что нейронная реакция на ранее заметные стимулы сохраняется даже во время быстрого сна. Нет недостатка в исследованиях, посвященных влиянию быстрого сна на работающий мозг, но последовательность в результатах — это то, что мучает недавние исследования. Нет никакой гарантии относительно того, какие функции может выполнять быстрый сон для наших тел и мозга, но современные исследования постоянно расширяют и усваивают новые идеи для дальнейшего понимания таких процессов.
У животных появление понто-геникуло-окципитальных волн ( волн PGO ) связано с биоэлектрическими выходами быстрых движений глаз. [40] Эти волны наиболее отчетливо видны во время перехода от медленного к быстрому сну. Хотя эти фазовые волны наблюдаются во многих частях мозга животных, они наиболее заметны в мосту, латеральных коленчатых телах и затылочной коре. Пейнё и др., 2006, [40] сообщили, что латеральное коленчатое ядро и затылочная кора демонстрируют более высокий уровень активности во время быстрого сна, чем во время бодрствования. Это подкрепляет теорию о том, что активация в этих областях похожа на активацию волн PGO у животных. Понтинные волны обычно наблюдаются у животных как механизм, помогающий облегчить обучение и консолидацию памяти . Было замечено, что улучшение выполнения задач является результатом увеличения волн P между сеансами быстрого сна. [37] [41] В исследовании с использованием постобучения лишению быстрого сна наблюдались эффекты стимуляции генератора волн P (расположенного в покрышке моста ) у крысы. Две группы крыс прошли задание по обучению избеганию, а затем дали им период сна, в то время как другая группа крыс была лишена сна. При сравнении двух групп лишенные сна крысы показали значительный дефицит в обучении из-за того, что не прошли быстрый сон. В другой группе крыс генератор волн P стимулировали с помощью инъекции карбахола , а затем крысы прошли стадию лишения сна. Когда этих крыс снова проверили на их обучение, было показано, что активация генератора волн P во время лишения сна привела к достижению нормального обучения. Это указывает на тот факт, что активация волн P, даже без быстрого сна, была достаточной для улучшения процессов памяти, которые в норме не происходили бы.
Лица являются важной частью социальной жизни человека. Чтобы распознавать, реагировать и действовать по отношению к человеку, требуются бессознательные процессы кодирования и извлечения памяти. Стимулы лица обрабатываются в веретенообразной извилине (затылочно-височная область мозга), и эта обработка является неявной функцией, представляющей типичную форму неявной памяти . [42] Было замечено, что быстрый сон более полезен для неявных процессов зрительно-пространственной памяти, чем медленноволновой сон , который имеет решающее значение для явной консолидации памяти . Быстрый сон известен своими визуальными впечатлениями, которые часто могут включать в себя подробные изображения человеческого лица. [42] Задача распознавания использовалась для оценки знакомства с ранее показанной последовательностью лиц после последующего периода быстрого сна. Было замечено, что веретенообразной извилине была активна во время обучения, периода быстрого сна, а также задачи распознавания. Предполагается, что мозговые механизмы во время быстрого сна, а также чистое повторение прайминга могут объяснять неявное распознавание ранее показанных лиц. [42]
Предыдущие исследования показали, что быстрый сон реактивирует корковые нейронные сборки после обучения по заданию на серийную реакцию (SRT), другими словами, быстрый сон воспроизводит обработку, которая произошла, когда человек изучал неявную задачу в предыдущие часы бодрствования. [43] Однако контрольные субъекты не завершили задание SRT, поэтому исследователи не могли предположить, что реактивация определенных сетей является результатом неявно усвоенной последовательности/грамматики, поскольку это могло быть просто из-за элементарной зрительно-моторной обработки, которая была получена в обеих группах. Чтобы ответить на этот вопрос, эксперимент был повторен, и была добавлена еще одна группа, которая также принимала участие в задании SRT. Они не испытывали последовательности к заданию SRT (случайная группа), тогда как экспериментальная группа испытывала последовательность (вероятностная группа), хотя и без осознанного осознания. Результаты ПЭТ-сканирования показывают, что двусторонние клиновидные мышцы были значительно более активированы во время практики SRT, а также во время быстрого сна после обучения в вероятностной группе, чем в случайной группе. [43] Кроме того, эта активация была значительно увеличена во время быстрого сна по сравнению с задачей SRT. Это говорит о том, что определенные области мозга специально вовлечены в постобработку последовательной информации. Это дополнительно подтверждается тем фактом, что региональный CBF (rCBF) во время посттренировочного быстрого сна модулируется уровнем обучения высокого порядка, но не обучения низкого порядка, полученного до сна. Таким образом, области мозга, которые принимают участие в процессе обучения, модулируются как последовательной структурой изученного материала (повышенная активация в cuneus), так и объемом обучения высокого порядка (rCBF). [43]
