Моторное обучение во сне

1 июля 2022

Одни из главных функций сна – переработка и закрепление информации, полученной в течение дня. У лабораторных животных замечено и хорошо изучено явление повторного «проигрывания» (replay) нейронной активности – когда нейроны определенной области, задействованной в обучении определенной задаче днем, точно в таком же порядке активируются в фазе медленного сна. Новое исследование, проведенное врачами Массачусетской больницы общего профиля в сотрудничестве с коллегами из Университета Брауна (США) и опубликованное в журнале The Journal of Neuroscience, показало, что проигрывание также характерно для людей, и, более того, оно наблюдается при изучении моторных навыков.

Credit: public domain

Во время сна происходит так называемый процесс консолидации памяти, то есть перевод полученных в течение периода бодрствования знаний и опыта из кратковременной памяти в стабильную долговременную форму. Можно сказать, что так происходит обучение во сне. Также во время сна можно наблюдать интересное явление, известное как повторное «проигрывание» нейронной активности. Оно хорошо изучено на лабораторных крысах, которых обучают находить выход из лабиринта: когда крыса движется по правильному маршруту, в ее мозге последовательно активируется определенный набор нейронов. Затем когда крыса спит, можно снова наблюдать активацию этих нейронов в том же порядке, но уже в ускоренном режиме.

У людей также наблюдается проигрывание, и оно довольно хорошо показано в гиппокампе. Однако относительно мало известно о нем в моторной коре, а ведь знание о том, характерен ли этот процесс для человека во время изучения двигательных навыков, может сильно помочь в разработке новых инструментов и методов лечения людей с неврологическими заболеваниями и травмами.

Для ответа на вопрос о том, появляется ли проигрывание во сне после изучения каких-либо движений, врачи из Центра нейротехнологий и нейрореабилитации Массачусетской больницы общего профиля (США) провели исследование с участием 36-летнего мужчины, который страдал тетраплегией.

Тетраплегией называется форма паралича, вызванная травмой шейного отдела спинного мозга, в результате которой человек теряет способность двигать всеми четырьмя конечностями. Для изучения нейронной активности пациентов с такими травмами и некоего облегчения их жизни в реабилитационной медицине в наше время используются интерфейсы мозг-компьютер (ИМК) инвазивного типа. В частности, активно изучается, насколько эффективно внедрение ИМК в моторную кору в контексте восстановления нормальных моторных функций после травмы.

Беспроводной инвазивный микроэлектродный интерфейс использовался и в рассматриваемом исследовании для того, чтобы оценивать процесс повторного проигрывания новой двигательной задачи во время фазы медленного сна. Материалы для проведения исследования разрабатывались консорциумом BrainGate – компанией, создающей технологии для восстановления нейронных связей и физической подвижности для людей с неврологическими заболеваниями, травмами или потерянными конечностями.

В левую прецентральную извилину головного мозга испытуемого ввели 96-канальные интракортикальные микроэлектродные матрицы. Во время каждого сеанса записи одиночная и множественная активность нейронов этого участка регистрировалась на 30 кГц с каждого из 192 каналов. Испытуемому предлагалось выполнить задание на запоминание, созданное по образцу электронной игрушки «Саймон», направленной на тренировку памяти и скорости реакции.

Мужчина наблюдал за последовательно мигающими огоньками, а затем воспроизводил порядок их предъявления. При помощи интерфейса мозг-компьютер мужчина мог управлять курсором и пользоваться экранной клавиатурой, просто воображая движение правой рукой, а с вживленных в его мозг электродных матриц в это же время по беспроводной связи передавалась информация об активности нейронов моторной коры.

После выполнения 10 блоков таких задач мужчину просили закрыть глаза и предлагали вздремнуть. Далее по окончании эксперимента исследователи записывали нейронную активность во время сна испытуемого в течение ночи.

Исследователи обнаружили, что паттерны (то есть рисунки) возбуждения нейронов во время сна точно совпадали с паттернами, которые наблюдались днем во время выполнения поставленной задачи. Авторы работы отмечают, что эти результаты можно считать прямым свидетельством повторного проигрывания в моторной коре, которое когда-либо наблюдалось у людей во время сна. Большая часть наблюдаемых паттернов приходилась на фазу медленного сна и, что интересно, с гораздо меньшей вероятностью проигрывание можно было обнаружить во время фазы быстрого сна, которая в большей мере ассоциируется со сновидениями.

Авторы исследования рассматривают проделанную ими работу в качестве основы для дальнейшего изучения явления повторного «проигрывания» у людей, а также его роли в обучении. Кроме того, эту информацию можно использовать для создания улучшенных интерфейсов мозг-компьютер и в разработке когнитивных тренажеров на их основе, которые помогут людям быстрее и эффективнее учиться и восстанавливать контроль над своим телом после полученной травмы.