راز پنهان خواب: امواج مغز چگونه خاطرات ما را در خواب شکل می‌دهند؟
همه ما می‌دانیم که خواب برای سلامت جسمی و روانی ما ضروری است، اما هنوز بسیاری از جنبه‌های این رفتار به ظاهر ساده، از نظر علمی ناشناخته باقی مانده است. محققان دانشگاه میشیگان اخیراً نظریه‌ای جدید را مطرح کرده‌اند که می‌تواند به حل یکی از بزرگ‌ترین معماهای خواب کمک کند.
به نظر می‌رسد تمام موجودات زنده‌ای که می‌خوابند، از الگوی مشابهی پیروی می‌کنند: بیداری، سپس چرخه‌ای تکراری از خواب با فعالیت مغزی کم، و پس از آن مرحله‌ای که مغز ما سخت‌تر کار می‌کند و رویاهای واضحی را ایجاد می‌کند. در طول این مرحله با فعالیت بالا، چشمان ما نیز در زیر پلک‌ها حرکت می‌کنند؛ به همین دلیل به آن خواب با حرکات سریع چشم یا REM می‌گویند.
این چرخه تکراری خواب غیر REM به REM، به طرز قابل توجهی در سراسر قلمرو حیوانات رایج است. سارا آتون، استاد زیست‌شناسی مولکولی، سلولی و تکوینی در دانشگاه میشیگان (U-M) می‌گوید: «از نظر تکاملی، این چرخه بسیار حفظ شده و در گونه‌های مختلف بسیار فراگیر است. این بدان معناست که احتمالاً چیز بسیار مهمی در مورد این ترتیب خاص خواب وجود دارد. و هرگز معکوس نمی‌شود، مگر اینکه مشکلی جدی در سیستم به وجود آمده باشد.»
نظریه جدید در مورد عملکرد خواب
محققان دانشگاه میشیگان، به سرپرستی آتون و میشال زوچوفسکی، نظریه‌ای را بر اساس مشاهدات تجربی در موش‌ها و مدل‌سازی کامپیوتری مدارهای عصبی مغز ارائه داده‌اند. این نظریه می‌گوید اگر خاطرات را به صورت درختچه‌هایی در نظر بگیریم، مرحله غیر REM خواب به آن‌ها کمک می‌کند تا بلندتر و قوی‌تر شوند. سپس مرحله REM آن‌ها را هرس می‌کند، تا خوش‌فرم و متمایز بمانند و از همپوشانی و رشد در یکدیگر جلوگیری شود.
به گفته آتون: «این فرایند فقط در صورتی کار می‌کند که این توالی وجود داشته باشد. اگر برعکس عمل کنید و ابتدا REM داشته باشید، همه چیز را از بین می‌برد و هیچ خاطره‌ای باقی نمی‌ماند. در توالی درست، چیزهایی را که نیاز به تقویت دارند، تقویت می‌کنید. سپس REM وارد عمل می‌شود تا قسمت‌های همپوشانی خاطرات نامربوط را هرس کند.»
مشاهدات آزمایشگاهی
محققان توانستند در موش‌ها، تأثیر خواب را بر یادآوری آزمایش‌های شرطی‌سازی ساده مشاهده کنند. به گفته زوچوفسکی، این موضوع می‌تواند در زندگی روزمره ما نیز پیامدهای آشنایی داشته باشد. او می‌گوید: «فرض کنید در یک روز سه جلسه دارید. می‌دانیم که بعد از یک خواب شبانه خوب، این جلسات را بهتر به خاطر خواهید آورد. به نظر می‌رسد که در طول خواب غیر REM، حافظه خود را از هر جلسه تقویت می‌کنید. اما باید به خاطر داشته باشید که چه کسی چه چیزی را در کدام جلسه گفته است. کاری که REM انجام می‌دهد این است که آن‌ها را از هم جدا نگه می‌دارد.»
این پژوهش در مجله PLoS Computational Biology منتشر شده و از سوی بنیاد ملی علوم، ابتکار چان زاکربرگ و مؤسسات ملی بهداشت (NIH) حمایت شده است. بخشی از این پروژه با پیشرفت‌هایی که در طول دوازده سال گذشته توسط جامعه علمی حاصل شده، امکان‌پذیر شد. این پیشرفت‌ها با ابتکار BRAIN مؤسسات ملی بهداشت (تحقیقات مغز از طریق پیشبرد فناوری‌های عصبی نوآورانه) تقویت شده است.
چرخه‌ها و مدارها: جزئیات آزمایش
تیم تحقیقاتی آتون در آخرین آزمایش‌های خود، مغز موش‌ها را تحت نظر قرار دادند تا ببینند کدام قسمت‌های هیپوکامپ در طول مراحل مختلف خواب پس از یک سناریوی شرطی‌سازی ساده فعال می‌شوند. موش‌ها از محفظه‌های خانگی خود به محیط جدیدی منتقل شدند و پس از چند دقیقه کاوش، شوک کوچکی به پاهایشان وارد شد. همچنین یک گروه کنترل از موش‌ها وجود داشتند که هیچ‌گونه اتفاق ناخوشایندی را تجربه نکردند.
