Peste mai mult de un secol de cercetare a confirmat faptul că somnul are beneficii asupra memoriei. În această revizuire, ne propunem să acoperim comprehensiv domeniul cercetării privind „somnul și memoria”, oferind o perspectivă istorică asupra conceptelor și o discuție a descoperirilor cheie mai recente.
În timp ce teoriile inițiale au presupus un rol pasiv pentru somn în îmbunătățirea memoriei prin protejarea acesteia de stimuli perturbatori, teoriile actuale evidențiază un rol activ pentru somn, în care memorii trec printr-un proces de consolidare a sistemului în timpul somnului. În timp ce cercetările mai vechi s-au concentrat asupra rolului somnului cu mișcări rapide ale ochilor (REM), lucrările recente au dezvăluit importanța somnului cu unde lente (SWS) pentru consolidarea memoriei și au luminat unele dintre mecanismele electrofiziologice, neurochimice și genetice subiacente, precum și aspectele de dezvoltare în aceste procese. Mai exact, descoperirile mai noi caracterizează somnul ca fiind o stare a creierului care optimizează consolidarea memoriei, în opoziție cu creierul treaz care este optimizat pentru înregistrarea memoriei. Consolidarea se inițiază prin reactivarea reprezentărilor de memorie neuronale recent codate, care au loc în timpul SWS și transformă respectivele reprezentări pentru integrarea lor în memoria pe termen lung. Somnul REM ulterior poate stabiliza memorii transformate. În timp ce s-a elaborat în ceea ce privește memorii dependente de hipocamp, conceptul de redistribuire activă a reprezentărilor de memorie din rețelele care servesc ca depozite temporare în depozite pe termen lung s-ar putea aplica și memoriei care nu depinde de hipocamp, și chiar memoriei nonneuronale, adică memoriei imunologice, dând naștere ideii că consolidarea offline a memoriei în timpul somnului reprezintă un principiu al formării memoriei pe termen lung stabilit în sisteme fiziologice destul de diferite.
INTRODUCERE
Capacitatea de a memora este crucială pentru adaptarea strategică a unui organism la cerințele mediului în schimbare. Observațiile care indică că somnul are beneficii asupra memoriei datează de la începutul cercetărilor experimentale privind memoria și, de atunci, au fost adaptate la concepte destul de diferite. Această revizuire se concentrează asupra domeniului cercetării privind „somnul și memoria”, care a trăit o renaștere unică în ultimele trei decenii. Cu toate că ne-am propus să acoperim comprehensiv acest domeniu, este posibil să fi trecut cu vederea sau să fi ignorat unele aspecte, datorită progresului semnificativ realizat în ultimii ani. Înainte de a începe, vom introduce pe scurt conceptele de bază ale somnului și memoriei, respectiv.
A. Somnul
Somnul este definit ca o stare naturală și reversibilă de reducere a reactivității la stimuli externi și de relativă inactivitate, însoțită de pierderea conștienței. Somnul apare în intervale regulate și este reglementat homeostatic, adică pierderea sau întârzierea somnului duce la un somn ulterior prelungit (113). Privarea de somn și perturbările de somn cauzează probleme cognitive și emoționale severe, iar animalele privare de somn timp de câteva săptămâni prezintă dereglări de temperatură și greutate și în cele din urmă mor din cauza infecțiilor și leziunilor tisulare (973). Somnul probabil apare la toate vertebratele, inclusiv păsările, peștii și reptilele, iar stările similare cu somnul sunt observate și la nevertebrate precum muștele, albinele și gândacii (209).
Somnul la mamifere constă în două etape de bază ale somnului:
- somnul cu unde lente (SWS) și
- somnul cu mișcări rapide ale ochilor (REM), care se alternează în mod ciclic.
În somnul nocturn uman, SWS predomina în prima parte și scade în intensitate și durată pe parcursul perioadei de somn, în timp ce somnul REM devine mai intens și mai extins spre sfârșitul perioadei de somn. SWS este marcat de oscilații lente de EEG cu amplitudine înaltă (activitatea cu unde lente, SWA), în timp ce somnul REM (numit și somn paradoxal) este caracterizat de activitatea cerebrală oscilatorie rapidă și cu amplitudine redusă, asemănătoare cu cea din starea de veghe. În plus, somnul REM este caracterizat de mișcări rapide ale ochilor faza REM și de atonie musculară. Aproximativ 50% din somnul adulților umani este marcat de o formă ușoară de somn non-REM (stadiul „N2”), care se caracterizează prin apariția distinctă a fuselor de somn (oscilații în creștere și scădere) și a complexelor K în EEG, dar cu o activitate SWA minoră. Stadiul de somn N2 nu este discriminat de SWS la rozătoare.
