Τα εγκεφαλικά κύματα μονομαχίας αγκυρώνουν ή διαγράφουν τη μάθηση κατά τη διάρκεια του ύπνου
Ο εγκέφαλος συλλέγει πολύ περισσότερες αναμνήσεις από όσες μπορεί να κρατήσει. Απορροφούμε νέες πληροφορίες κατά τη διάρκεια της ημέρας, αλλά διατηρούμε μόνο μερικές κατά τη διάρκεια της νύχτας και μετά. Ο ύπνος φαίνεται κρίσιμος για αυτήν την ισορροπία μάθησης και λήθης, στερεώνοντας κάποιες αναμνήσεις και διαβρώνοντας άλλες μέσω των μοτίβων ηλεκτρικής σηματοδότησης του εγκεφάλου, αλλά οι μηχανισμοί που λειτουργούν ήταν ασαφείς. Έρευνα που αναφέρθηκε νωρίτερα αυτόν τον μήνα, ωστόσο, έχει καταργήσει το μυστήριο απομονώνοντας τις αντίθετες λειτουργίες δύο ειδών εγκεφαλικών κυμάτων:ένα που ενισχύει τις μνήμες και ένα που τις αποδυναμώνει.
Απλώς διακρίνοντας αυτά τα εγκεφαλικά κύματα μεταξύ τους, οι ερευνητές άρχισαν να σχηματίζουν μια εξήγηση που συμβιβάζει τις ανταγωνιστικές θεωρίες σχετικά με το πώς ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις αναμνήσεις για να διατηρήσει κάποιες και να χάσει άλλες. Υπήρχε ένα κενό στην κατανόησή μας για το πώς ο ύπνος θα μπορούσε να είναι σημαντικός τόσο για τη μνήμη όσο και για τη λήθη, είπε ο Karunesh Ganguly, αναπληρωτής καθηγητής νευρολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Σαν Φρανσίσκο, και ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.
Οι θεωρίες σχετικά με την εδραίωση της μνήμης εμπίπτουν γενικά σε ένα από τα δύο στρατόπεδα και ορισμένα στοιχεία υποστηρίζουν το καθένα από αυτά. Κάποιος αποδίδει τη μακροχρόνια μάθηση σε πρότυπα εγκεφαλικής δραστηριότητας που αναπαράγονται κατά τη διάρκεια του ύπνου. Αυτά τα σύνολα νευρωνικής πυροδότησης μιμούνται τα σήματα που εμπλέκονται στην αρχική μάθηση και αυτή η επανάληψη ενισχύει τις συναπτικές συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων για να εμπεδώσει τη μνήμη. Χωρίς επανενεργοποίηση, άλλες συνδέσεις θεωρητικά δεν είναι ενισχυμένες και αυτές οι μνήμες θα πρέπει να εξαφανιστούν.
Ως εναλλακτική λύση, πολλοί ερευνητές υποστήριξαν την ιδέα της «συναπτικής μείωσης κλίμακας», στην οποία ο εγκέφαλος καθαρίζει πιο ενεργά τον εαυτό του από λιγότερο χρήσιμες αναμνήσεις. Επειδή η μάθηση περιλαμβάνει νευρική δραστηριότητα που ενισχύει τις εγκεφαλικές συνδέσεις, γίνεται μια αποστράγγιση ενέργειας. Κατά τη διάρκεια του ύπνου, λιγότερη ενέργεια πηγαίνει στις συνδέσεις, επιτρέποντας σε όσους έχουν μικρότερη μακροπρόθεσμη σημασία να αποδυναμωθούν. Η αφαίρεση αυτού του θορύβου περιβάλλοντος από τις περιττές μνήμες αποσαφηνίζει τα σήματα του εγκεφάλου και τον διατηρεί πιο αποτελεσματικό.
Η νέα έρευνα γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ αυτών των θεωριών εξετάζοντας τους ρόλους στη διατήρηση της μνήμης διαφορετικών προτύπων εγκεφαλικών κυμάτων που σχετίζονται με τον ύπνο.
