Связанная с вознаграждением информация получила преимущество реактивации во сне

Паттерны мозговой активности, наблюдаемые во время бодрствования, спонтанно появляются (реактивируются) во время глубокого медленноволнового сна. Преимущество реактивации получают те паттерны, которые во время бодрствования были связаны с вознаграждением. Это выяснили швейцарские ученые, которые проанализировали мозговую активность 13 человек, пока те спали в аппарате фМРТ и под контролем ЭЭГ. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Сон способствует консолидации памяти или, другими словами, переходу информации из кратковременной памяти в долговременную. Происходит это тогда, когда области мозга, активированные во время кодирования информации у человека в бодрствующем состоянии, реактивируются во время последующего сна, а точнее, во время стадии глубокого медленного сна. Более того, известно, что у человека реактивация связана с появлением комплексов сонных веретен (сигма-ритм) и характерных для стадии глубокого медленного сна дельта-волн (1-4 герц). В этот момент и в этих условиях мозг как будто повторяет усвоенное за день. Но пока непонятно, как мозг отбирает те воспоминания, которые будут повторно обрабатываться во время сна.

Вирджини Стерпенич (Virginie Sterpenich) из Женевского университета и ее коллеги предположили, что с эволюционной точки зрения люди должны сохранять информацию, которая способствует выживанию, то есть такую, которая связана с вознаграждением и наказанием. И скорее именно у нее будет преимущество реактивации. Эту гипотезу косвенно поддерживают наблюдения о том, что память на полезную информацию выигрывает от сна. А чтобы проверить свое предположение экспериментально, ученые провели исследование с участием 12 женщин и 6 мужчин молодого возраста (средний возраст — 22,1 ± 2,4 года).

Ранним вечером ученые поместили добровольцев в МРТ и предложили им сыграть в две игры — трехмерный лабиринт, из которого нужно найти выход, и игру с распознаванием лиц, в которой участники должны были найти лицо по описанию. Исследователи выбрали эти две игры, так как известно, что они активируют легко отличимые друг от друга и хорошо охарактеризованные области мозга, специализирующиеся на обработке информации о лицах (участок веретенообразной извилины и область боковой затылочной доли) и пространственной навигации (регион парагиппокампальной извилины). Игры подавались в 60 блоках в псевдослучайном порядке с перерывами по 90 секунд. Как только человек находил решение для одной задачи, оставшиеся повторы другой игры были сфальсифицированы так, чтобы сделать ее неразрешимой. Таким образом, каждый участник либо выиграл игру в лица (8 участников), либо прошел лабиринт (10 участников).

По завершению игр участники оставались спать в сканере, а исследователи записывали их непрерывные данные ЭЭГ-фМРТ. После участники ушли высыпаться домой, и вернулись два дня спустя, чтобы пройти тест на память. Но для дальнейшей работы использовались данные только тех 13 участников (6 выиграли в лицах, 7 — прошли лабиринт), которые достигли стадии глубокого медленного сна.

Сначала классификатор был обучен отличать нейронные паттерны, которые соответствовали наличию (успешно сыгранная игра) и отсутствию (проигрыш) вознаграждения, активности во время перерыва на основе данных фМРТ во время бодрствования, а затем он был применен к данным сна.

Оказалось, что оба связанных с игрой паттерна нейронной активности реактивировались редко и приблизительно с равной вероятностью во всех состояниях от бодрствования до стадии глубокого медленного сна, не включая ее. Напротив, во время стадии глубокого медленного сна (p  = 0,007) и при высокой дельта-активности (p  = 0,03) паттерн нейронной активности, соответствующий успешной игре или игре с вознаграждением, преобладал по сравнению с паттерном нейронной активности без вознаграждения. Например, если участник успешно прошел лабиринт и по условиям эксперимента неизбежно проиграл в распознавание лиц, то во время стадии глубокого медленного сна у этого человека чаще реактивировалась регионы пространственной навигации, чем регионы, связанные с распознаванием лиц. И также реактивация регионов пространственной навигации чаще была связана с высокой дельта-активностью, чем реактивация регионов распознавания лиц. А для выигравших в распознавании лиц — наоборот.

Кроме того, возникновение паттерна активности, соответствующего игре с вознаграждением, во время сеанса сна чаще, чем другие паттерны, сочеталось с активацией гиппокампа (p  ≤ 0,002) и вентральной области покрышки (p  ≤ 0,02). Как известно, гиппокамп — это область, которая играет значимую роль в краткосрочной памяти и участвует в процессах консолидации памяти, а вентральная область покрышки — в системе вознаграждения, мотивации и познании.

Вероятность обнаружения реактивации отдельно по каждой игре также положительно коррелировала с продуктивностью памяти (лица: р = 0,04, лабиринт: р = 0,02). Другими словами, чем чаще паттерн нейронной активности встречался во сне, тем лучше была память на события игры, с которой связан этот паттерн.

Таким образом, авторы экспериментально подтвердили свое предположение о том, что преимущественно запоминаться, а значит и реактивироваться во сне, должна та информация, которая связана с вознаграждением. Напомним, что это предположение авторы сделали, исходя из возможной эволюционной значимости такого превосходства. 

Но сегодня вопрос выживания так остро не стоит, тем не менее сон по-прежнему важен, а при правильных обстоятельствах по-прежнему помогает запомнить самое важное. Так прослушивание во время обучения и во время последующего сна одной и той же классической музыки помогло студентам ненадолго улучшить запоминание информации услышанной лекции и сдать тесты по ней.

Екатерина Рощина