Profilul tipic al somnului uman și semnalele legate de somn
A somnul este caracterizat de apariția ciclică a somnului cu mișcări rapide ale ochilor (REM) și a somnului non-REM.
Somnul non-REM include somnul cu unde lente (SWS) corespunzător lui N3 și stadiile mai ușoare ale somnului N1 și N2 (591). Conform unui sistem de clasificare anterior propus de Rechtschaffen și Kales (974), SWS a fost împărțit în stadiile 3 și 4 ale somnului.
Prima parte a nopții (somnul timpuriu) este dominată de SWS, în timp ce somnul REM prevalează în cea de-a doua jumătate (somnul târziu).
B. Cele mai proeminente oscilații ale potențialului electric de câmp în timpul SWS sunt oscilațiile lente neocorticale (∼0,8 Hz), fuziunile talamocorticale (activitatea de creștere și descreștere între 10-15 Hz) și undele ascuțite-ripe în hipocamp (SW-R), adică unde rapide de depolarizare care sunt generate în CA3 și sunt suprapuse de oscilații rapide de înaltă frecvență (100-300 Hz).
Somnul REM, la animale, este caracterizat de unde ponto-geniculo-occipitale (PGO), care sunt asociate cu explozii intense de activitate sincronizată care se propagă de la trunchiul cerebral pontin, în principal către nucleul geniculat lateral și cortexul vizual, și de activitatea teta hipocampală (4-8 Hz).
La oameni, activitatea PGO și activitatea teta sunt mai puțin ușor identificabile.
C. Somnul este însoțit de o schimbare dramatică în nivelurile de activitate ale diferitelor neurotransmițători și neuromodulatori. Comparativ cu starea de veghe, activitatea colinergică atinge un minim în timpul SWS, în timp ce nivelurile în timpul somnului REM sunt similare sau chiar mai mari decât cele în timpul stării de veghe. Un model similar este observat pentru hormonul de stres cortizol. Activitatea aminergică este ridicată în timpul stării de veghe, intermediară în timpul SWS și minimă în timpul somnului REM. [Modificat după Diekelmann și Born (293).]
Este somnul esențial?
Din perspectiva evoluționistă, reducerea reactivității la stimuli potențial amenințători în timpul somnului reprezintă un pericol semnificativ pentru supraviețuire. Faptul că aproape toate animalele dorm susține în mod puternic un rol adaptativ al somnului în creșterea aptitudinii generale a unui organism, cu toate că funcțiile sale exacte sunt încă subiect de dezbatere (407, 1077).
Somnul a fost propus ca având o funcție de economisire a energiei (82, 1311), de restaurare a resurselor de energie și de reparare a țesuturilor celulare (875), de reglare a temperaturii (973), de reglare metabolică (651, 1229) și de funcții adaptive ale sistemului imunitar (695). Cu toate acestea, aceste funcții ar putea fi, de asemenea, realizate într-o stare de veghe liniștită și nu ar explica pierderea conștiinței și a reactivității la amenințările externe în timpul somnului. Aceste caracteristici proeminente ale somnului susțin puternic ideea că somnul este în principal „pentru creier” (553, 625). Aici au fost propuse diferite funcții, variind de la detoxifierea creierului de radicalii liberi (594, 978), înlocuirea glicogenului (1041) până la implicarea somnului în memoria și plasticitatea sinaptică (293, 1204). În această revizuire discutăm această ultimă funcție, adică rolul crucial pe care somnul îl joacă în formarea memoriei.
B. Memoria
Procesele de memorie
Formarea și recuperarea memoriei sunt abilități fundamentale ale oricărui organism viu, permițându-i să-și adapteze comportamentul la cerințele unui mediu în continuă schimbare și permitându-i să selecteze și să îmbunătățească în mod corespunzător comportamentele dintr-un repertoriu dat.
Funcțiile memoriei cuprind trei subprocese majore: codificarea, consolidarea și recuperarea.
În timpul codificării, percepția unui stimul duce la formarea unei noi urme de memorie, care este inițial foarte susceptibilă la influențe perturbatoare și la descompunere, adică la uitare. În timpul consolidării, urma de memorie labilă este stabilizată treptat, posibil implicând multiple valuri de procese de consolidare pe termen scurt și lung (803), care servesc la întărirea și integrarea memoriei în rețelele de cunoștințe preexistente. În timpul recuperării, memoria stocată este accesată și rechemată. Această revizuire discută rolul critic al somnului în consolidarea memoriei. Presupunem că, în timp ce creierul treaz este optimizat pentru procesarea acută a stimulilor externi care implică înregistrarea de informații noi și rechemarea memoriei, creierul în somn oferă condiții optime pentru procesele de consolidare care integrează memoria codată recent într-un depozit pe termen lung.