Δεκαετίες έρευνας για την ενίσχυση και την απώλεια της μνήμης έχουν επικεντρώσει την προσοχή σε δύο μοτίβα εγκεφαλικών κυμάτων:αργές ταλαντώσεις και «άτρακτοι ύπνου». Οι αργές ταλαντώσεις, που χαρακτηρίζονται από υψηλές κορυφές και χαμηλή συχνότητα, σαρώνουν σε μεγάλο μέρος του εγκεφάλου. Γίνονται κρίσιμα για την εδραίωση της μνήμης όταν συνδυάζονται με άτρακτους ύπνου, εκρήξεις δραστηριότητας υψηλής συχνότητας που συμβαίνουν κάθε λίγα δευτερόλεπτα στον ύπνο μη REM (η γενικά κατάσταση χωρίς όνειρα που στερείται γρήγορων κινήσεων των ματιών). Αντίθετα, τα κύματα δέλτα είναι ελαφρώς μικρότερα από τις αργές ταλαντώσεις και τείνουν να εμφανίζονται τοπικά μέσα στον εγκέφαλο. Επειδή οι αργές ταλαντώσεις και τα κύματα δέλτα εμφανίζονται συνήθως μαζί κατά τη διάρκεια του ύπνου και μπορεί να είναι δύσκολο να διακριθούν μεταξύ τους, συχνά ομαδοποιούνται ως αργά κύματα.
Αλλά η αναγνώριση της διάκρισης μεταξύ αργών ταλαντώσεων και κυμάτων δέλτα ήταν το κλειδί για τις ανακαλύψεις που έγιναν στη πρόσφατα δημοσιευμένη έρευνα.
Ο Jaekyung Kim, μεταδιδακτορικός υπότροφος στη νευρολογία στο UCSF και κύριος συγγραφέας της μελέτης, συνεργάστηκε με τον Tanuj Gulati, επίκουρο καθηγητή βιοϊατρικών επιστημών και νευρολογίας στο Cedars-Sinai Medical Center. Με ανταμοιβές, εκπαίδευσαν τους αρουραίους σε μια νέα δεξιότητα, η οποία περιλάμβανε μια συγκεκριμένη νευρική δραστηριότητα στον κινητικό φλοιό. Τη νύχτα, ενώ οι αρουραίοι κοιμόντουσαν, κατέστειλαν επιλεγμένα μοτίβα κυμάτων στον εγκέφαλο των ζώων. Την επόμενη μέρα, εξέτασαν εάν η μνήμη των αρουραίων για τη νέα ικανότητα είχε βελτιωθεί ή επιδεινωθεί ως ένδειξη για τις λειτουργίες των διαφορετικών εγκεφαλικών κυμάτων.
Ο Κιμ χρησιμοποίησε ακριβή κριτήρια για να διαχωρίσει τις αργές ταλαντώσεις από τα κύματα δέλτα στις καταγραφές του από τον εγκέφαλο των αρουραίων, βασιζόμενος σε διακρίσεις που παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά σε μια μελέτη με γάτες πριν από περισσότερα από 20 χρόνια. Όταν αυτός και οι συνάδελφοί του απέκλεισαν τις αργές ταλαντώσεις, η μάθηση των αρουραίων επιδεινώθηκε — όπως ήταν αναμενόμενο, δεδομένης της γνωστής σημασίας των αργών ταλαντώσεων για την εδραίωση των αναμνήσεων.
Αλλά προς έκπληξη των ερευνητών, όταν διέκοψαν τα κύματα δέλτα, είδαν το αντίθετο αποτέλεσμα:οι μνήμες των αρουραίων βελτιώθηκαν.
«Δεν είχα ιδέα ότι η σίγαση αργών ταλαντώσεων θα είχε διαφορετικό αποτέλεσμα από τη σίγαση των ταλαντώσεων δέλτα», είπε η Τζίνα Πόε, καθηγήτρια ολοκληρωμένης βιολογίας και φυσιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες. Δεν περίμενε ότι οι διαφορές μεταξύ αυτών των κυμάτων θα είχαν τέτοια σημασία, αλλά είπε ότι τα αποτελέσματα της μελέτης συμφωνούσαν με μια σειρά άλλων ευρημάτων. «Είναι κάτι σαν το κομμάτι του παζλ που λείπει», πρόσθεσε.
