Somnul este esential pentru adaptarea in noi locuri de vacanta
Somnul ajuta soarecii sa dezvolte harti mentale coerente ale locurilor, conectand neuroni slab spatiali cu celulele de loc pentru o navigare imbunatatita.
In prima zi a vacantelor tale intr-un oras nou, excursiile tale te duc la mai multe locatii unice. In timp ce amintirile acestor locuri (cum ar fi un frumos gradina intr-o straduta linistita) sunt instantaneu memorabile, poate dura zile inainte sa ai destula intuitie despre oras pentru a trimite un vizitator nou la o locatie similara, apoi, poate, la cafeneaua pe care ai descoperit-o in apropiere. Un nou studiu asupra soarecilor realizat de neurostiintele de la MIT la Institutul Picower pentru Invatare si Memorie ofera dovezi proaspete pentru modul in care creierul creeaza harti cognitive coerente ale unor zone intregi, subliniind rolul important al somnului in proces.
De decenii, oamenii de stiinta stiu ca creierul foloseste neuroni intr-o regiune cunoscuta sub numele de hipocamp pentru a-si aminti locuri specifice. Cand un animal se afla in zona pe care un neuron este programat sa o aminteasca, asa-numitele “celule de loc” se activeaza in mod constant. Mai valoros decat a avea marcatori pentru zone individuale este a avea o imagine mentala despre cum toate se potriveste impreuna intr-o geografie globala continua. Desi aceste “harti cognitive” au fost initial postulate in 1948, neurostiintele sunt inca necunoscatoare despre cum creierul le creeaza. Conform unui nou studiu publicat in Cell Reports in decembrie, capacitatea poate depinde de schimbari subtile, dar semnificative, in activitatea celulelor care sunt slab adaptate la locatiile individuale, dar imbunatatesc robustetea si rafinamentul codarii hipocampului intregului spatiu in timp. Studiile studiului arata ca in timpul somnului, aceste celule “slab spatiale” imbunatatesc activitatea retelei neuronale din hipocamp, conectand diverse locatii intr-o harta cognitiva.
“În ziua 1, creierul nu reprezinta prea bine spatiul”, explica autorul principal Wei Guo, un cercetator in laboratorul autorului principal Matthew Wilson, profesorul Sherman Fairchild al Institutului Picower si departamentele de Biologie si Stiinte ale Creierului si Cognitiei de la MIT. “Neuronii reprezinta locuri individuale, dar nu creeaza o harta. Dar in ziua 5, ei creeaza o harta. Pentru a crea o harta, toti acesti neuroni trebuie sa functioneze impreuna intr-un ansamblu coordonat.
Soarecii mapeaza labirinturile.
Pentru a realiza studiul, Guo si Wilson, impreuna cu colegii lor de laborator Jie “Jack” Zhang si Jonathan Newman, i-au expus pe soareci la labirinturi de baza cu diferite designuri si le-au permis sa le exploreze liber timp de aproximativ 30 de minute in fiecare zi timp de mai multe zile. Este important de mentionat ca nu s-au oferit recompense speciale soarecilor pentru a-i incuraja sa invete ceva. Ei doar s-au plimbat. Cercetari anterioare au demonstrat ca soarecii au aratat natural “invatarea latenta” a zonelor dupa mai multe zile de astfel de experiente neimbogatitoare.
Pentru a intelege mai bine cum apare invatarea latenta, Guo si colegii sai au urmarit vizual sute de neuroni din sectiunea CA1 a hipocampului programand celulele pentru a licari cand se acumulau ioni de calciu, facandu-le active electric. Au inregistrat licaririle neuronilor atat in timp ce soarecii investigau activ, cat si atunci cand dormeau. Laboratorul lui Wilson a descoperit ca animalele isi “reprezinta” aventurile anterioare in timpul somnului, imbunatatind astfel amintirile lor prin visarea despre experientele lor.