Эффекты депривации быстрого сна (RSD) на нейротрофические факторы, в частности фактор роста нервов (NGF) и нейротрофический фактор мозга (BDNF), были оценены в 2000 году Си и др. Нейротрофины — это белки, обнаруженные в мозге и на периферии, которые способствуют выживанию, функционированию и генерации нейронов ; это важный элемент в процессе синаптической пластичности , базовой нейрохимической основе формирования воспоминаний. [44] Сей и др. вставили электроды в черепа семи пар крыс для измерения электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и вставили провода в мышцы шеи крыс для измерения электромиограммы (ЭМГ), метода, используемого для измерения количества мышечной активности. Половина крыс испытала шестичасовой период депривации быстрого сна, в то время как другая половина испытала шестичасовой период сна, содержащий все циклы сна. Результаты показали, что у крыс в группе с депривацией быстрого сна наблюдалось снижение уровня нейротрофического фактора, вырабатываемого мозгом, в мозжечке (координация, моторное обучение) и стволе мозга (сенсорный и моторный восходящий путь); наоборот, в гиппокампе (долговременная память, пространственная навигация) наблюдалось снижение уровня фактора роста нервов. Было показано, что белок BDNF необходим для процедурного обучения (форма недекларативной памяти). Поскольку процедурное обучение также демонстрирует консолидацию и улучшение во время быстрого сна, предполагается, что ухудшение задач процедурного обучения связано с отсутствием белков BDNF в мозжечке и стволе мозга во время RSD. [44] Что касается NGF, то базальный отдел переднего мозга (выработка и распределение AcH в мозге), а точнее медиальная септальная область, посылает холинергические (возбуждающие в гиппокампе) и ГАМКергические (тормозящие) нейротрансмиттеры через волокна к целевым клеткам гиппокампа. Затем эти целевые клетки секретируют NGF, который играет ключевую роль в физиологическом состоянии гиппокампа и его функциях. Было отмечено, что REM-сон увеличивает секрецию NGF, поэтому было высказано предположение, что во время RSD холинергическая активность снижается, что приводит к снижению NGF и ухудшению процедурного обучения. [44]
Уокер и Стикголд выдвинули гипотезу, что после первоначального приобретения памяти сон реорганизует представление памяти на уровне макросистем мозга. [1] Их эксперимент состоял из двух групп; группа ночного сна обучалась заданию на постукивание по блоку двигательной последовательности ночью, укладывалась спать и затем повторно тестировалась 12 часов спустя. Группу дневного бодрствования обучали тому же заданию утром и тестировали 12 часов спустя без промежуточного сна. ФМРТ использовалась для измерения активности мозга во время повторного теста. Результаты показали значительно меньше ошибок/последовательности в группе ночного сна по сравнению с группой дневного бодрствования. Выходные данные ФМРТ для группы ночного сна показали повышенную активацию в правой первичной моторной коре/М1/префронтальной извилине (контралатерально по отношению к руке, которой они блокировали постукивание), правой передней медиальной префронтальной доле, правом гиппокампе (долговременная память, пространственная память), правом вентральном полосатом теле ( обонятельный бугорок , прилежащее ядро ), а также в областях мозжечка (дольки V1, V11). В группе дневного бодрствования фМРТ показала «сниженную» активацию сигнала билатерально в теменной коре (интегрирует множественные модальности), в дополнение к левой островковой коре (регуляция гомеостаза), левом височном полюсе (самая передняя часть височной коры) и левой нижней фронтополярной коре. [1] Предыдущие исследования показали, что увеличение сигнала указывает на пластичность мозга. Повышенная активность сигнала, наблюдаемая в М1 после сна, соответствует повышенной активности в этой области, наблюдаемой во время практики; Однако человек должен практиковаться дольше, чем ему пришлось бы спать, чтобы получить тот же уровень усиления сигнала M1. Поэтому предполагается, что сон усиливает корковое представление двигательных задач за счет расширения мозговой системы, что видно по повышенной активности сигнала. [1]
Считающаяся умственным рабочим пространством, позволяющим временно хранить и извлекать информацию, рабочая память имеет решающее значение для решения проблем и анализа различных ситуаций. Емкость рабочей памяти является мерой количества функций умственной обработки, которые человек может выполнять последовательно. Увеличить емкость рабочей памяти можно с помощью стратегии, известной как фрагментация . Аритаке и др. [45] провели эксперимент с последовательностью постукивания пальцами, в котором испытуемым показывали цветные точки в последовательности на мониторе, соответствующие кнопкам на их клавиатуре. Когда показывался цвет, испытуемый должен был отреагировать, нажав нужный цвет на клавиатуре. Испытуемые были разделены на три группы. Группа 1 непрерывно тренировалась без периодов сна. Группа 2 тренировалась и повторно тестировалась в течение десяти часов бодрствования, за которыми следовали восемь часов сна и финальное тестирование. Третья группа тренировалась в десять вечера, за которым следовал восьмичасовой сон. Затем эта группа была протестирована на следующее утро и еще раз позже в тот же день. Результаты показали, что бодрствование было незначительным предиктором улучшения производительности, если за ним не следовал период сна. Группы, которым был разрешен период сна после тренировки, независимо от его времени по отношению к тренировке, испытали улучшения в изучении последовательностей постукивания пальцами. Первоначальный объем рабочей памяти групп в среднем составлял от трех до четырех единиц. В группах два и три объем рабочей памяти был увеличен в среднем до 5–6 единиц. Было высказано предположение, что зависящие от сна улучшения могут способствовать общему улучшению объема рабочей памяти, что приводит к улучшению подвижного интеллекта .
