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Studie zeigt, wie unser Gehirn die jüngsten Erfahrungen im Schlaf wiedergibt

Während wir schlafen, ist unser Gehirn damit beschäftigt, frische Erinnerungen in Langzeitspeicher zu organisieren – oder zumindest ist das die Theorie. Interessante neue Forschungsergebnisse untermauern diese Behauptung und belegen, dass unser Gehirn die Erfahrungen des Tages während des Schlafes wiedergibt, was ein wesentlicher Bestandteil des Speicherprozesses ist.

In unserem Gehirn erfolgt die Umwandlung von Kurzzeitgedächtnissen in Langzeitgedächtnisse im Schlaf, auch während eines kurzen Nickerchens. Neurowissenschaftler bezeichnen diesen Prozess als „Gedächtniskonsolidierung“ und er ist seit Jahrzehnten Gegenstand zahlreicher Studien sowohl an Menschen als auch an Tieren.

Es gibt viele bewegende Teile dieses hypothetischen Prozesses, aber die beiden wichtigsten Gehirnbereiche sind der Hippocampus und der Neocortex. Der Hippocampus ist für das Lernen und das Gedächtnis verantwortlich und ein superplastischer Teil des Gehirns, da sich seine synaptischen Stärken schnell ändern können. Der Neokortex hingegen ist weit weniger biegsam, was ihn zu einem zuverlässigen Ort für die Speicherung von Langzeitgedächtnissen macht. Ganz einfach, die Speicherkonsolidierung ist ein Prozess, bei dem der Hippocampus neu gebildete Erinnerungen an den langsamer lernenden Neokortex liefert, der sozusagen weniger anfällig für Datenverlust ist.

“Dies geschieht durch eine schnelle Stärkung der Verbindungen in den Bahnen durch den Hippocampus, die diese neokortikalen Bereiche miteinander verbinden”, sagte Beata Jarosiewicz, leitende Wissenschaftlerin bei NeuroPace und Mitautorin der neuen Studie, gegenüber Gizmodo. “Später kann der Hippocampus dann die neokortikalen Neuronen reaktivieren, die an der Verarbeitung aller Komponenten dieser ursprünglichen Ereignisse beteiligt waren … und ihre Reaktivierung wird als Erinnerung erlebt.”

Während des Schlafes oder der Ruhe wird angenommen, dass die wiederholte Aktivierung oder „Offline-Wiedergabe“ der jüngsten Erfahrungen diese Erinnerungen festigt. Mit anderen Worten: “Um sie zu stärken und sie schrittweise synergistisch in unsere vorhandene Wissensbasis im Neokortex zu integrieren, ohne die bereits vorhandenen Informationen zu stören”, sagte Jarosiewicz, der zuvor an der Forschungsinitiative BrainGate gearbeitet hatte.

Das neue Papier, das heute in Cell Reports veröffentlicht wurde, ergänzt diese Diskussion, indem es Hinweise auf eine Offline-Wiedergabe im menschlichen Gehirn während des Schlafes liefert, was die Standardhypothese zur Gedächtniskonsolidierung stärkt. Dieser Prozess wurde bereits bei nichtmenschlichen Tieren dokumentiert, aber die neue Studie ist die erste, die ihn im menschlichen Gehirn zeigt.

“Die Wiedergabe des Gedächtnisses wurde bei nichtmenschlichen Tieren ausführlich beschrieben”, sagte Jarosiewicz, wobei Neurowissenschaftler in der Lage sind, die Gehirnaktivität bis auf einzelne Neuronen zu verfolgen. Beim Menschen wurden indirekte Beweise dafür mit nicht-invasiven Instrumenten wie EEGs und FMRIs gefunden, sagte sie, aber die „Aufzeichnungstechnologien in diesen Studien hatten nicht die räumliche Auflösung, um die Wiedergabe direkt auf der Ebene der neuronalen Feuerratenmuster zu testen. wie wir es hier getan haben. “

Grafische Darstellung des Experiments. (Illustration: J. Eichenlaub et al., 2020)