Analiza inregistrarilor a relevat ca activitatea celulelor de loc a inceput imediat si a ramas viguroasa si constanta pe tot parcursul mai multor zile de investigatie. Cu toate acestea, aceasta activitate singura nu poate explica cum invatarea latenta sau o harta cognitiva creste pe parcursul a mai multor zile. Spre deosebire de multe alte cercetari, care se concentreaza in principal pe activitatea puternica si evidenta a celulelor de loc, studiul lui Guo a inclus activitatea mai subtila si enigmatica a celulelor care nu erau la fel de ferm orientate spatial.
Folosind o abordare noua cunoscuta sub numele de “invatarea manifold”, a descoperit ca multe din celulele “slab spatiale” conexate progresiv activitatea lor cu modelele de activitate ale altor neuroni din retea, in loc de locatii. Descoperirile lui Guo au aratat ca reteaua a inregistrat o harta cognitiva a labirintului care a devenit mai asemanatoare cu zona fizica reala.
“Desi nu raspund la locatii specifice ca celulele trainic spatiale, celulele slab spatiale se specializeaza in a raspunde la ‘locatii mentale’, adica modele specifice de aprindere a ansamblului de celule,” au spus autorii studiului. “Daca un camp mental al unei celule slab spatiale cuprinde doua subseturi de celule tare spatiale care codifica locuri distincte, aceasta celula slab spatial poate servi ca un pod intre aceste locatii.”
Urerea pentru somn
Grupul lui Wilson si multi altii au descoperit ca activitatea creierului in timpul somnului si al odihnei, cum ar fi reluarea, consolideaza, rafineaza si proceseaza amintirile. Guo si echipa lui Wilson si-au propus sa stabileasca daca somnul este necesar pentru ca celulele slabe spatiale sa contribuie la invatarea latenta a hartilor cognitive.
Pentru a face acest lucru, oamenii de stiinta le-au permis unor soareci sa exploreze un labirint nou de doua ori in aceeasi zi, cu o pauza de trei ore intre ele. Unii dintre soareci au fost lasati sa doarma, in timp ce altii nu. Cei care au dormit au prezentat o rafinare considerabila a hartii mintale, dar cei care nu li s-a permis sa doarma au aratat putina imbunatatire. Nu numai ca codarea retelei hartii a fost imbunatatita, ci masuratorile ajustarii celulare individuale au dezvaluit ca somnul a ajutat celulele sa se adapteze mai mult atat locatiilor, cat si modelelor de activitate din retea, adesea cunoscute sub numele de “locuri mentale”.
Insemnatatea hartii mentale
Conform lui Guo, “hartile cognitive” stocate de soareci pe parcursul mai multor zile nu au fost planuri literale, precise ale labirinturilor. In schimb, ele aratau mai mult ca niste scheme. Important este faptul ca ele ofera creierului cu o topologie care poate fi examinata cognitiv in loc de spatiu real. De exemplu, o data ce ai creat o harta mentala a cartierului din jurul hotelului tau, poti planifica excursia de dimineata urmatoare.
Intr-adevar, Wilson a teoretizat ca activitatea celulelor slab spatiale poate suprapune informatii non-spatiale semnificative, adaugand inteles hartiilor. Cu toate acestea, studiul nu a inclus nici un reper in labirinturi si nu a examinat comportamentele unice ale soarecilor. Cu toate acestea, deoarece studiul a descoperit ca aceste celule slab spatiale joaca un rol important in cartografiere, Wilson spune ca cercetarile viitoare ar putea analiza ce tip de informatii sunt absorbite in intelegerea animalelor despre mediul lor. Se pare ca perceptia noastra naturala a locurilor in care locuim este mai mult decat o colectie de locatii distincte.
“In acest studiu ne-am concentrat pe animalele care se comporta natural si am demonstrat ca in timpul comportamentului explorator liber si in somnul ulterior, in absenta recompensarii, apar chiar si schimbari semnificative de plasticitate neuronal la nivelul ansamblului,” au spus autorii lucrarii. “Aceasta forma de invatare implicit si nesupravegheata constituie un aspect crucial al invatarii si inteligentei umane, care merita investigatii mai aprofundate.”