Лишение сна , будь то полное или частичное лишение сна, может ухудшить рабочую память в показателях памяти, скорости когнитивной обработки , внимания и переключения задач. Кейсмент и др. обнаружили, что когда испытуемых просили распознавать цифры, отображаемые на экране, набирая их на клавиатуре, скорость рабочей памяти испытуемых, чей сон был ограничен четырьмя часами в сутки (примерно 50% от их обычного количества сна), была на 58% медленнее, чем у контрольных групп, которым разрешалось спать полные восемь часов. [46]
Мозг — это постоянно меняющаяся, пластичная модель обмена и обработки информации. Для того чтобы мозг мог включить новый опыт в усовершенствованную схему , он должен претерпеть определенные изменения для консолидации и усвоения всей новой информации. [40] Синаптическую пластичность можно описать как изменение силы между двумя связанными нейронами. Нейропластичность наиболее отчетливо проявляется в случаях лишения быстрого сна во время созревания мозга. Региональные измерения мозга у новорожденных крыс, лишенных быстрого сна, показали значительное уменьшение размера в таких областях, как кора головного мозга и ствол мозга . Крысы были лишены сна в критические периоды после рождения, и впоследствии наблюдается уменьшение анатомического размера. [47] Используя задачу преследования (используемую для проверки зрительно-моторных способностей) в сочетании с фМРТ , Maquet et al., 2003, [48] обнаружили, что увеличение активации наблюдалось в дополнительном поле глаза и правом зубчатом ядре субъектов, которым позволяли спать, по сравнению с лицами, лишенными сна. Также было замечено, что правая верхняя височная борозда имеет более высокие уровни активации. При анализе функциональной связности было обнаружено, что зубчатое ядро было более тесно связано с функциями верхней височной борозды. Результаты показывают, что выполнение задачи преследования зависит от способности субъекта понимать соответствующие шаблоны движения, чтобы воссоздать оптимальные движения. Было обнаружено, что лишение сна прерывает медленные процессы, которые приводят к обучению этому процедурному навыку, и изменяет изменения связности, которые обычно наблюдаются после ночного отдыха. Нейропластичность была тщательно исследована в течение последних нескольких десятилетий, и результаты показали, что значительные изменения, которые происходят в наших корковых областях обработки, имеют силу модулировать нейронную активацию как на новые, так и на ранее испытанные стимулы.