Für die neue Studie hatten zwei Teilnehmer mit Quadriplegie intrakortikale Mikroelektrodenarrays in ihren motorischen Kortex implantiert, den Teil des Gehirns, der für die Bewegung verantwortlich ist. Dies wurde im Rahmen einer unabhängigen klinischen BrainGate-Pilotstudie durchgeführt, in der Computercursor, Roboterprothesen und andere Hilfsmittel durch die Gedanken einer Person gesteuert werden können. BrainGate ist eine akademische Forschungsinitiative, an der die Brown University, das Massachusetts General Hospital, die Case Western Reserve University und die Stanford University beteiligt sind.

Beide Teilnehmer wurden gebeten, ein Spiel zu spielen, das Simon ähnelt, dem klassischen Memory-Spiel aus den 1980er Jahren. Grundsätzlich besteht das Spiel aus vier farbigen Feldern, die ein immer komplexer werdendes Muster aufblitzen lassen, das sich die Teilnehmer im Handumdrehen merken müssen. Anstatt diese Muster mit den Fingern nachzuahmen, konnten die Teilnehmer dies dank des Implantats mit einem gedankengesteuerten Cursor tun. Beide Teilnehmer führten viele Wiederholungen einer Standardsequenz durch. Die Standardsequenz war mit Ausreißersequenzen durchsetzt, die als Kontrollen dienten und nur zweimal auftraten. Die Forscher überwachten die neuronalen Muster der beiden Teilnehmer, während sie das Gedächtnisspiel spielten.

Nach einer Spielsitzung wurden die Teilnehmer gebeten, ein Nickerchen zu machen oder sich einfach auszuruhen. Dieses Spiel-Schlaf-Muster wurde mehrmals wiederholt, und die Forscher zeichneten während des gesamten Experiments die Spikeaktivität in ihren neuronalen Clustern auf.

Die Analyse der Daten zeigte, dass die spezifischen neuronalen Feuermuster, die während der Spielesitzungen beobachtet wurden, mit denen während des Schlafes und der Wachruhe übereinstimmten. In gewisser Weise war es, als würden die Teilnehmer das Spiel unbewusst spielen. Die im Ruhezustand aufgezeichneten Gehirnaktivitätsmuster stimmten im Vergleich zu den Ausreißerkontrollsequenzen besser mit denen überein, die während der Durchführung der erlernten Farbsequenz beobachtet wurden.

Die Forscher sagen, dies sei der erste direkte Beweis für eine lernassoziierte Wiederholung im menschlichen Gehirn. Es bleibt jedoch noch viel Arbeit, da diese Studie keine Beweise für einen kausalen Zusammenhang zwischen Offline-Wiedergabe und Langzeitgedächtniskonsolidierung liefert.

“Eine Sache, die in dieser Studie nicht angesprochen wurde, ist der Grad, in dem die Stärke der Wiederholung mit der Stärke des Lernens zusammenhängt”, sagte Jarosiewicz gegenüber Gizmodo. „Zukünftige Studien könnten diese Beziehung weiter untersuchen, indem sie beispielsweise die Teilnehmer nach ihrem Nickerchen nach dem Spiel erneut auf die wiederholten Sequenzen testen. Wir möchten auch untersuchen, wie sich die Wiederholung über längere Zeiträume und verschiedene Schlafphasen, einschließlich des Nachtschlafes, entwickelt, und vielleicht sogar untersuchen, wie sich die Wiederholung auf Phänomene wie Träumen auswirkt. “

Interessanterweise hat die neue Forschung Auswirkungen auf Studenten oder andere Personen, die sich auf eine gedächtnisbezogene Aktivität vorbereiten. Wenn diese Interpretation korrekt ist, wird nicht empfohlen, vor einer Prüfung, Präsentation oder einem Interview die ganze Nacht zu schlafen und den Schlaf zu vermeiden. Schlafen Sie stattdessen gut und festigen Sie die neu gewonnenen Erinnerungen!

Ausgewähltes Bild: Domenico Fetti