Мозг как садовник: как фазы сна обрезают и укрепляют память

Сон остаётся одной из самых больших загадок науки, и несмотря на его критическую важность для здоровья, многие его механизмы до сих пор не имеют объяснения. В последних исследованиях Мичиганского университета учёные сосредоточились на одном из самых интригующих аспектов сна — неизменном порядке фаз и его влиянии на память.

Каждый раз, когда мы засыпаем, наш мозг чередует две основные фазы: фазу медленного сна, характеризующуюся низкой активностью мозга, и фазу быстрого сна, во время которой происходят быстрые движения глаз и активизация разума, создавая яркие сны.

Эта закономерность наблюдается у всех живых существ, от людей до грызунов, что указывает на её важную биологическую функцию. Однако учёные до сих пор не могли точно объяснить, почему этот порядок столь значим.

Группа исследователей под руководством Сары Атон и Михала Зоховски предложила новую теорию: медленная фаза сна укрепляет воспоминания, а фаза быстрого сна "обрезает" их, предотвращая спутанность. Результаты их работы, опубликованные в журнале PLoS Computational Biology, показывают, что изменение этого порядка может привести не к закреплению памяти, а к её уничтожению.

Для проверки гипотезы учёные проводили эксперименты с мышами, помещая их в новую среду, где одни подвергались слабому электрическому разряду по лапам, а другие — нет. Затем они наблюдали активность мозга животных во время сна, с особым вниманием к гиппокампу — участку мозга, который играет ключевую роль в формировании памяти.

Результаты эксперимента показали, что во время фазы медленного сна нейроны, связанные с памятью о шоке, активизировались, укрепляя её. Однако настоящий прорыв произошёл во время анализа фазы быстрого сна, когда мозг не только сохранял эти воспоминания, но и устранял лишние связи, обеспечивая чёткость и отчетливость каждого воспоминания.

Если же порядок фаз был нарушен, и быстрый сон наступал раньше медленного, то последний не успевал закрепить воспоминания, и они исчезали, объяснил Атон. Это похоже на обрезку кустов: сначала даёшь им расти, а затем обрезаешь, чтобы они не спутались.

Чтобы подтвердить свою теорию, исследовательская группа использовала вычислительные модели, которые симулировали нейронные цепи, включающие два типа клеток: возбуждающие, стимулирующие активность, и тормозные, подавляющие её. Модели также учитывали роль ацетилхолина — нейромедиатора, уровень которого меняется в зависимости от фазы сна.

Результаты моделирования подтвердили, что в фазе медленного сна (когда уровень ацетилхолина низкий) возбуждающие нейроны усиливают недавние воспоминания. В фазе быстрого сна, когда уровень ацетилхолина высокий, активируются тормозные нейроны, которые "обрезают" ненужные связи, предотвращая путаницу в сознании.

Зоховски использует метафору с тремя встречами в один день, чтобы объяснить, как это работает: медленный сон закрепляет каждую встречу, а быстрый сон помогает не перепутать, кто и что сказал на каждой из них.

Тем не менее, исследователи признают, что их модель — это лишь упрощение, поскольку настоящий мозг гораздо сложнее. Следующим шагом станет исследование более сложных сценариев, например, эмоциональных воспоминаний или временных последовательностей. Это только начало, предупредил Зоховски, и необходимо доказать, что модель подходит для более разнообразных условий.

Это исследование — значительный шаг вперёд в понимании сна и его структуры, объясняя, почему чередование фаз так важно для нормального функционирования памяти. Это открытие также имеет значение для таких расстройств, как бессонница или нарколепсия, при которых цикл сна нарушается.

Мозг, как показали учёные, не отдыхает во время сна, а работает по чётким правилам: сначала укрепляет, потом убирает, выполняя нечто похожее на форматирование памяти.