Niektóre sny mogą faktycznie przepowiadać przyszłość. Nowe badania wykazały, że podczas snu niektóre neurony nie tylko odtwarzają niedawną przeszłość, ale także przewidują przyszłe doświadczenia.
Odkrycie jest jednym z szeregu spostrzeżeń, jakie dostarczyło badanie dotyczące snu i uczenia się opublikowane w czasopiśmie Nature przez zespół naukowców z Rice University i University of Michigan. Badanie oferuje bezprecedensowy obraz tego, jak poszczególne neurony w hipokampie szczurów stabilizują i dostosowują reprezentacje przestrzenne podczas okresów odpoczynku po pierwszym przejściu zwierząt przez labirynt.
„Niektóre neurony reagują na określone bodźce” – powiedział Kamran Diba, profesor nadzwyczajny anestezjologii w Michigan i współautor badania. „Neurony w korze wzrokowej pobudzają się, gdy otrzymują odpowiedni bodziec wzrokowy. Neurony, które badamy, wykazują preferencje co do miejsca”.
Razem ze współpracownikami z Neural Circuits and Memory Lab w stanie Michigan, kierowanym przez Dibę, neurobiolog z Rice, Caleb Kemere, bada proces, dzięki któremu te wyspecjalizowane neurony tworzą reprezentację świata po nowym doświadczeniu. W szczególności naukowcy śledzili fale ostre – wzór aktywacji neuronów, o którym wiadomo, że odgrywa rolę w utrwalaniu nowych wspomnień, a ostatnio wykazano także, że oznacza, które części nowego doświadczenia mają być przechowywane jako wspomnienia.
„Po raz pierwszy w tym artykule zaobserwowaliśmy, jak te pojedyncze neurony stabilizują reprezentacje przestrzenne w okresach odpoczynku” – powiedział Kemere, profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz bioinżynierii w Rice.
Sen ma kluczowe znaczenie dla pamięci i uczenia się — nauka określiła ilościowo tę odwieczną intuicję, mierząc wydajność testów pamięci po drzemce w porównaniu z okresem przebudzenia lub nawet braku snu.
Kilka dekad temu naukowcy odkryli również, że neurony w mózgach śpiących zwierząt, którym pozwolono eksplorować nowe otoczenie tuż przed spoczynkiem, uruchamiały się w sposób odtwarzający trajektorie zwierząt podczas eksploracji. Odkrycie to pokrywa się z wiedzą, że sen pomaga nowym doświadczeniom krystalizować się w stabilne wspomnienia, co sugeruje, że reprezentacje przestrzenne wielu wyspecjalizowanych neuronów w hipokampie są stabilne podczas snu. Naukowcy chcieli jednak sprawdzić, czy w tej historii kryje się coś więcej.
„Wyobrażaliśmy sobie, że niektóre neurony mogą zmienić swoje reprezentacje – odzwierciedlając doświadczenie, jakie wszyscy przeżyliśmy, gdy budziliśmy się z nowym zrozumieniem problemu” – powiedział Kemere. „Jednak wykazanie tego wymagało śledzenia, w jaki sposób poszczególne neurony osiągają dostrojenie przestrzenne, czyli proces, w wyniku którego mózg uczy się poruszać nową trasą lub środowiskiem”.
Naukowcy wytrenowali szczury, aby biegały tam i z powrotem po wzniesionym torze z płynną nagrodą na obu końcach i zaobserwowali, jak poszczególne neurony w hipokampie zwierząt „zwiększają” w tym procesie. Obliczając średnią częstotliwość impulsów podczas wielu okrążeń w tę i z powrotem, badacze byli w stanie oszacować pole miejsca neuronów – czyli obszar w środowisku, o który dany neuron „troszczył się” najbardziej.
„Kluczowym punktem jest to, że pola lokalizacji są szacowane na podstawie zachowania zwierzęcia” – powiedział Kemere, podkreślając wyzwanie, jakim jest ocena tego, co dzieje się z polami lokalizacji w okresach odpoczynku, kiedy zwierzę fizycznie nie porusza się przez labirynt.
