Защо хората спят? Учените намират улики за решаването на тази вековна мистерия

Според изследователите, това проучване е открило най-ясната индикация за възпроизвеждане на двигателната кора по време на човешки сън, която някога е била наблюдавана.

Нови прозрения за мозъчната активност по време на сън могат да помогнат при създаването на инструменти за тези, които страдат от неврологично заболяване или увреждане.

Защо хората спят? Този въпрос се обсъжда от учени от стотици години, но скорошно проучване от Масачузетска обща болница (MGH) изследователи, извършено в сътрудничество с експерти от Браун университет, Департаментът по въпросите на ветераните и няколко други институции добавят нови улики за разрешаването на тази мистерия. Тяхното изследване, което наскоро беше публикувано в Journal of Neuroscience, може да помогне да се обясни как хората запомнят нещата и да придобият нови умения. Може също така да помогне при създаването на помощни инструменти за хора с неврологични състояния или наранявания.

Според водещия автор на изследването и невролог Даниел Рубин, MD, Ph.D., от Центъра за невротехнологии и невровъзстановяване на MGH, учените отдавна знаят, че по време на сън се случва феномен, известен като „повторение“. Смята се, че повторението е механизъм, използван от мозъка за извикване на нова информация. Когато мишката бъде научена да се движи в лабиринт, оборудването за наблюдение може да покаже, че точен модел от мозъчни клетки или неврони светва, докато следва правилния път. „След това, по-късно, докато животното спи, можете да видите, че тези неврони ще се задействат отново в същия ред“, казва Рубин. Учените теоретизират, че това е начинът, по който мозъкът практикува новопридобитите знания по време на сън, позволявайки спомените да бъдат консолидирани – т.е. да се превърнат от краткосрочни спомени в дългосрочни спомени.

Повторното възпроизвеждане обаче е правилно показано само при лабораторни животни. „Има открит въпрос в общността на невронауките: До каква степен този модел за това как научаваме нещата е верен при хората?“ И вярно ли е за различните видове учене?“ пита неврологът Сидни С. Кеш, MD, Ph.D., съдиректор на Центъра за невротехнологии и невровъзстановяване в MGH и състарши автор на изследването. Важно е, казва Кеш, че разбирането дали възпроизвеждането се случва с усвояването на двигателни умения може да помогне за насочване на разработването на нови терапии и инструменти за хора с неврологични заболявания и наранявания.

Изследователите откриха първите доказателства за повторение в човешкия двигателен кортекс, който контролира доброволното движение, в ново проучване. Това може да даде представа на разработчиците на помощни инструменти за хора с парализа и също така да предостави информация за това как учим и създаваме дългосрочни спомени. Кредит: Обща болница в Масачузетс

За да проучат дали възпроизвеждането се случва в човешкия двигателен кортекс – мозъчната област, която управлява движението – Рубин, Кеш и техните колеги привлякоха 36-годишен мъж с тетраплегия (наричана още квадриплегия), което означава, че той не може да движи горната част и долни крайници, в неговия случай поради травма на гръбначния стълб. Мъжът, идентифициран в проучването като T11, е участник в клинично изпитване на устройство за интерфейс мозък-компютър, което му позволява да използва компютърен курсор и клавиатура на екрана. Изследователското устройство се разработва от консорциума BrainGate, съвместно усилие, включващо клиницисти, невролози и инженери от няколко институции с цел създаване на технологии за възстановяване на комуникацията, мобилността и независимостта за хора с неврологични заболявания, наранявания или загуба на крайници. Консорциумът се ръководи от Leigh R. Hochberg, MD, Ph.D, от MGH, Браун университет и Министерството на ветераните.

В проучването T11 беше помолен да изпълни задача за запаметяване, подобна на електронната игра Simon, в която играчът наблюдава модел от мигащи цветни светлини, след което трябва да си припомни и възпроизведе тази последователност. Той контролираше курсора на екрана на компютъра, просто мислейки за движението на собствената си ръка. Сензори, имплантирани в моторния кортекс на T11, измерват модели на невронно задействане, което отразява предвиденото движение на ръката му, позволявайки му да движи курсора по екрана и да щраква върху него на желаните от него места. Тези мозъчни сигнали бяха записани и безжично предадени на компютър.

Тази нощ, докато T11 спеше у дома, активността в моторния му кортекс беше записана и безжично предадена на компютър. „Това, което открихме, беше доста невероятно“, казва Рубин. „Той всъщност играеше играта през нощта в съня си.“ В няколко случая, казва Рубин, моделите на T11 на невронално задействане по време на сън съвпадаха точно с моделите, които се появиха, докато той изпълняваше играта за съпоставяне на паметта по-рано същия ден.

„Това е най-прякото доказателство за повторение от моторния кортекс, което някога е било наблюдавано по време на сън при хора“, казва Рубин. Повечето от повторенията, открити в проучването, се случват по време на сън с бавни вълни, фаза на дълбок сън. Интересното е, че повторението е много по-малко вероятно да бъде открито, докато T11 е в REM сън, фазата, която най-често се свързва със сънуването. Рубин и Кеш виждат тази работа като основа за научаване на повече за повторението и неговата роля в ученето и паметта при хората.

„Надяваме се, че можем да използваме тази информация, за да помогнем за изграждането на по-добри интерфейси мозък-компютър и да измислим парадигми, които помагат на хората да учат по-бързо и по-ефикасно, за да си възвърнат контрола след нараняване“, казва Кеш, отбелязвайки значението на преместването на това линия на изследване от животни към хора. „Този ​​вид изследвания извличат огромна полза от тясното взаимодействие, което имаме с нашите участници“, добавя той с благодарност към T11 и други участници в клиничното изпитване BrainGate.

Хохберг е съгласен. „Нашите невероятни участници в BrainGate предоставят не само полезна обратна връзка за създаването на система за възстановяване на комуникацията и мобилността, но също така ни дават рядката възможност да напреднем в фундаменталната човешка невронаука – да разберем как човешкият мозък работи на ниво вериги на индивида неврони”, казва той, “и да използва тази информация за изграждане на възстановителни невротехнологии от следващо поколение.”

Рубин е и инструктор по неврология в Харвардско медицинско училище (HMS). Кеш е доцент по неврология в HMS. Хохберг е старши преподавател по неврология в HMS и професор по инженерство в университета Браун.

Проучването е финансирано от Националния институт по неврологични заболявания и инсулт. Американската академия по неврологияНационалния институт за психично здраве, Conquer Paralysis Now, Департамента по въпросите на ветераните, Института MGH-Deane и Медицинския институт Хауърд Хюз в Станфордски университет.

Справка: „Научените двигателни модели се възпроизвеждат в човешкия моторен кортекс по време на сън“ от Даниел Б. Рубин, Томи Хосман, Джесика Н. Келемен, Анастасия Капитонава, Франсис Р. Уилет, Брайън Ф. Кафлин, Ерик Халгрен, Еял Й. Кимчи, Зив М. Уилямс, Джон Д. Симеръл, Лий Р. Хохберг и Сидни С. Кеш, 22 юни 2022 г., Journal of Neuroscience.
DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2074-21.2022

(function(d,s,id){var js,fjs=d.getElementsByTagName(s)[0];if(d.getElementById(id))return;js=d.createElement(s);js.id=id;js.src=”https://connect.facebook.net/en_US/sdk.js#xfbml=1&version=v2.6″;fjs.parentNode.insertBefore(js,fjs);}(document,’script’,’facebook-jssdk’));