Недостаток сна нарушает нейронный сигнал успешного обучения. Часть 1

Сон способствует консолидации памяти, а также обучению на следующий день. Влиятельное исследование «Активных систем» об автономной консолидации предполагает, что обработка памяти, связанная со сном, открывает путь к новому обучению, но эмпирических данных в поддержку этой идеи недостаточно.

Используя перекрестный дизайн внутри субъектов (n=30), мы оценили поведенческие и электрофизиологические показатели эпизодического кодирования после ночного сна или полного лишения сна у здоровых взрослых (в возрасте 18–25 лет) и исследовали, можно ли прогнозировать поведенческие характеристики. за счет ночной консолидации эпизодических ассоциаций предыдущего дня. Сон способствовал консолидации памяти и обучению на следующий день по сравнению с лишением сна.

Однако величина этого преимущества консолидации, связанного со сном, не в значительной степени предсказывала способность формировать новые воспоминания после сна. Интересно, что депривация сна вызвала качественные изменения в нейронной сигнатуре кодирования: в то время как бета-десинхронизация 12–20 Гц — установленный маркер успешного кодирования — наблюдалась после сна, депривация сна нарушала бета-десинхронизацию во время успешного обучения. В совокупности эти данные позволяют предположить, что эффективное обучение зависит от сна, но не обязательно от консолидации знаний, связанной со сном.

Ключевые слова:

обучение; Память; укрепление; бета-десинхронизация; недостаток сна.

Введение

Как мы помним события минувших дней? Сейчас твердо установлено, что сон способствует консолидации памяти; процесс, посредством которого слабые и изначально лабильные следы памяти становятся сильными и устойчивыми репрезентациями (Gais et al. 2006; Talamini et al. 2008; Payneet al. 2012; Durrant et al. 2016; Cairney, Lindsay et al. 2018; Gaskell et al. 2018; Эштон и др. 2020; Эштон и Кэрни 2021).

Первоначально считалось, что сон обеспечивает только пассивную защиту консолидации памяти (т.е. защищая воспоминания от вмешательства, вызванного опытом бодрствования), но недавние исследования показывают, что вновь сформированные воспоминания активно укрепляются во время сна (Rasch et al. 2007; Schönauer et al. 2017; Cairney , Гуттесен и др. 2018; Ван и др. 2019; Шрайнер и др. 2021).

Влиятельная теория «Активных систем» о консолидации, связанной со сном, утверждает, что реактивация зависимых от гиппокампа воспоминаний во время медленного сна (SWS) облегчает их миграцию в неокортекс для долговременного хранения (Walker 2009; Born and Wilhelm 2012; Rasch and Born 2013; Klinzing et др., 2019).

В подтверждение этой точки зрения исследования функциональной нейровизуализации показали, что ночная консолидация поддерживает сдвиг в сети восстановления памяти от тонеокортекса гиппокампа (Takashima et al., 2009), при этом время, проведенное в SWS, предсказывает снижение зависимости от извлечения информации из гиппокампа (Takashima et al. 2006; Cairney et al. 2015).

В том же духе другая работа показала, что сон после обучения (по сравнению с лишением сна) способствует функциональной связи между активностью гиппокампа и префронтальной коры, когда воспроизведение информации оценивается через 48 часов (Gais et al., 2007).

В совокупности эти данные позволяют предположить, что передача информации из гиппокампа в неокортикальную зону происходит в первые ночи после обучения, хотя процесс консолидации, по-видимому, занимает много недель или даже месяцев (Dudai2004; Dudai et al. 2015).

Хотя польза сна для консолидации памяти хорошо известна, недавние исследования показали, что сон также способствует изучению воспоминаний, зависящих от гиппокампа, на следующий день.

Когда лишение сна в течение ночи предшествует новой возможности обучения, воспроизведение декларативных воспоминаний серьезно ухудшается даже после восстановительного сна (Альберка-Рейна и др., 2014; Кайда и др., 2015; Темпеста и др., 2016; Казинс и др., 2018). предполагая, что отсутствие сна нарушает кодирование памяти в гиппокампе. Действительно, по сравнению с обычным ночным сном, депривация сна ослабляет реакции гиппокампа во время успешного обучения (т. е. воспоминаний, которые правильно воспроизводятся в более позднем тесте на воспроизведение после восстановительного сна), что приводит к общему снижению эффективности запоминания (Yoo et al. 2007).

Соответственно, дневной сон не только облегчает обучение (Mander et al., 2011), но и восстанавливает способности кодирования гиппокампа по сравнению с эквивалентным периодом бодрствования (Ong et al., 2020).

Взаимодействие различных ритмов мозга было идентифицировано как ключевой механизм, который регулирует связь между гиппокампом и неокортексом во время обработки памяти, связанной со сном.

