Ученые объяснили, почему глубокий сон полезен для памяти

Уже довольно давно известно, что медленные, синхронные электрические волны в мозге во время глубокого сна поддерживают формирование воспоминаний. Но почему это так, ранее ученым выяснить не удавалось. Теперь группа исследователей из Charité – Universitätsmedizin Berlin предлагает объяснение. Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature Communications.

Согласно полученным данным, медленные волны делают неокортекс, место долговременной памяти, особенно восприимчивым к информации. Результаты могут помочь оптимизировать подходы к лечению, которые предназначены для поддержки формирования памяти извне.

Медленные волны, или медленные колебания, — это тип электрических волн, возникающих в мозге во время глубокого сна. «Дельта»-волны включают определенный диапазон частот, который отображается на ЭЭГ. Это медленные мозговые волны, которые могут возникать и вне сна, как часть заболевания или расстройства. Этот более широкий термин иногда используется как синоним термина «медленные волны».

Объясняя, как формируются постоянные воспоминания, эксперты отмечают, что во время сна наш мозг воспроизводит события дня, перемещая информацию из краткосрочной памяти, гиппокампа, в долгосрочную память, расположенную в неокортексе. «Медленные волны» особенно важны для этого процесса: медленные, синхронные колебания электрического напряжения в коре, которые происходят во время фазы глубокого сна. Их можно измерить с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Волны возникают, когда электрическое напряжение во многих нейронах одновременно повышается и понижается один раз в секунду.

«Мы знали много лет, что эти колебания напряжения способствуют формированию памяти. Когда медленноволновой сон искусственно усиливается извне, память улучшается. Но до сих пор мы не знали, что именно происходит внутри мозга, когда это происходит, потому что крайне сложно изучать потоки информации внутри человеческого мозга», - объясняет руководитель исследования профессор Йорг Гейгер из Института нейрофизиологии в Charité.

Он и его команда в ходе нового исследования использовали неповрежденную ткань человеческого мозга, что встречается крайне редко, чтобы прояснить процессы, которые, скорее всего, лежат в основе формирования памяти во время глубокого сна. Согласно их выводам, медленные электрические волны влияют на силу синаптических связей между нейронами в неокортексе – и, таким образом, на их восприимчивость.

Для своего исследования группа исследователей изучала неповрежденные образцы неокортикальной ткани, взятые у 45 пациентов, перенесших нейрохирургическую операцию по лечению эпилепсии или опухоли мозга. Исследователи смоделировали колебания напряжения, типичные для медленных мозговых волн во время глубокого сна в ткани, а затем измерили реакцию нервных клеток. Для этого они использовали стеклянные микропипетки, расположенные с точностью до нанометра. Чтобы «прослушать» коммуникации между несколькими нервными клетками, соединенными через ткань, они использовали до десяти «пипеточных щупов» одновременно — очень большое количество для этого метода, который известен как метод мультипатча.

Группа исследователей обнаружила, что синаптические связи между нейронами в неокортексе максимально усиливаются в очень определенный момент времени во время колебаний напряжения. 

«Синапсы работают наиболее эффективно сразу после того, как напряжение повышается с низкого до высокого. В течение этого короткого временного окна можно считать, что кора находится в состоянии повышенной готовности. Если мозг воспроизводит воспоминание именно в это время, оно особенно эффективно переносится в долговременную память. Таким образом, медленноволновой сон, очевидно, поддерживает формирование памяти, делая неокортекс особенно восприимчивым в течение многих коротких периодов времени», — объясняет соавтор исследования Франц Ксавер Миттермайер из Института нейрофизиологии в Шарите.

Эти знания можно использовать для улучшения памяти, например, при легких когнитивных нарушениях у пожилых людей. Исследовательские группы по всему миру работают над методами использования тонких электрических импульсов — транскраниальной электростимуляции — или акустических сигналов для воздействия на медленные волны во время сна. 

«Однако сейчас эти подходы к стимуляции оптимизируются методом проб и ошибок, что является трудоемким и длительным процессом. Наши выводы об идеальном времени могут помочь в этом. Теперь, впервые, они позволяют целенаправленно разрабатывать методы стимуляции для ускорения формирования памяти», — резюмировал Гейгер.