Codificarea și consolidarea pot fi procese reciproc exclusive, în măsura în care se bazează pe resurse neuronale suprapuse. Astfel, somnul, ca stare de procesare a informațiilor externe reduse, reprezintă o fereastră de timp optimă pentru consolidarea memoriei. Așa-numitul cont de consolidare a procesării memoriei a fost propus pentru prima dată de Müller și Pilzecker (840), care, pe baza studiilor privind interferența retroactivă între liste de învățare a silabelor, au concluzionat: „După toate acestea, nu există alternativă decât să presupunem că, după ce s-a citit o listă de silabe, anumite procese fiziologice care servesc la întărirea asociațiilor induse în timpul citirii acelei liste continuă cu o intensitate în scădere pentru o perioadă de timp” (p. 196 în Ref. 840, citat în funcție de Ref. 709). Hipoteza consolidării este acum larg acceptată pe baza numeroaselor studii care arată că manipulările psihologice, farmacologice și electrofiziologice, cum ar fi învățarea prin interferență, administrarea de norepinefrină și inhibitori de sinteză a proteinelor sau șocuri electroconvulsive, pot afecta sau îmbunătăți eficient memoria, când sunt administrate după codificare (de exemplu, Refs. 803, 1332). Este important de menționat că aceste manipulări sunt dependente de timp și au cele mai puternice efecte atunci când sunt aplicate imediat după învățare (pentru revizuiri, consultați Refs. 194, 805). Consolidarea implică posibil multiple valuri de procese de stabilizare, care au diferite cursuri temporale și depind de diferite procese subiacente de plasticitate neuronală. Dovezi recente sugerează că urmele de memorie nu sunt consolidate o singură dată, ci, odată reactivate printr-un semnal de amintire sau o recuperare activă, trec printr-o perioadă de reconsolidare pentru a persista pe termen lung (844).
La nivel neuronal, se crede că formarea memoriei se bazează pe modificarea forței conexiunilor sinaptice din rețeaua care reprezintă memoria. Codificarea induce potențierea sinaptică pe termen lung (LTP) sau depresia sinaptică pe termen lung (LTD) ca forme majore de plasticitate sinaptică indusă de învățare (222, 527, 616, 629, 1209). Activitatea care reverberază în reprezentarea neuronală după codificare se crede că promovează două tipuri de procese de consolidare, numite „consolidarea sinaptică” și „consolidarea sistemelor” (330).
Consolidarea sinaptică duce la remodelarea sinapselor și a spinilor neuronilor care contribuie la reprezentarea memoriei, producând în cele din urmă schimbări durabile în eficacitatea sinapselor participante (de exemplu, Refs. 555, 616, 977). Consolidarea sistemelor se bazează pe consolidarea sinaptică și se referă la procese în care activitatea care reverberă în reprezentările nou codificate stimulează o redistribuție a reprezentărilor neuronale către alte circuite neuronale pentru stocarea pe termen lung (418).
Sistemele de memorie
În neuropsihologie, sistemele de memorie declarativă și nondeclarativă sunt distinse în funcție de implicarea critică a regiunilor lobului temporal medial, în special a hipocampului, în dobândirea memoriei (1134).
Memoria declarativă cuprinde:
1) memorii episodice pentru evenimente care sunt încorporate într-un context spațial-temporal (inclusiv memorii autobiografice) și
2) memorii semantice pentru fapte care sunt stocate independent de cunoștințe contextuale (1218).
Memorii declarative pot fi codificate intenționat sau neintenționat, dar sunt în mod tipic accesibile în mod explicit (adică cu conștientizare) prin încercări active de rechemare. Memorii episodice se învață foarte rapid, adică într-o singură încercare, dar sunt, de asemenea, supuse uitării rapide (1332).
Memoriile semantice pot fi considerate ca rezultat al codificării sau activării repetate a memoriei episodice care se suprapun (1327). Integritatea circuitului hipocampal este o condiție prealabilă pentru reținerea unui episod, precum și pentru informații despre contextul spațial și temporal în memorie pentru mai mult de 15 minute (231, 418). Spre deosebire de memorii declarative, memorii nondeclarative pot fi dobândite fără implicarea structurilor lobului temporal medial (1134).
