Sen wolnofalowy odgrywa kluczową rolę we wzmacnianiu pamięci poprzez wzmacnianie połączeń synaptycznych w mózgu, a nowe odkrycia sugerują potencjalne metody wzmacniania pamięci poprzez ukierunkowaną stymulację.
Od prawie dwudziestu lat naukowcy wiedzą, że powolne, zsynchronizowane fale elektryczne w mózgu podczas głębokiego snu odgrywają kluczową rolę w tworzeniu wspomnień. Jednak podstawowy powód pozostawał niejasny – aż do teraz. W nowym badaniu opublikowanym w Komunikacja przyrodniczawyjaśnienia proponują badacze z Charité – Universitätsmedizin Berlin. Odkryli, że te powolne fale sprawiają, że kora nowa, ośrodek pamięci długotrwałej w mózgu, jest szczególnie podatny na nowe informacje. To odkrycie może w przyszłości utorować drogę skuteczniejszym terapiom poprawiającym pamięć.
Jak powstają wspomnienia podczas snu
Jak powstają trwałe wspomnienia? Naukowcy uważają, że podczas snu mózg odtwarza wydarzenia z dnia, przenosząc informacje z hipokampa, w którym przechowywane są wspomnienia krótkotrwałe, do kory nowej, w której rezydują wspomnienia długotrwałe. Kluczowym czynnikiem w tym procesie są „powolne fale” — zsynchronizowane oscylacje elektryczne w korze mózgowej, które występują podczas głębokiego snu. Fale te, które można zmierzyć za pomocą elektroencefalogramu (EEG), powstają, gdy aktywność elektryczna w dużych grupach neuronów wzrasta i opada mniej więcej raz na sekundę.
„Od wielu lat wiemy, że te wahania napięcia przyczyniają się do powstawania pamięci” – wyjaśnia prof. Jörg Geiger, dyrektor Instytutu Neurofizjologii w Charité i kierownik nowo opublikowanego badania. „Kiedy sen wolnofalowy jest sztucznie wzmacniany z zewnątrz, pamięć poprawia się. Ale do tej pory nie wiedzieliśmy, co dokładnie dzieje się w mózgu, kiedy to następuje, ponieważ niezwykle trudno jest badać przepływ informacji w ludzkim mózgu”.
Powolne falelub powolne oscylacje to rodzaj fali elektrycznej powstającej w mózgu podczas głębokiego snu. Fale „Delta” obejmują pewien zakres częstotliwości, który pojawia się w EEG. Są to powolne fale mózgowe, które mogą pojawiać się również poza snem, jako część choroby lub zaburzenia. Ten szerszy termin jest czasami używany jako synonim terminu „powolne fale”.
Powolne fale wzmacniają synapsy
On i jego zespół wykorzystali obecnie nienaruszoną tkankę ludzkiego mózgu, co jest niezwykle rzadkie, do wyjaśnienia procesów, które najprawdopodobniej leżą u podstaw powstawania pamięci podczas głębokiego snu. Według ich ustaleń powolne fale elektryczne wpływają na siłę połączeń synaptycznych między neuronami w korze nowej, a tym samym na ich receptywność.
Na potrzeby badań zespół naukowców zbadał próbki nienaruszonej tkanki kory nowej pobrane od 45 pacjentów, którzy przeszli neurochirurgię w celu leczenia padaczki lub guza mózgu w Charité, szpitalu Evangelisches Klinikum Bethel (EvKB) lub Uniwersyteckim Centrum Medycznym Hamburg-Eppendorf (UKE). ). Naukowcy symulowali wahania napięcia w tkance typowe dla wolnych fal mózgowych podczas głębokiego snu, a następnie mierzyli reakcję komórek nerwowych. Aby to osiągnąć, zastosowali szklane mikropipety ustawione precyzyjnie co do nanometra. Aby „podsłuchiwać” komunikację między wieloma komórkami nerwowymi połączonymi przez tkankę, wykorzystano jednocześnie do dziesięciu „czujników pipetowych” – co stanowiło wyjątkowo dużą liczbę w przypadku tej metody, znanej jako technika wielopunktowa.
