Sen jest niezbędny do dostosowania się do nowych miejsc wakacyjnych
Sen pomaga myszom w opracowaniu spójnych map umysłowych miejsc, łącząc słabo przestrzenne neurony z komórkami miejscowymi w celu poprawy nawigacji.

Pierwszego dnia twojego urlopu w nowym mieście, twoje wycieczki zabierają cię do kilku unikalnych miejsc. Podczas gdy wspomnienia tych miejsc (takich jak piękny ogród na cichej bocznej ulicy) są natychmiast zapadające w pamięć, może minąć kilka dni, zanim będziesz miał wystarczającą intuicję na temat miasta, aby wysłać nowszego odwiedzającego do podobnego miejsca, a następnie być może do kawiarni, którą odkryłeś w pobliżu. Nowe badanie na myszach przeprowadzone przez neurobiologów z MIT w Instytucie Picowera ds. Nauki i Pamięci dostarcza świeżych dowodów na to, jak mózg tworzy spójne mapy poznawcze całych obszarów, podkreślając istotną rolę snu w tym procesie.

Od dziesięcioleci naukowcy wiedzieli, że mózg używa neuronów w obszarze znanym jako hipokamp, aby przypomnieć sobie konkretne miejsca. Gdy zwierzę znajduje się w obszarze, który neuron jest zaprogramowany do zapamiętania, tzw. „komórki miejscowe” aktywują się konsekwentnie. Ważniejsze niż posiadanie znaczników dla poszczególnych obszarów jest posiadanie mentalnego obrazu tego, jak wszystkie one pasują do siebie w ciągłym ogólnym geograficznym układzie. Chociaż takie „mapy poznawcze” zostały początkowo postulowane w 1948 roku, neurobiolodzy wciąż nie wiedzą, jak mózg je tworzy. Według nowego badania opublikowanego w Cell Reports w grudniu, zdolność ta może zależeć od subtelnych, ale znaczących zmian w aktywności komórek, które są tylko słabo dostosowane do poszczególnych miejsc, ale poprawiają wytrzymałość i precyzję kodowania hipokampa całego przestrzeni w czasie. Wyniki studiów pokazały, że podczas snu te „słabo przestrzenne” komórki zwiększają aktywność sieci neuronów w hipokampie, łącząc różne miejsca w mapę poznawczą.

„Pierwszego dnia mózg nie reprezentuje przestrzeni bardzo dobrze” – tłumaczy główny autor Wei Guo, naukowiec badawczy w laboratorium starszego autora Matthew Wilsona, profesora instytutu Picowera i wydziałów Biologii i Nauk o Mózgu oraz Kognitywistyki na MIT. „Neurony reprezentują poszczególne miejsca, ale nie tworzą mapy. Ale piątego dnia tworzą mapę. Aby stworzyć mapę, wszystkie te neurony muszą działać razem we współpracy.”

Myszy mapują labirynty
Aby przeprowadzić badanie, Guo i Wilson, wraz z kolegami z laboratorium Jie „Jackiem” Zhangiem i Jonathanem Newmanem, wystawili myszy na proste labirynty o różnych wzorach i pozwolili im swobodnie je eksplorować przez około 30 minut każdego dnia przez wiele dni. Ważne jest, że myszom nie oferowano specjalnych nagród, aby zachęcić je do nauki czegokolwiek. Po prostu się poruszały. Poprzednie badania wykazały, że myszy naturalnie pokazywały „ukryte uczenie się” obszarów po kilku dniach takich nieodtwarzanych doświadczeń.

Aby lepiej zrozumieć, jak zachodzi ukryte uczenie się, Guo i jego koledzy obserwowali wizualnie setki neuronów w sekcji CA1 hipokampa, programując komórki do błyskania, gdy gromadzą się jony wapnia, sprawiając, że stają się elektrycznie aktywne. Rejestrowali błyski neuronów zarówno podczas gdy myszy aktywnie eksplorowały, jak i gdy spały. Laboratorium Wilsona odkryło, że zwierzęta „odtworzą” swoje wcześniejsze przygody podczas snu, wzmacniając tym samym swoje wspomnienia poprzez marzenia o swoich doświadczeniach.