Memoria nondeclarativă cuprinde diferite sisteme de memorie care se bazează pe diferite părți ale creierului. Aceasta include memorii procedurale pentru abilități motorii (zonele motorii, striat, cerebel), abilități perceptive (cortexuri senzoriale), anumite forme de condiționare și învățare implicită (impregnare), etc.
Memoriile nondeclarative pot fi dobândite și recuperate implicit (adică fără conștientizare), iar învățarea este lentă, necesitând de obicei multiple încercări de antrenament. Este de menționat că separarea experimentală a procesării memoriei nondeclarative de cea declarativă este adesea complicată de faptul că aceste sisteme de memorie interacționează în timpul dobândirii de cunoștințe noi în creierul sănătos. Astfel, dobândirea de abilități precum învățarea limbajului și apăsarea secvențială a degetelor, în special în stadiile inițiale, implică componente declarative în plus față de cele procedurale (910).
Sistemul standard de memorie în două etape
De ce trebuie ca consolidarea memoriei să aibă loc în timpul somnului? Ipotezele că somnul servește la consolidarea memoriei sunt conceptual înrădăcinate în sistemul standard de memorie în două etape, care este în prezent cel mai influent model de memorie umană și a fost dezvoltat ca o soluție la mai multe probleme cheie care apar din modelele simple de rețea asociativă a memoriei (175, 780, 800). Cea mai importantă dintre aceste probleme este că, deși rețelele de asociere simple sunt de fapt capabile să stocheze informații foarte rapid, așa cum este cazul în sistemul de memorie declarativă, preluarea de noi informații contradictorii are o tendință puternică de a șterge amintirile mai vechi, inducând astfel ceea ce se numește „interferență catastrofală” (1005). Întrebarea critică este cum rețeaua neuronală poate învăța noi modele fără a uita în același timp amintirile mai vechi, o problemă care a fost numită și „dilema stabilitate-plasticitate” (de exemplu, consultați Ref. 3). În plus, s-a demonstrat că rețelele recurente neestructurate se confruntă cu constrângerile esențiale de capacitate (723). Mecanismul de formare a memoriei în două etape propus pentru prima dată de Marr (780) oferă o soluție la aceste probleme.
Se presupune că amintirile sunt inițial codificate într-o memorie rapidă de învățare (adică hipocampul în sistemul de memorie declarativă) și apoi transferate treptat într-o memorie de stocare pe termen lung cu învățare lentă (adică neocortexul). Memoria rapidă de învățare asigură codificarea rapidă și eficientă a amintirilor, chiar și într-o singură încercare (învățare într-o singură încercare).
Cu toate acestea, aceste reprezentări sunt instabile și vulnerabile la interferența (retroactivă) a informațiilor nou codificate. În timp, informația este integrată treptat în memoria pe termen lung cu învățare lentă, fără a șterge amintirile mai vechi, mai îndepărtate. Se presupune că prin reactivarea repetată a noilor amintiri în perioadele offline, cum ar fi somnul, memoria pe termen lung cu învățare lentă este antrenată și noile amintiri sunt consolidate treptat și adaptate la amintirile mai vechi existente. Transformarea reprezentărilor de memorie noi în acest proces de consolidare a sistemului include și extragerea invariabililor și dezvoltarea prototipurilor și schemelor, deoarece nucleul informației nou învățate este reactivat mai frecvent decât detaliile divergente (734, 800, 1239).
Pentru sistemul de memorie declarativă, modelul în două etape a primit sprijin puternic din studiile de leziuni, indicând că leziunile hipocampului abolisesc capacitatea de a dobândi noi amintiri declarative și în același timp produc o amnezie retrogradă cu declin temporar al amintirilor mai vechi (231, 418). Intervalul de timp pentru o amintire să atingă o stare de recuperare independentă de hipocamp poate varia de la o zi la câteva luni sau ani, în funcție de informația dobândită și de schemele preexistente în memoria pe termen lung (1210, 1308). Modelul standard de două etape a fost, de asemenea, aplicat cu succes și memoriei nondeclarative, cum ar fi memoria procedurală (668), sugerând că reactivarea offline a amintirilor recente și redistribuția lor dintr-o memorie temporară de codificare rapidă într-o memorie permanentă de învățare lentă ar putea fi o caracteristică generală a formării memoriei pe termen lung.
PRIVIRE DE ANSAMBLU ASUPRA ABORDĂRILOR ȘI CONCEPTELOR
În această secțiune, vom examina dovezi din studii comportamentale în sprijinul ideii că somnul beneficiază consolidării memoriei. Experimentele cheie pentru diferitele teorii și concepte teoretice vor fi descrise în ordine cronologică mai mult sau mai puțin, completând astfel recenziile anterioare ale studiilor privind somnul și memoria.
