Зрачки и память. Биохакинг сна и можно ли улучшить когнитивные функции?
Ученые использовали технологии для отслеживания размера зрачков во время сна. Так были обнаружены новые стадии сна, изменения которых коррелируют с изменениями в размере зрачков. Самое главное, что специфика чередования этих стадий напрямую влияет на хранение воспоминаний в мозге. Это можно использовать для улучшения когнитивных функций и даже выявления проблем со способностью вспоминать новый опыт в состоянии бодрствования.
С чего начинается биохакинг сна?
Ученые из Корнелльского университета выявили состояния сна с суженными и расширенными зрачками и связь смены этих состояний с формированием воспоминаний в ходе сложного исследования. Смысл исследования как раз в том, что получен доступ к пониманию новых когнитивных функций и открываются перспективы для новых методик запоминания. Впрочем, помним о базе: сон сам по себе – основа продуктивности. А биохакинг сна начинается с режима чтобы позволить мозгу адекватно синтезировать мелатонин.
По сути, сон делится на две стадии — небыстрое движение глаз (non-REM, которую исследователи называют NREM) и быстрый сон, он же – фаза быстрого движения глаз. Обе фазы играют разные роли в формировании памяти и когнитивных функций. Но существуют также подвиды медленного сна (N1, N2 и N3), когда мы переходим от поверхностного сна к глубокому. Именно в стадии NREM ученые сделали свое открытие.
Сон без быстрого сна — это период, когда происходит фактическая консолидация памяти, и эти моменты — очень, очень короткие периоды времени, которые не поддаются обнаружению человеком. Они длятся в среднем 100 миллисекунд. Возникает вопрос, как мозг распределяет эти очень быстрые и очень короткие изменения в памяти в течение всей ночи? И как это разделяет новые поступающие знания таким образом, чтобы они не мешали старым знаниям, которые уже есть у нас в голове?
Биохакинг сна. Первые попытки
В ходе месячного исследования мышам неоднократно предлагалось найти награды в двух типах задач. Это Т-образный лабиринт для проверки кратковременной пространственной памяти и поиск ячейки с сыром на доске, для проверки долговременной консолидации памяти. Эти тесты позволили ученым наблюдать специфическую активность гиппокампа во время обучения, а затем два процесса в виде воспроизведения и консолидации памяти во сне.
Из-за того, как наши зрачки меняются в ответ на мозговую активность, сигнализируя о таких состояниях, как возбуждение и расслабление, есть некоторые доказательства того, что во время сна глаза могут давать похожие подсказки, отражающие ход процессов в глубинах мозга. При этом, такие процессы очень непросто измерить.
Для этого команда использовала специальные головные комплекты, содержащие небольшую камеру и высокотехнологичные мозговые датчики. Инфракрасная камера регистрировала размер зрачка, пока мышь двигалась по лабиринтам или спала, а данные анализировались в режиме реального времени для поиска изменений. Для измерения активности мозга в гиппокамп были имплантированы крошечные кремниевые зонды, которые отслеживали электрические сигналы от нейронов, а также фиксировали уже известные закономерности, такие как рябь острых волн (SWR) — это важная активность нейронов в воспроизведении памяти. Эти два измерения были синхронизированы, чтобы дать полную картину того, как реакция зрачка во время сна коррелирует с работой мозга в обработке недавней и долгосрочной консолидации памяти.
Недавно делал серию переводов о природе памяти. Это не «архив данных» и не «чертоги», по которым можно передвигаться. Подробнее о том, что такое память и почему она больше не про хранение данных, а про фокус внимания и концентрацию – вы узнаете, начав с первой части.
Исследователи также использовали оптогенетику — светотерапию для управления активностью определенных нейронов с целью манипулирования и нарушения работы спящего мозга — чтобы выяснить, влияет ли это на память животных во время бодрствования и каким образом.
Первые результаты биохакинга сна
Благодаря этим методам, команда смогла увидеть, что новые воспоминания воспроизводились и закреплялись в мозге в течение мимолетного момента в одной из подстадий фазы сна без быстрого движения глаз, что соответствовало сужению зрачков животных. Затем, когда зрачки расширялись, это сигнализировало о другой подстадии сна без быстрого движения глаз, которая была связана с тем же процессом, но для более старых, устоявшихся воспоминаний и выученных навыков. По сути, два канала активности не позволяли мозгу сохранять новые «файлы воспоминаний» поверх старых, что привело бы к помехам, вместо этого такой подход упорядочивания данных помог сохранить долгосрочные воспоминания.
Это как вафельный торт. Новое обучение, старое знание, новое обучение, старое знание, и эти фазы медленно колеблются на протяжении всего сна. Мы предполагаем, что у мозга есть эта промежуточная временная шкала, которая отделяет новое обучение от старого знания.
Как это связано с человеческим мозгом и сном? Записи в реальном времени, собранные исследователями, показали, что у спящих мышей мозговая активность и сложные стадии сна во многом похожи на наши. Когда мышам мешали спать, чтобы нарушить очередность стадий памяти, последовавшие за этим тесты с лабиринтом выявили значительную разницу в способности животных получать доступ к усвоенным знаниям и выполнять задачи, которые требовали погружения как в краткосрочную, так и долгосрочную работу памяти.
Сон NREM обладает стереотипной микроструктурой, которая регулирует воспроизведение памяти. Размер зрачка колебался между суженными и расширенными подсостояниями в течение минуты, сигнализируя о чередовании различных состояний сети гиппокампа. Хотя SWR происходили на протяжении всей фазы NREM, воспроизведение недавних событий происходило в SWR во время подсостояний с суженным зрачком, а не в подсостояниях с расширенным зрачком.
Нарушение SWR в подсостоянии расширенных зрачков не оказало реального влияния на производительность памяти при недавнем обучении (кратковременная память), что свидетельствует о том, что эта нейронная активность играет ключевую роль в подстадии сна, когда зрачки сужены.
Подводя итог, наше исследование указывает на существование отдельных подсостояний и механизмов в NREM-сне, которые разделяют воспроизведение недавних и древних воспоминаний. Это открытие дает потенциальное решение давней проблемы как в биологических, так и в искусственных нейронных сетях. В частности, дает инструмент предотвращения проблемы катастрофических помех, когда наступает мешанина из старого опыта и новой информации. Также такой подход помогает найти способы улучшения памяти. Учитывая, что пупиллометрия широко используется как неинвазивный метод изучения человеческого познания, наши результаты могут помочь усовершенствовать неинвазивные эксперименты по вмешательству для улучшения человеческой памяти, такие как целевая реактивация памяти.
Это исследование обеспечивает более глубокое понимание того, как сон способствует обучению и запоминанию, и потенциально может проложить путь для целенаправленных вмешательств, таких как улучшение определенных стадий сна для оптимизации консолидации памяти для недавно усвоенной информации или для устранения выявленных нарушений памяти.
Больше странных материалов на тему мозга, сознания, психики и природы человека – читайте в материалах сообщества. Подписывайтесь, чтобы не пропустить свежие статьи!