Analiza nagrań wykazała, że aktywność komórek miejscowych zaczęła się natychmiast i pozostała silna i spójna przez kilka dni eksploracji. Jednak ta aktywność sama nie może wyjaśnić, w jaki sposób ukryte uczenie się lub mapa poznawcza rośnie przez kilka dni. W przeciwieństwie do wielu innych badań, które koncentrują się głównie na silnej i wyraźnej aktywności komórek miejscowych, badanie Guo obejmowało bardziej subtelne i enigmatyczne aktywności komórek, które nie były tak mocno usytuowane przestrzennie.

Korzystając z nowego podejścia znanego jako „uczenie się przestrzenne”, odkrył, że wiele „słabo przestrzennych” komórek stopniowo powiązało swoją aktywność z wzorcami aktywności innych neuronów w sieci, a nie z miejscami. Wyniki Guo ujawniły, że sieć zapisała mapę poznawczą labiryntu, która bardziej przypominała faktyczną, fizyczną przestrzeń.

„Chociaż nie reagując na konkretne miejsca jak silnie przestrzenne komórki, słabo przestrzenne komórki specjalizują się w reagowaniu na ”miejsca umysłowe”, czyli specyficzne wzorce czynności zespołów innych komórek” – powiedzieli autorzy studium. „Jeśli pola umysłowe słabo przestrzennej komórki obejmują dwa zbiory silnie przestrzennych komórek, które kodują różne lokacje, ta słabo przestrzenna komórka może służyć jako most między tymi obszarami.”

Pragnienie snu
Grupa Wilsona i wielu innych odkryła, że aktywność mózgu podczas snu i odpoczynku, takiego jak odtwarzanie, konsoliduje, udoskonala i przetwarza wspomnienia. Zespół Guo i Wilsona postawił więc sobie za cel określenie, czy sen jest konieczny, aby słabo przestrzenne komórki mogły przyczynić się do ukrytego uczenia się map poznawczych.

Aby to zrobić, naukowcy pozwolili niektórym myszom eksplorować nowy labirynt dwa razy w tym samym dniu, z trzygodzinną przerwą między nimi. Niektórym myszom pozwolono spać, podczas gdy inne nie. Te, które to zrobiły, wykazywały znaczną poprawę swojej mapy umysłowej, natomiast te, które nie miały możliwości snu, wykazywały niewielkie ulepszenie. Nie tylko kodowanie sieci mapy poprawiło się, ale pomiary dostrojenia poszczególnych komórek wykazały, że sen pomógł komórkom stać się bardziej dostrojonymi zarówno do lokalizacji, jak i wzorców aktywności sieciowej, często nazywanych „miejscami umysłowymi” lub „polami”.

Znaczenie mapy umysłowej
Według Guo, „mapy poznawcze” przechowywane przez myszy przez kilka dni nie były dosłownymi, dokładnymi planami labiryntów. Wyglądały one raczej jak schematy. Ich znaczenie wynika z faktu, że dostarczają mózgowi topologii, która może być badana poznawczo, a nie w rzeczywistej przestrzeni. Na przykład po stworzeniu mentalnej mapy okolicy wokół hotelu, możesz zaplanować wycieczkę na następny poranek.

Faktycznie, Wilson postulował, że aktywność słabo przestrzennych komórek może nakładać znaczące informacje niesprzeczne z przestrzenią, dodając znaczenie do map. Jednak badanie nie obejmowało żadnych punktów orientacyjnych w labiryntach i nie badało unikalnych zachowań myszy. Ponieważ jednak badanie odkryło, że te słabo przestrzenne komórki odgrywają istotną rolę w mapowaniu, Wilson mówi, że przyszłe badania mogą przyjrzeć się, jakiego rodzaju informacje absorbuje się do zrozumienia zwierzętów o ich otoczeniu. Wydaje się, że naturalnie postrzegamy miejsca, w których żyjemy, jako coś więcej niż tylko zbiór odrębnych lokalizacji.

„W tym badaniu skupiliśmy się na zwierzętach zachowujących się naturalnie i wykazaliśmy, że podczas swobodnego eksplorowania i następującego snu, w obliczu braku wzmocnienia, nadal zachodzą znaczące zmiany plastyczne na poziomie zespołu” – powiedzieli autorzy artykułu. „Ten rodzaj ukrytego i niewspomaganego uczenia się stanowi istotny element uczenia się człowieka i inteligencji, co uzasadnia dalsze dogłębne badania.”