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Que papel os estágios do sono desempenham na formação de memórias? “Sabemos há muito tempo que o aprendizado útil acontece durante o sono”, diz a neurocientista Anna Schapiro, da Universidade da Pensilvânia. “Você codifica novas experiências enquanto está acordado, vai dormir e, quando acorda, sua memória de alguma forma foi transformada.”
No entanto, exatamente como as novas experiências são processadas durante o sono permanece um mistério. Usando um modelo computacional de rede neural que eles construíram, Schapiro, Penn Ph.D. O estudante Dhairyya Singh e Kenneth Norman, da Universidade de Princeton, agora têm uma nova visão do processo.
Em pesquisa publicada no Anais da Academia Nacional de Ciênciaseles mostram que, à medida que o cérebro passa pelo sono de ondas lentas e de movimento rápido dos olhos (REM), que acontece cerca de cinco vezes por noite, o hipocampo ensina ao neocórtex o que aprendeu, transformando informações novas e fugazes em memória duradoura.
“Este não é apenas um modelo de aprendizado em circuitos locais no cérebro. É como uma região do cérebro pode ensinar outra região do cérebro durante o sono, um momento em que não há orientação do mundo externo”, diz Schapiro, professor assistente da Penn’s. Departamento de Psicologia. “É também uma proposta de como aprendemos graciosamente ao longo do tempo à medida que nosso ambiente muda”.
Em termos gerais, Schapiro estuda a aprendizagem e a memória em humanos, especificamente como as pessoas adquirem e consolidam novas informações. Há muito tempo ela pensa que o sono desempenha um papel aqui, algo que ela e sua equipe estão testando em laboratório, registrando o que acontece no cérebro enquanto os participantes dormem.
Sua equipe também constrói modelos de redes neurais para simular funções de aprendizado e memória. Para este trabalho especificamente, Schapiro e colegas construíram um modelo de rede neural composto por um hipocampo, o centro do cérebro para novas memórias, encarregado de aprender as informações episódicas do dia-a-dia do mundo, e o neocórtex, responsável por facetas como a linguagem, nível de cognição e armazenamento de memória mais permanente. Durante o sono simulado, os pesquisadores podem observar e registrar quais neurônios simulados disparam quando estão nessas duas áreas e, em seguida, analisar esses padrões de atividade.
A equipe executou várias simulações de sono usando um algoritmo de aprendizado inspirado no cérebro que eles construíram. As simulações revelaram que durante o sono de ondas lentas, o cérebro revisita principalmente recente incidentes e dados, guiados pelo hipocampo, e durante o sono REM, ele repete principalmente o que aconteceu anteriormenteguiado pelo armazenamento de memória nas regiões neocorticais.
“À medida que as duas regiões do cérebro se conectam durante o sono não REM, é quando o hipocampo está realmente ensinando o neocórtex”, diz Singh, estudante de doutorado do segundo ano no laboratório de Schapiro. “Então, durante a fase REM, o neocórtex se reativa e pode reproduzir o que já sabe”, solidificando a retenção dos dados na memória de longo prazo.
A alternância entre os dois estágios do sono também importa, diz ele. “Quando o neocórtex não tem a chance de reproduzir suas próprias informações, vemos que as informações são substituídas. Achamos que você precisa alternar o sono REM e não-REM para que ocorra uma forte formação de memória.”
Os resultados são consistentes com o que é conhecido na área, embora aspectos do modelo ainda sejam teóricos. “Ainda precisamos testar isso”, diz Schapiro. “Um dos nossos próximos passos será realizar experimentos para entender se o sono REM está realmente trazendo à tona memórias antigas e quais implicações isso pode ter para integrar novas informações ao seu conhecimento existente”.
Como as simulações atuais foram baseadas em um adulto típico tendo uma noite de sono saudável, elas não necessariamente se transferem para outros tipos de adultos ou hábitos de sono menos que estelares. Eles também não oferecem informações sobre o que está acontecendo com as crianças, que precisam de diferentes quantidades e tipos de sono do que os adultos. Schapiro diz que vê um grande potencial para seu modelo responder a algumas dessas questões pendentes. “Ter uma ferramenta como essa permite que você vá em muitas direções, especialmente porque a arquitetura do sono muda ao longo da vida e em vários distúrbios, e podemos simular essas mudanças no modelo”, diz ela.
A longo prazo, uma melhor compreensão do papel dos estágios do sono na memória pode ajudar a informar tratamentos para distúrbios psiquiátricos e neurológicos para os quais os déficits de sono são um sintoma. Singh diz que também pode haver implicações para aprendizado profundo e inteligência artificial. “Nosso algoritmo de inspiração biológica pode fornecer novas direções para um processamento de memória offline mais poderoso em sistemas de IA”, diz ele. Este trabalho de prova de conceito conectando o sono e a formação da memória move o campo um passo mais perto desses objetivos.
O financiamento para esta pesquisa veio dos Institutos Nacionais de Saúde (Grant R01 MH069456) e Fundação Charles E. Kaufman (Grant KA2020-114800).
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