Исследование показывает, как сон способствует обучению

Кажется, что две разные стадии сна играют жизненно важные, взаимодополняющие роли в обучении: одна ступень повышает общую производительность, а другая стабилизирует то, что мы узнали за предыдущий день.

Ученые давно знают, что хороший ночной сон творит чудеса в нашей способности выучить новые навыки.

Что было менее ясно, так это роль разных стадий сна. В частности, возникли разногласия по поводу относительного вклада сна с быстрыми движениями глаз (REM), когда происходит большинство сновидений, и сна без REM, который в большинстве случаев без сновидений.

В настоящее время исследование, проведенное психологами из Отдела когнитивных, лингвистических и психологических наук в Университете Брауна в Провиденсе, штат Мичиган, дает важные подсказки, которые могут помочь разрешить спор.

Их эксперимент, который фокусируется на визуальном обучении, предполагает, что вместо того, чтобы одна стадия была более важной, чем другая, для обучения новым навыкам, они играют важную роль и дополняют роли нейрохимической обработки.

Они обнаружили, что, в то время как сон без REM улучшает нашу способность к приобретению новых навыков за счет восстановления гибкости, сон REM стабилизирует эти улучшения и предотвращает их перезапись при последующем обучении.

«Я надеюсь, что это поможет людям осознать, что как не-REM-сон, так и REM-сон важны для обучения», – говорит соответствующий автор Yuka Sasaki, профессор когнитивных, лингвистических и психологических наук в Brown.

Большая часть быстрого сна происходит в последние часы сна, поэтому обнаружение подчеркивает важность того, чтобы не прерывать эти более поздние стадии.

«Когда люди спят ночью, существует много циклов сна. БЫСТРЫЙ сон появляется как минимум три, четыре, пять раз, и особенно в позднюю часть ночи. Мы хотим, чтобы у нас было много быстрого сна, чтобы мы могли лучше помнить, поэтому мы не должны сокращать наш сон ».

– Профессор Юка Сасаки

Исследование опубликовано в журнале Nature Neuroscience .

Исследование показывает, как сон способствует обучению

Двойные преимущества

Психологи ранее определили два отличных преимущества сна для обучения.

Первое преимущество, которое они называют «увеличением производительности в автономном режиме», означает, что обучение, приобретенное до сна, улучшается после сна, без каких-либо дополнительных тренировок.

Второе преимущество, которое называется «устойчивость к помехам», защищает навыки, усвоенные перед сном, от нарушения или перезаписи в результате последующего обучения после пробуждения.

Чтобы воспользоваться обоими преимуществами, необходимо найти компромисс между гибкостью и стабильностью.

Обучение в течение дня включает в себя формирование новых синапсов, которые являются электрическими связями между нервными клетками, и укрепление существующих синапсов путем многократного использования.

Пока мы спим, мозг оптимизирует свою работу, чтобы работать более эффективно. Согласно ведущей гипотезе , он делает это путем реактивации синапсов, которые были усилены в течение дня, а затем без разбора уменьшают или ослабляют их все.

Это восстанавливает гибкость или пластичность локальных соединений мозга и более широких сетей для улучшения общей производительности.

В то же время во время сна мозг также должен стабилизировать ключевые синапсы, чтобы предотвратить то, что было изучено в предыдущий день, из-за нового опыта обучения.

Визуальное учебное задание

Чтобы выяснить, когда каждый из этих процессов происходит во время сна, ученые дали волонтерам стандартную визуальную задачу обучения. Это включало идентификацию букв и ориентацию линий, которые появляются на экране, в двух разных задачах: одна перед сном и одна после сна.

Буквы и линии отображались на фиксированном фоне горизонтальных линий для одной группы добровольцев и вертикальных линий для другой группы.

Затем участникам позволяли спать в течение 90 минут с головой внутри сканера МРТ.

После пробуждения им было дано 30 минут для полного пробуждения перед выполнением той же задачи, но с противоположной ориентацией линий фона.

Предыдущие исследования показали, что переключение ориентации фоновых линий мешает повышению производительности при выполнении этой задачи обучения.

Третьей группе добровольцев не давали никаких заданий на обучение до или после сна.

Исследователи использовали электроды, приклеенные к векам и коже головы, чтобы определить, когда они вошли в разные стадии сна.

Они также использовали метод, называемый магнитно-резонансной спектроскопией, для измерения относительных концентраций двух нейротрансмиттеров – глутамата и гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) – в тех частях их мозга, которые обрабатывают визуальную информацию.

Глутамат передает возбуждающие сигналы в мозг, тогда как ГАМК передает ингибирующие сигналы. Нейробиологи считают, что когда концентрации глутамата высоки по сравнению с ГАМК, это отражает увеличение пластичности нервной системы, тогда как обратное указывает на увеличение стабилизации.

Повышение пластичности

Когда ученые проанализировали свои результаты, они обнаружили, что пластичность увеличилась во время не-быстрого сна, что коррелировало с улучшением выполнения задач после сна.

Интересно отметить, что пластичность повышалась во время не-быстрого сна даже для добровольцев, у которых не было каких-либо задач для изучения, что говорит о том, что в мозге происходил общий процесс оптимизации.

Позже в сеансе сна пластичность тех, кто учился, упала ниже уровня бодрствования во время быстрого сна. Это падение коррелировало со стабилизацией обучения за предыдущий день: оно, похоже, предотвращало потерю любого прироста производительности.

Другими словами, стадия REM может сделать обучение перед сном более устойчивым к помехам от последующего обучения.

В отличие от не-быстрого сна, резкое падение пластичности во время быстрого сна было замечено только среди добровольцев, которым нужно было учиться.

Это говорит о том, что стабилизация, которая произошла во время быстрого сна, была сосредоточена исключительно на синапсах, участвующих в изучении этой задачи.

Среди участников, которым не удавалось заснуть в течение 90 минут в сканере, улучшения в производительности после сна не было.

В целом, результаты показывают, что обе стадии сна необходимы для изучения новых вещей. Хотя наш мозг находится в автономном режиме, не-REM-сон улучшает производительность недавно освоенных задач, но без REM-сна, чтобы стабилизировать память, эти выгоды будут потеряны.

Универсальные принципы?

Исследование фокусируется на определенной части мозга и включает только один вид учебной задачи. Сасаки и ее команда надеются выяснить, применимы ли те же принципы к обучению в целом.

Кроме того, они хотят исследовать роль сна, когда предоставляются вознаграждения для мотивации обучения.

«Ранее мы показали, что награды улучшают визуальное обучение во сне , поэтому мы хотели бы понять, как это работает», – говорит она. «Это амбициозно, но, возможно, мы могли бы расширить это исследование на другие виды обучения, чтобы лучше запоминать и развивать двигательные навыки, визуальные навыки и творческий подход».