Idealne wyczucie czasu przyczynia się do tworzenia pamięci
Zespół naukowców odkrył, że połączenia synaptyczne między neuronami w korze nowej są maksymalnie wzmocnione w bardzo określonym momencie wahań napięcia.
„Synapsy działają najskuteczniej natychmiast po wzroście napięcia z niskiego do wysokiego” – wyjaśnia Franz Xaver Mittermaier, badacz z Instytutu Neurofizjologii w Charité i pierwszy autor badania. „W tym krótkim oknie czasowym można uważać, że kora została umieszczona w stanie podwyższonej gotowości. Jeśli mózg odtwarza wspomnienie dokładnie w tym momencie, jest ono szczególnie skutecznie przekazywane do pamięci długotrwałej. Zatem sen wolnofalowy najwyraźniej wspomaga tworzenie pamięci, czyniąc korę nową szczególnie podatną na wiele krótkich okresów czasu”.
Potencjał poprawy pamięci
Wiedzę tę można wykorzystać do poprawy pamięci, na przykład w przypadku łagodnych zaburzeń poznawczych u osób starszych. Grupy badawcze na całym świecie pracują nad metodami wykorzystania subtelnych impulsów elektrycznych – elektrostymulacji przezczaszkowej – lub sygnałów akustycznych do wpływania na powolne fale podczas snu.
„Jednak obecnie metody stymulacji są optymalizowane metodą prób i błędów, co jest procesem pracochłonnym i czasochłonnym” – mówi Geiger. „Nasze odkrycia dotyczące idealnego wyczucia czasu mogą w tym pomóc. Teraz po raz pierwszy pozwalają na ukierunkowany rozwój metod stymulacji w celu pobudzenia tworzenia pamięci”.
Odniesienie: „Stany potencjału błonowego bramują konsolidację synaptyczną w ludzkiej tkance kory nowej” autorstwa Franza X. Mittermaiera, Thilo Kalbhenna, Ran Xu, Julii Onken, Kathariny Faust, Thomasa Sauvigny, Ulricha W. Thomale, Angeli M. Kaindl, Martina Holtkamp, Sabine Grosser , Paweł Fidziński, Matthias Simon, Henrik Alle i Jörg RP Geiger, 12 grudnia 2024, Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53901-2
*Mittermaier FX i in. Stany potencjału błonowego bramują konsolidację synaptyczną w ludzkiej tkance kory nowej. Nat Commun 2024, 12 grudnia. doi: 10.1038/s41467-024-53901-2
O badaniu
Podczas operacji padaczki lekoopornej lub guzów mózgu czasami ze względów medycznych konieczne jest usunięcie małych fragmentów kory nowej. Te wycięte próbki tkanek mogą zachować żywotność poza organizmem do dwóch dni, jeśli zostaną zakonserwowane w sztucznym roztworze odżywczym. W przypadku tego badania wymagana była wyraźna zgoda pacjenta na zbadanie tych cennych próbek, a zespół badawczy wyraził głęboką wdzięczność pacjentom, którzy wzięli w nim udział.
Badanie było wspólnym wysiłkiem łączącym badania podstawowe i wiedzę kliniczną. Uczestniczyły w nim Charité – Universitätsmedizin Berlin, Uniwersytecka Klinika Neurochirurgii w Evangelisches Klinikum Bethel (EvKB) w Bielefeld oraz Klinika Neurochirurgii Uniwersyteckiego Centrum Medycznego Hamburg-Eppendorf (UKE). Charité, kierowana przez Instytut Neurofizjologii, współpracowała z Katedrą Neurochirurgii, Katedrą Neurologii z Neurologią Eksperymentalną, Instytutem Neuroanatomii Integracyjnej, Centrum Badań nad Neuronauką, Klastrem Doskonałości NeuroCure, Oddziałem Neurochirurgii Dziecięcej i Katedrą Neurologia dziecięca.