Αυτές οι ανταγωνιστικές συναρτήσεις προτείνουν μηχανισμούς και για τις δύο κεντρικές θεωρίες ενοποίησης μνήμης. Η ομάδα του Ganguly είχε προηγουμένως συνδέσει άξονες φωλιασμένες με αργές ταλαντώσεις με την επανενεργοποίηση των συνόλων νευρικής δραστηριότητας και την ενίσχυση της μνήμης. Ταυτόχρονα, τα κύματα δέλτα φαίνεται να υποβαθμίζουν τις μνήμες, ίσως αποδυναμώνοντας τις εγκεφαλικές συνδέσεις σε κάποια μορφή συναπτικής μείωσης κλίμακας.
Τα κύματα Δέλτα δεν είχαν μελετηθεί εκτενώς σε αυτό το πλαίσιο, είπε ο Ganguly. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματά τους αποκάλυψε την ισορροπία μεταξύ αυτών των δύο ειδών κυμάτων - και μεταξύ της μάθησης και της λήθης. «Είναι ένα σύστημα ώθησης-έλξης», είπε. "Υπάρχει μια δυναμική στον εγκέφαλο που είναι σε θέση να ενεργοποιεί και να απενεργοποιεί τα πράγματα με βάση άλλες πληροφορίες."
Στην πραγματικότητα, αργές ταλαντώσεις και κύματα δέλτα ανταγωνίζονται για να ευθυγραμμιστούν χρονικά με τις ατράκτους. Ο ρυθμός με τον οποίο οι άξονες συγχρονίζονται με αργές ταλαντώσεις συσχετίζεται με το πόσο καλά θυμούνται οι αρουραίοι τη νέα τους ικανότητα, αλλά ο συνυπολογισμός των ρυθμών συγχρονισμού τόσο των αργών ταλαντώσεων όσο και των κυμάτων δέλτα δημιουργεί έναν πολύ καλύτερο προγνωστικό παράγοντα. Δεν είναι μόνο οι αργές ταλαντώσεις που επηρεάζουν τη μάθηση. Τα κύματα δέλτα φαίνονται επίσης επιδραστικά. «Οι δυο τους μπορεί να είναι πραγματικά κρίσιμοι για να μην θυμούνται απλώς, αλλά να θυμούνται τα σωστά πράγματα τη σωστή στιγμή», είπε ο Bryce Mander, επίκουρος καθηγητής ψυχιατρικής και ανθρώπινης συμπεριφοράς στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine.
Αλλά αυτή η ισορροπία είναι λεπτή και μπορεί να διαταραχθεί από οτιδήποτε, από εγκεφαλικό τραύμα έως στέρηση ύπνου. Δεδομένου ότι οι αλλαγές στα εγκεφαλικά κύματα συχνά ακολουθούν τον εγκεφαλικό τραυματισμό, οι αναλογίες των κυμάτων δέλτα και οι αργές ταλαντώσεις μπορεί να συμβάλλουν στα παρατεταμένα ελλείμματα μνήμης, είπε ο Ganguly. Και η σχέση μεταξύ αυτών των κυμάτων θα μπορούσε να παίξει ρόλο σε ένα πολύ πιο κοινό φαινόμενο - τη γνωστική έκπτωση που έρχεται με τη γήρανση.
Ο Ganguly και η ομάδα του παρατήρησαν στην έρευνά τους ότι οι άτρακτοι ύπνου συμπεριφέρονται διαφορετικά με διαφορετικά κύματα. Με αργές ταλαντώσεις, οι άξονες τείνουν να συνδέονται με μια φάση του κύματος, αλλά κλειδώνουν σε μια διαφορετική φάση κυμάτων δέλτα. Οι άτρακτοι δείχνουν παρόμοια μετατόπιση στον γερασμένο εγκέφαλο, είπε ο Mander, επειδή αρχίζουν να φωλιάζουν σε διαφορετικό σημείο στα αργά κύματα. Εάν τα κύματα δέλτα είναι πιο διαδεδομένα στους γερασμένους εγκεφάλους, θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγηθεί αυτή η αλλαγή.