Изменения количества определенного нейротрансмиттера, а также то, как постсинаптическое окончание реагирует на это изменение, являются основными механизмами пластичности мозга. [40] Во время сна происходят значительные изменения в модуляторных нейротрансмиттерах по всему мозгу. Ацетилхолин является возбуждающим нейротрансмиттером , уровень которого, как видно, увеличивается до уровня, близкого к бодрствованию, во время быстрого сна по сравнению с более низким уровнем во время медленного сна. [49] Имеющиеся данные показали, что функционирование системы памяти, зависящей от гиппокампа ( эпизодическая память и автобиографическая память ), напрямую зависит от холинергических изменений на протяжении всего цикла бодрствования-сна. Высокие уровни АХ будут способствовать сохранению информации, полученной во время бодрствования, в гиппокампе. Это достигается путем подавления предыдущих возбуждающих связей при одновременном облегчении кодирования без вмешательства ранее сохраненной информации. Во время медленного сна, и особенно медленноволнового сна , низкие уровни АХ могут вызвать снятие этого подавления и обеспечить спонтанное восстановление нейронов гиппокампа, что приведет к облегчению консолидации памяти . [50]
Недавно было обнаружено около сотни генов, экспрессия которых в мозге увеличивается во время сна. [51] Было обнаружено, что аналогичное количество генов способствует экспрессии генов во время бодрствования. Эти наборы генов связаны с различными функциональными группами, которые могут способствовать различным клеточным процессам. Гены, экспрессируемые во время бодрствования, могут выполнять многочисленные функции, включая распределение энергии, синаптическую возбуждающую нейротрансмиссию, высокую транскрипционную активность и синаптическую потенциацию при обучении новой информации. Было отмечено увеличение процессов, связанных со сном, которые включают синтез и поддержание синапса. К таким процессам относятся мембранный транспорт , рециркуляция синаптических везикул , образование структурного белка миелина и синтез холестерина и белка . В другом исследовании было обнаружено, что во время сна наблюдается увеличение кальмодулин -зависимой протеинкиназы IV, которая была специально вовлечена в синаптическую депрессию и в консолидацию долговременной памяти . [52] Эти результаты подтверждают связь между сном и различными аспектами нейронной пластичности. [51]
Влияние дневного сна было рассмотрено Уокером и Стикголдом (2005). [53] Экспериментальной группе давали 60-90 минут дневного сна (один полный цикл) после задания на двигательные навыки , изученного этим утром, в то время как контрольная группа не получала дневного сна. Группа, которая спала днем, улучшилась на 16% при тестировании после дневного сна, в то время как группа без дневного сна не показала существенных улучшений. Однако, казалось, что все выровнялось после того же ночного сна; группа без дневного сна улучшилась на 24%, а группа с дневным сном улучшилась всего на 7%, что в общей сложности составило 23%, что практически идентично. Что касается обучения двигательным навыкам, дневной сон, по-видимому, только ускоряет улучшение навыков, а не увеличивает объем улучшения. [53]
Подобно обучению двигательным навыкам, обучение визуальным навыкам улучшается после дневного сна. Исследователи Медник и коллеги показали, что если задание на визуальные навыки (задание на поиск) преподается утром и многократно проверяется в течение дня, то люди на самом деле будут хуже справляться с задачей. Люди, которым разрешали спать 30-60 минут, по-видимому, стабилизировали навык, так как ухудшения не произошло. Если им разрешали спать 60-90 минут ( быстрый сон и медленный сон ), люди демонстрировали улучшение. В отличие от двигательных задач, улучшение не подавлялось во время ночного сна, если человек спал раньше. В ситуации обучения визуальным навыкам дневной сон, как было показано, предотвращает ухудшение бодрствования и даже улучшает обучение сверх улучшения, происходящего во время ночного сна. [54]
Известно, что сменные работники , работающие всю ночь, имеют гораздо больше несчастных случаев, чем дневные работники. [55] Это можно объяснить несколькими факторами, включая меньшее количество персонала и усталость; однако частью проблемы может быть плохая рабочая память работников и плохие навыки производительности из-за плохой консолидации памяти . Как неявно усвоенные задачи, так и явно усвоенные задачи улучшаются примерно на 20% после полноценного ночного сна. [16] Без достаточного ночного сна между изучением новой задачи и ее выполнением производительность не улучшается. [16] Сменные работники, которым не дают достаточного количества сна, особенно в стадии NREM , между изучением и выполнением задачи, не будут работать так же хорошо, как работники, которые поддерживают стандартный режим сна. [55]
У пожилых людей сон часто нарушается, что может привести к ухудшению памяти или усугубить его.
Положительная корреляция между сном и памятью нарушается с возрастом. В целом, пожилые люди страдают от снижения эффективности сна. [56] Количество времени и плотность быстрого сна и медленного сна уменьшаются с возрастом. [57] [58] [59] Следовательно, у пожилых людей обычно не происходит улучшения памяти после периода отдыха. [60]
Для борьбы с этим явлением донепезил был испытан на здоровых пожилых пациентах, и было показано, что он увеличивает время, проведенное в фазе быстрого сна, и улучшает воспроизведение воспоминаний на следующий день. [61]
Считается, что болезнь Альцгеймера вызвана аномальным накоплением белков вокруг клеток мозга, которые нарушают активность нейротрансмиттеров. [62] Пациенты с болезнью Альцгеймера испытывают больше нарушений сна, чем здоровые пожилые люди. Исследования показали, что у пациентов с болезнью Альцгеймера наблюдается снижение быстрых веретен. Также сообщалось, что плотность веретен накануне теста на память положительно коррелирует с точностью выполнения задания на немедленное припоминание. [57] Положительная корреляция между временем, проведенным в SWS, и автобиографическим припоминанием на следующий день также была зарегистрирована у пациентов с болезнью Альцгеймера. [63]