این امر به محققان این امکان را داد تا فعالیت مغزی موش‌های خوابیده در طول چرخه‌های REM و غیر REM را که ارتباطی بین فضای جدید و شوک ایجاد کرده بودند و آن‌ها که ایجاد نکرده بودند، مقایسه کنند. از آنجایی که محققان هنوز نمی‌توانند با استفاده از تکنیک‌های موجود، تمام نورون‌های منفرد رمزگذار خاطرات خاص را شناسایی کنند، مدل‌سازی این تیم به تکمیل تصویر کمک کرد.
این مدل توسط گروه زوچوفسکی توسعه داده شد و خاطرات تازه رمزگذاری شده را به صورت تغییراتی در فعالیت نورون‌ها در مدارها در نظر می‌گیرد که تحت تأثیر محیط مغز قرار دارند و در آنجا یک ماده بیوشیمیایی به نام استیل کولین فعالیت آن‌ها را تعدیل می‌کند. آتون می‌گوید: «ما می‌توانیم به طور واقعی شبیه‌سازی کنیم و مشخص کنیم کدام نورون‌ها توسط یک رویداد یادگیری فعال می‌شوند. ما می‌توانیم آن را مدل‌سازی کنیم و تغییراتی را که با توجه به استیل کولین رخ می‌دهند، در حالی که حیوان مراحل مختلف خواب را طی می‌کند، مدل‌سازی کنیم.»
همچنین دو نوع نورون وجود دارد: نورون‌های تحریکی که تمایل دارند همسایگان خود را تحریک کنند و نورون‌های مهاری که فعالیت دیگران را سرکوب می‌کنند. با ترکیب این پویایی‌ها با داده‌های واقعی در مورد فعالیت مغز و سطوح استیل کولین در طول مراحل مختلف خواب، مدل به آشکار شدن نتایجی کمک کرد که قبلاً غیرقابل دسترس بودند.
محققان با وجود هیجان‌زده بودن از این نتیجه، تأکید کردند که این آخرین حرف در این مورد نیست. مدل مداری آن‌ها یک نمایش ساده‌شده از مغز است و آزمایش‌های این تیم سناریوهای حافظه نسبتاً ساده‌ای را آزمایش کرده‌اند. بنابراین، این نظریه می‌تواند با قرار دادن آن در معرض موارد آزمایشی پیچیده‌تر و ارائه انواع جدید و متفاوتی از داده‌ها به آن، تغییر کند یا تکامل یابد. زوچوفسکی می‌گوید: «آنچه اکنون داریم، مطالعه‌ای است که می‌گوید: “نگاه کنید، این همان چیزی است که ممکن است اتفاق بیفتد.” اکنون باید ثابت کنیم که این مدل با واقعیت مرتبط است.»
درباره این خبر تحقیقاتی در مورد خواب و حافظه
- نویسنده: مت داونپورت
- منبع: دانشگاه میشیگان
- تماس: مت داونپورت – دانشگاه میشیگان
- تصویر: اعتبار تصویر متعلق به Neuroscience News است.
- تحقیق اصلی: دسترسی آزاد.
- «تعدیل کولینرژیک شبکه‌های عصبی از نقش‌های متوالی و مکمل حالت‌های NREM و REM در تثبیت حافظه پشتیبانی می‌کند»؛ سارا آتون و همکاران. PLOS Computational Biology
چکیده مقاله اصلی
تعدیل کولینرژیک شبکه‌های عصبی از نقش‌های متوالی و مکمل حالت‌های NREM و REM در تثبیت حافظه پشتیبانی می‌کند
در سراسر گونه‌های مهره‌داران، خواب از چرخه‌های تکراری NREM و به دنبال آن REM تشکیل شده است. با این حال، عملکردهای مربوطه آن‌ها و الگوی چرخه‌ای کلیشه‌ای آن‌ها به خوبی درک نشده است.
با استفاده از یک مدل شبکه بیوفیزیکی ساده‌شده، نقش بالقوه تعدیل کولینرژیک، که از طریق گیرنده‌های موسکارینی عمل می‌کند، بر پویایی شبکه و تثبیت حافظه را بررسی می‌کنیم.
نشان می‌دهیم که سطوح پایین و بالای کولینرژیک مرتبط با خواب NREM و REM، به ترتیب، ممکن است نقش‌های حیاتی و متوالی در تثبیت حافظه ایفا کنند.
پویایی‌های شبکه‌ای که این نقش‌ها را تسهیل می‌کنند، از طریق تغییر تحریک‌پذیری عصبی و تغییرات در تعادل تحریکی/مهاری در کل شبکه به وجود می‌آیند.
در سطوح پایین استیل کولین (ACh)، کاهش فعال‌سازی نورون‌های مهاری منجر به مهارزدایی در کل شبکه و فوران‌های فعالیت همگام‌شده به رهبری نورون‌های انگرام می‌شود و باعث جذب نورون‌های تحریکی اضافی به انگرام می‌شود.
در مقابل، در سطوح بالای ACh، افزایش مهار شبکه، شلیک در تمام نورون‌ها را به جز قوی‌ترین نورون‌های تحریکی جذب‌شده سرکوب می‌کند و جمعیت انگرام گسترش‌یافته را هرس می‌کند.
در مجموع، این نتایج یک فرضیه قابل آزمایش در مورد نقش تعدیل کولینرژیک خاص حالت خواب در فرآیند تثبیت حافظه ارائه می‌دهد.