Τα κύματα Δέλτα έχουν επίσης συνδεθεί πιο άμεσα με την άνοια. Σε εγκεφάλους που εμφανίζουν συσσώρευση αμυλοειδών πλακών, χαρακτηριστικό της νόσου του Αλτσχάιμερ, τα κύματα δέλτα πολλαπλασιάζονται. Στην προχωρημένη νόσο Αλτσχάιμερ, βρίσκονται όχι μόνο στον ύπνο, αλλά και στην εγρήγορση. "Βλέπετε τα κύματα δέλτα να εμφανίζονται παντού", είπε ο Mander. Η παρουσία τους υποδηλώνει πώς η εξασθένηση της μνήμης θα μπορούσε να διαμορφωθεί στον εγκέφαλο.
Η επέκταση της μελέτης αυτών των ανταγωνιστικών εγκεφαλικών κυμάτων σε νέους τομείς όπως η γήρανση θα εξαρτηθεί από το εάν αυτός ο μηχανισμός εφαρμόζεται σε άλλα είδη μάθησης. Για παράδειγμα, η εκμάθηση των κινητικών δεξιοτήτων βασίζεται σε περιοχές του εγκεφάλου που δεν εμπλέκονται τόσο με άλλους τύπους μάθησης, επομένως δεν είναι ακόμη σαφές εάν αυτός ο μηχανισμός ανταγωνιστικών εγκεφαλικών κυμάτων θα υπάρχει σε όλες τις μορφές μνήμης, είπε ο Πόε. /P>
Η συνειδητοποίηση ότι τα κύματα δέλτα μπορεί να έχουν μια λειτουργία διαφορετική από τις αργές ταλαντώσεις υποδηλώνει επίσης μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση σε πολλά προβλήματα στην έρευνα ύπνου και μνήμης. Ορισμένα φάρμακα που βελτιώνουν τον ύπνο, για παράδειγμα, εξακολουθούν να αποτυγχάνουν να βελτιώσουν τη μάθηση και τη μνήμη. μελλοντικές μελέτες της ισορροπίας των αργών κυμάτων που παράγονται υπό την επιρροή τους μπορεί να διευκρινίσουν γιατί. Τα δεδομένα που παρακολουθούν αργά κύματα κατά τη διάρκεια του ύπνου ενδέχεται να αποκαλύψουν περαιτέρω νέες γνώσεις σχετικά με τις ξεχωριστές επιδράσεις των αργών ταλαντώσεων και των κυμάτων δέλτα. Μπορεί επίσης να αποδειχθεί τελικά δυνατό να ενισχυθούν οι μνήμες διαταράσσοντας τα κύματα δέλτα αντί με στόχο την προώθηση πιο αργών ταλαντώσεων. Οι μελέτες της εγκεφαλικής δραστηριότητας σε άτομα με εξαιρετικές αναμνήσεις μπορεί επίσης να δώσουν ιδέες για παρεμβάσεις προς όφελος της μάθησης. "Αυτή η εργασία ανοίγει ένα εντελώς νέο πεδίο μελέτης", είπε ο Mander.
Ένα ερώτημα που εξακολουθεί να κρέμεται μετά τη δουλειά της Kim είναι γιατί εμείς και τα άλλα ζώα πρέπει να κοιμόμαστε όσο κι εμείς. Τα στοιχεία δείχνουν ότι η σύζευξη αργών κυμάτων με ατράκτους ύπνου καταλαμβάνει μόνο δευτερόλεπτα από τις ώρες ύπνου. Μόνο μερικές περιπτώσεις αυτής της σύζευξης χρειάζονται για τη δημιουργία μακροπρόθεσμων αλλαγών στην ανθεκτικότητα των αναμνήσεων. «Αυτό είναι αρκετό για να αναγκάσει τα κυκλώματά μας να αναδιαμορφωθούν», είπε ο Πόε.