Медленные колебания(<1 Hz electroencephalography [EEG] activity) have been causally linked to overnight memory retention (Marshall et al. 2006; Ngo et al. 2013; Ong et al. 2016; Perl et al. 2016; Leminen et al. 2017; Papalambros et al. 2017) and are thought to play a central role in the reactivation and reorganization of hippocampus-dependent memories (Walker 2009; Born and Wilhelm 2012; Rasch and Born 2013; Klinzing et al. 2019). 

Дельта-волны (1–4 Гц), напротив, участвуют в забывании посредством процессов синаптической перенормировки (Гензель и др., 2014) и, как полагают, взаимодействуют с медленными колебаниями, регулируя баланс между консолидацией и ослаблением памяти (Ким и др., 2019).

Интересно, что нейронные колебания, участвующие в обработке ночной памяти, также связаны с новым обучением в гиппокампе, что позволяет предположить, что эти процессы основаны на перекрывающихся механизмах.

Например, выборочное подавление медленноволновой активности (SWA; 0,5–4 Гц) с помощью метода акустических возмущений ухудшает декларативное кодирование памяти и снижает активность, связанную с кодированием, в гиппокампе (Ван Дер Верф и др., 2009). И наоборот, усиление SWA посредством электрической стимуляции улучшает кодирование зависимых от гиппокампа воспоминаний, но не негиппокампальных процедурных навыков (Антоненко и др., 2013).

Усиление медленных колебаний посредством слуховой стимуляции приводит к аналогичным эффектам: величина усиления медленных колебаний предсказывает как активацию гиппокампа, так и поведенческие характеристики при кодировании (Ong et al.2018). В какой степени процессы памяти, опосредованные ритмами мозга во время сна, способствуют способности к обучению на следующий день, еще предстоит напрямую изучить в эмпирических исследованиях.

В этом предварительно зарегистрированном исследовании (osf.io/78dja) мы проверили гипотезу о том, что степень, в которой люди консолидируют новые воспоминания во время сна, предсказывает их способность кодировать новую информацию на следующий день, и что SWA (0,5–4 Гц) способствует эти отношения.

В рамках перекрестного исследования внутри субъектов здоровые молодые взрослые обучались выполнению задачи на зрительно-пространственную память перед сном, контролируемым ЭЭГ, или полным лишением сна, и проходили тестирование на следующее утро.

После этого участники были обучены выполнению новой задачи в парах, но не подвергались тестированию до 48 часов спустя (что позволяло восстановить сон в условиях депривации сна). Таким образом, эффективность поиска в тестах зрительно-пространственной памяти и парных ассоциаций обеспечивала независимые показатели ночной консолидации и обучения на следующий день соответственно.

Мы выбрали именно эти задачи на память, потому что обе они зависят от гиппокампа (Эйхенбаум, 2004; Конкель и Коэн, 2009), а концепция активных систем в первую очередь связана с ночной консолидацией воспоминаний, зависящих от гиппокампа (Уокер, 2009; Борн и Вильгельм, 2012; Раш и Борн, 2013; Клинцинг и др.). др., 2019).

Более того, предыдущие работы неизменно показывали, что ночной сон способствует консолидации как зрительно-пространственных, так и парно-ассоциированных воспоминаний (Кэрни, Линдсей и др., 2018; Эштонет и др., 2020; Эштон и Кэрни, 2021).

Мы пришли к выводу, что использование двух концептуально разных задач было оптимальным, поскольку это гарантировало бы, что любая потенциальная связь между ночной консолидацией и обучением на следующий день не будет подвержена влиянию ретроактивного или проактивного вмешательства.

By comparing overnight sleep and sleep deprivation, we could also investigate how protracted wakefulness affects the neural correlates of learning. Specifically, EEG recordings were acquired during paired-associates learning to test the hypothesis that sleep deprivation disrupts theta (4–8 Hz) and gamma (>40 Гц) синхронизация, которая поддерживает связывание элементов в эпизодической памяти (Summerfield and Mangels 2005; Osipova et al. 2006; Köster et al. 2018; Henin et al. 2019).

Кроме того, в ходе исследовательского анализа мы исследовали влияние лишения сна на бета-десинхронизацию 12–20 Гц, признанный маркер успешного обучения (Hanslmayret al. 2009, 2011, 2012, 2014; Griffiths et al. 2016).

Понимание того, как нарушения сна ухудшают обучение и память, становится все более важным в современном обществе, где многие люди не могут регулярно высыпаться в достаточном количестве (Bonnet and Arand, 1995; Stranges et al., 2012; Becker et al., 2018).

For more information:1950477648nn@gmail.com