Somnul acționează prin protejarea pasivă a memoriei de interferența retroactivă
În 1885, Ebbinghaus, tatăl cercetărilor experimentale privind memoria, a publicat o serie de studii, despre el însuși, privind uitarea listelor de perechi de cuvinte fără sens care au stabilit cunoscuta „curbă a uitării” care indică faptul că uitarea apare rapid în primele ore după învățare și se stabilizează după câteva zile (339). Cu toate acestea, Ebbinghaus a atras și atenția asupra unei observații mai puțin notate, și anume că uitarea în timpul somnului este mult mai mică decât în timpul vegherii (339). Cu toate acestea, această observație a fost în mare parte neglijată de cercetătorii ulteriori ai memoriei, care au folosit un număr redus de subiecți și au folosit lista lor de cuvinte, ceea ce a produs erori semnificative ale mediilor. Într-o reevaluare modernă, Dumay și Gaskell (294) au replicat studiul lui Ebbinghaus și au demonstrat că uitarea de peste noapte era cu adevărat mult mai mică decât a fost estimată de Ebbinghaus. Cu toate acestea, acești autori au confirmat descoperirea inițială a lui Ebbinghaus că uitarea listelor de cuvinte fără sens este, în general, independentă de somn și au arătat că oricare memorie care persistă peste noapte este foarte rezistentă la uitare, fie că a fost de natură declarativă sau nu declarativă (294).
B. Extinderea la memorii declarative
Pionierii studiilor privind memoria declarativă la om, printre care se numără pionierii englezi Baddeley și Hitch (49), au ajuns la concluzia că, dacă amintirile declarative sunt supuse uitării rapide în lipsa repetițiilor, atunci amintirile vechi ar trebui să fie amintite mai bine decât cele noi, ceea ce a fost numit „efectul primului cuvânt” sau „efectul primului cuvânt cu cuvânt” (25, 135, 242, 247, 403). Cu toate acestea, efectul de prim cuvânt cu cuvânt se găsește rar în starea de veghe (136, 137, 302, 350), deoarece amintirile vechi sunt adesea înlocuite sau șterse de informațiile noi care sunt codificate mai recent (1005, 1243). În contrast, acest efect este robust în somn și a fost demonstrat în mai multe studii comportamentale și fiziologice. Cu toate acestea, o revizuire recentă a literaturii asupra efectului de prim cu cuvânt nu a găsit niciun efect semnificativ al somnului asupra efectului de prim cu cuvânt (245). Aceasta sugerează că somnul ar putea să nu ofere un beneficiu semnificativ consolidării memoriei declarative simple pentru ordinea cuvintelor, deși acest efect poate varia în funcție de metodele și paradigmele utilizate în cercetare. Studii recente sugerează că, pentru a obține un beneficiu semnificativ al somnului asupra memoriei declarative, este necesar ca materialul de învățare să fie semnificativ și complex și să implice, de exemplu, contexte spațiale sau de învățare de structuri mai complexe.
C. Memoria procedurală
Cercetările asupra memoriei procedurale au adus cele mai semnificative contribuții la înțelegerea modului în care somnul poate fi benefic consolidării memoriei.
Acesta se bazează pe ideea că memoria procedurală este dobândită și consolidată fără intenție conștientă și că, așa cum a fost propus de implicită încă din 1898 (536), procesul de dobândire este lent, necesitând multiple încercări de antrenament (1112). Această memorie procedurală ar putea avea nevoie de un număr minim de încercări de antrenament pentru a deveni persistentă (256), și așadar va beneficia de procesarea offline în timpul somnului.
De fapt, studiile timpurii au arătat că somnul ajută la consolidarea memoriei procedurale pentru sarcini precum trasee labirintice și trasee complexe de mișcare însoțite de o creștere a vitezei de răspuns (104, 274). În plus, memorie procedurală a fost îmbunătățită la pacienții cu tulburare de mișcare a somnului care au o tendință crescută de a efectua mișcări complexe în timpul somnului REM (1240). Cu toate acestea, rolul precis al somnului în consolidarea memoriei procedurale rămâne încă subiect de dezbatere (601, 638, 1267, 1313). De exemplu, un studiu recent a sugerat că, deși somnul REM poate contribui la consolidarea amintirilor procedurale, somnul non-REM poate fi mai important pentru această formă de memorie (144).
Bibliografie: Rasch B, Born J. About sleep’s role in memory. Physiol Rev. 2013 Apr;93(2):681-766. doi: 10.1152/physrev.00032.2012. PMID: 23589831; PMCID: PMC3768102.