„Długo zastanawiałem się, w jaki sposób możemy ocenić preferencje neuronów poza labiryntem, na przykład podczas snu” – powiedziała Diba. „Sprostaliśmy temu wyzwaniu, porównując aktywność każdego pojedynczego neuronu z aktywnością wszystkich pozostałych neuronów”.
To była kluczowa innowacja badania: naukowcy opracowali statystyczne podejście do uczenia maszynowego, które wykorzystało inne zbadane neurony do oszacowania miejsca, o jakim marzy zwierzę. Następnie wykorzystali te wymarzone pozycje do oszacowania procesu dostrajania przestrzennego dla każdego neuronu w swoich zbiorach danych.
„Możliwość śledzenia preferencji neuronów nawet bez bodźca była dla nas ważnym przełomem” – powiedział Diba.
Zarówno Diba, jak i Kemere pochwalili Kourosha Maboudiego, badacza ze stopniem doktora w Michigan i głównego autora badania, za jego rolę w rozwoju podejścia do strojenia wyuczonego.
Metoda potwierdziła, że reprezentacje przestrzenne powstające podczas doświadczenia nowego środowiska są dla większości neuronów stabilne przez kilka godzin snu po doświadczeniu. Ale jak przewidywali badacze, w tej historii było coś więcej.
„To, co najbardziej podobało mi się w tych badaniach i powód, dla którego byłem nimi tak podekscytowany, to odkrycie, że niekoniecznie jest tak, że podczas snu jedyną rzeczą, jaką robią te neurony, jest stabilizowanie pamięci o doświadczeniu” – powiedział Kemere . „Okazuje się, że niektóre neurony zajmują się czymś innym.
„Widzimy, że inne zmiany zachodzą podczas snu, a kiedy ponownie umieszczamy zwierzęta w środowisku, możemy potwierdzić, że zmiany te naprawdę odzwierciedlają wiedzę, której zwierzęta nauczyły się podczas snu. To tak, jakby drugie narażenie do przestrzeni faktycznie dzieje się, gdy zwierzę śpi.”
Jest to o tyle istotne, że stanowi bezpośrednią obserwację neuroplastyczności zachodzącej podczas snu. Kemere podkreślił, że prawie wszystkie badania nad plastycznością, które badają mechanizmy umożliwiające neuronom przebudowywanie połączeń i tworzenie nowych reprezentacji, skupiają się na tym, co dzieje się w okresach czuwania, gdy prezentowane są bodźce, a nie podczas snu, gdy odpowiednich bodźców nie ma.
„Wygląda na to, że plastyczność lub przebudowa mózgu wymaga naprawdę krótkich ram czasowych” – stwierdziła Diba, wskazując na fascynujący związek między czasem trwania rzeczywistego doświadczenia, „które może trwać sekundy, minuty, ale także godziny lub dni” a rzeczywiste wspomnienia, „które są super skompresowane”.
„Jeśli coś pamiętasz, wspomnienie – dzieje się to natychmiast” – stwierdziła Diba, odnosząc się do słynnego fragmentu literackiego francuskiego pisarza modernistycznego Marcela Prousta, w którym wspomnienie z dzieciństwa w mgnieniu oka odkrywa cały utracony świat przeszłych doświadczeń.
Badanie jest przykładem postępu w neurobiologii, który nastąpił w ciągu ostatnich kilku dekad dzięki postępowi technologicznemu w projektowaniu stabilnych sond neuronowych o wysokiej rozdzielczości, a także mocy obliczeniowej opartej na uczeniu maszynowym.
W świetle tych postępów Kemere stwierdziła, że nauka o mózgu może poczynić znaczne postępy w przyszłości, wyrażając jednocześnie zaniepokojenie wpływem niedawnych cięć budżetowych na dalsze badania.
„Jest całkiem możliwe, że gdybyśmy rozpoczęli te prace dzisiaj, nie bylibyśmy w stanie przeprowadzić tych eksperymentów i uzyskać takich wyników” – powiedział Kemere. „Zdecydowanie jesteśmy wdzięczni, że pojawiła się taka szansa”.