Результаты на мышах предоставляют важные физические доказательства в поддержку гипотезы о том, что сон помогает консолидировать и укреплять новые воспоминания, и впервые показывают, как обучение и сон вызывают физические изменения в моторной коре, области мозга, ответственной за произвольные движения.«Мы давно знаем, что сон играет важную роль в обучении и памяти. Если вы плохо спите, вы не научитесь хорошо», — говорит старший исследователь Вэнь-Бяо Ган, доктор философии, профессор нейробиологии и физиологии. и член Института биомолекулярной медицины Скирболл в Медицинском центре Лангоне при Нью-Йоркском университете. «Но каков основной физический механизм, ответственный за это явление? Здесь мы показали, как сон помогает нейронам формировать очень специфические связи на дендритных ветвях, которые могут способствовать долговременной памяти.
Мы также показываем, как различные типы обучения формируют синапсы в разных ветвях мозга. те же нейроны, что позволяет предположить, что обучение вызывает очень специфические структурные изменения в головном мозге ».На клеточном уровне сон совсем не успокаивает: клетки мозга, которые вспыхивают, когда мы перевариваем новую информацию в часы бодрствования, воспроизводятся во время глубокого сна, также известного как медленноволновый сон, когда мозговые волны замедляются и быстрое движение глаз, а также мечтает, останавливается. Ученые долгое время считали, что этот ночной образ жизни помогает нам формировать и вспоминать новые воспоминания, однако структурные изменения, лежащие в основе этого процесса, остаются малоизученными.
Чтобы пролить свет на этот процесс, доктор Ган и его коллеги использовали мышей, генетически модифицированных для экспрессии флуоресцентного белка в нейронах. Используя специальный лазерный сканирующий микроскоп, который освещает светящиеся флуоресцентные белки в моторной коре, ученые смогли затем отследить и отобразить рост дендритных шипов вдоль отдельных ветвей дендритов до и после того, как мыши научились балансировать на спин-стержне.
Со временем мыши научились балансировать на стержне, поскольку он постепенно вращался быстрее. «Это как научиться ездить на велосипеде», — говорит доктор Ган. «Однажды выучив это, вы никогда не забудете».После документирования того, что мыши на самом деле отрастают новые шипы вдоль дендритных ветвей, в течение шести часов после тренировки на спиннинге, исследователи решили понять, как сон повлияет на этот физический рост. Они обучили две группы мышей: одна тренировалась на спиннинге в течение часа, а затем спала в течение 7 часов; второй тренировался на удочке такое же время, но не спал 7 часов.
Ученые обнаружили, что у недосыпающих мышей наблюдается значительно меньший рост дендритных шипов, чем у хорошо отдохнувших мышей. Кроме того, они обнаружили, что тип изученной задачи определяет, какие шипы дендритных ветвей будут расти.Например, бег вперед на спиннинге вызывает рост позвоночника на других дендритных ветвях, чем бег назад на стержне, что позволяет предположить, что обучение определенным задачам вызывает определенные структурные изменения в мозге.«Теперь мы знаем, что когда мы узнаем что-то новое, нейрон будет создавать новые связи в определенной ветви», — говорит д-р Ган. «Представьте себе дерево, у которого растут листья (колючки) на одной ветке, а на другой — нет.
Когда мы узнаем что-то новое, это как если бы мы прорастали листья на определенной ветке».Наконец, ученые показали, что клетки головного мозга в моторной коре, которые активируются, когда мыши изучают задачу, повторно активируются во время медленного глубокого сна.
Они обнаружили, что нарушение этого процесса предотвращает рост дендритных шипов. Их результаты дают важное представление о функциональной роли нейронного воспроизведения — процесса, с помощью которого спящий мозг репетирует задачи, изученные в течение дня, — наблюдаемые в моторной коре головного мозга.
«Наши данные показывают, что реактивация нейронов во время сна очень важна для роста определенных связей в моторной коре», — добавляет доктор Ган.