Сон и обучение: роль фаз сна в консолидации памяти.

Введение

Связь между сном и обучением у человека

Существует множество гипотез, объясняющих возможные взаимосвязи между сном и обучением у человека. Исследования показывают, что сон не просто дает мозгу отдохнуть, но и может способствовать консолидации долговременной памяти. Быстрый сон (REM) и медленный сон играют различные роли в консолидации памяти. Быстрый сон связан с консолидацией недекларативной (неявной) памяти. Примером недекларативной памяти может служить задача, которую мы выполняем, не осознавая этого, например, езда на велосипеде. Медленноволновый сон, или сон без быстрых движений глаз (NREM), связан с консолидацией декларативной (явной) памяти. Это факты, которые необходимо сознательно запоминать, например, даты в курсе истории.

Увеличение обучения

Популярные поговорки могут отражать представление о том, что переработанные воспоминания порождают новые творческие ассоциации утром, и что работоспособность часто повышается после временного интервала, включающего сон. Современные исследования демонстрируют, что здоровый сон обеспечивает значительный прирост эффективности обучения. Идея заключается в том, что сон помогает мозгу редактировать память, выявлять важные закономерности и извлекать общие правила, которые можно описать как «суть», и интегрировать это с существующими воспоминаниями. Гипотеза «синаптического масштабирования» предполагает, что сон играет важную роль в регулировании обучения, происходящего в период бодрствования, обеспечивая более эффективное и действенное хранение информации в мозге, оптимальное использование пространства и энергии. Здоровый сон должен включать в себя соответствующую последовательность и пропорцию фаз NREM и REM, которые выполняют различные функции в процессе оптимизации консолидации памяти. Во время нормальной ночи человек попеременно переживает периоды NREM и REM сна. Каждый цикл длится около 90 минут, включая 20–30-минутный эпизод REM сна. NREM сон состоит из стадий 1–4, и именно в это время наблюдаются движения. Человек может двигаться во время NREM сна. Если спящий поворачивается, ворочается или перекатывается, это указывает на то, что он находится в фазе NREM сна. REM сон характеризуется отсутствием мышечной активности. Физиологические исследования показали, что, за исключением случайных подергиваний, человек фактически парализован во время REM сна. Процедурная память является формой недекларативной памяти, поэтому она получает наибольшую пользу от быстрого REM сна. Показано, что процедурные воспоминания улучшаются во время сна. Испытуемых проверяли с помощью задания на простукивание, где они пальцами простукивали определенную последовательность цифр на клавиатуре, а их результаты оценивались по точности и скорости. Это задание на простукивание пальцами использовалось для имитации обучения двигательному навыку. Первую группу проверили, повторно проверили через 12 часов в состоянии бодрствования и, наконец, еще через 12 часов после сна. Другую группу проверили, повторно проверили через 12 часов после сна, а затем повторно проверили через 12 часов в состоянии бодрствования. Результаты показали, что в обеих группах наблюдалось лишь незначительное улучшение после 12-часового бодрствования, но значительное повышение производительности после сна в каждой группе. Это исследование подтверждает, что REM сон является важным фактором консолидации процедурных воспоминаний о двигательных навыках, следовательно, лишение сна может ухудшить производительность при выполнении задач на обучение двигательным навыкам. Это снижение памяти связано, прежде всего, с потерей стадии 2 и REM сна. Также было показано, что декларативная память улучшается во время сна, но не так, как процедурная память. Декларативные воспоминания получают пользу от медленных волн NREM сна. Было проведено исследование, в котором испытуемые заучивали пары слов, и результаты показали, что сон не только предотвращает угасание памяти, но и активно закрепляет декларативные воспоминания. Две группы выучили пары слов, затем либо спали, либо оставались бодрствующими, и их снова проверяли. Две другие группы сделали то же самое, но дополнительно выучили интерференционные пары непосредственно перед повторным тестированием, чтобы попытаться нарушить ранее выученные пары слов. Результаты показали, что сон помогал сохранять ассоциации слов, в то время как против интерференционных пар сон оказывал значительную помощь. После сна повышается понимание. Это связано с тем, что сон помогает людям переосмысливать свои воспоминания. Те же паттерны мозговой активности, которые возникают во время обучения, были обнаружены и во время сна, только ускоренные. Один из способов, которым сон укрепляет память, — это устранение менее успешных связей между нейронами в мозге. Это устранение необходимо для предотвращения гиперактивности. Мозг компенсирует укрепление некоторых синапсов (связей) между нейронами, ослабляя другие. Процесс ослабления в основном происходит во время сна. Это ослабление во время сна позволяет укреплять другие связи, пока мы бодрствуем. Обучение — это процесс укрепления связей, поэтому этот процесс может быть основным объяснением преимуществ сна для памяти. Исследования показали, что послеобеденный сон повышает способность к обучению. В одном исследовании две группы испытуемых проверялись на выполнение задачи на недекларативную память. Одна группа погрузилась в REM сон, а другая — нет (то есть погрузилась в NREM сон). Исследователи обнаружили, что испытуемые, которые погрузились только в NREM сон, не показали значительного улучшения. Испытуемые, которые погрузились в REM сон, показали значительно лучшие результаты, что указывает на то, что REM сон облегчает консолидацию недекларативных воспоминаний. Было показано, что процедурная задача изучалась и запоминалась лучше, если она выполнялась непосредственно перед сном, в то время как декларативная задача лучше усваивалась днем. Исследования, основанные на электрофизиологической регистрации больших ансамблей изолированных клеток в префронтальной коре крыс, показали, что клеточные сборки, сформировавшиеся во время обучения, были более активно задействованы во время последующих эпизодов сна. В частности, эти события воспроизведения были более выражены во время медленного сна и сопровождались реактивацией гиппокампа. Это исследование показало, что нейронные паттерны в больших сетях мозга маркируются во время обучения, чтобы они воспроизводились и, предположительно, консолидировались во время последующего сна. Были проведены и другие исследования, которые показали аналогичную реактивацию паттернов обучения во время обучения двигательным навыкам и нейропротезированию. Важно отметить, что новые данные свидетельствуют о том, что реактивация и перемасштабирование могут происходить одновременно во время сна.

Popular sayings can reflect the notion that remolded memories produce new creative associations in the morning, and that performance often improves after a time interval that includes sleep. Current studies demonstrate that a healthy sleep produces a significant learning dependent performance boost. The idea is that sleep helps the brain to edit its memory, looking for important patterns and extracting overarching rules which could be described as 'the gist', and integrating this with existing memory. The 'synaptic scaling' hypothesis suggests that sleep plays an important role in regulating learning that has taken place while awake, enabling more efficient and effective storage in the brain, making better use of space and energy. Healthy sleep must include the appropriate sequence and proportion of NREM and REM phases, which play different roles in the memory consolidation optimization process. During a normal night of sleep, a person will alternate between periods of NREM and REM sleep. Each cycle is approximately 90 minutes long, containing a 20 30 minute bout of REM sleep. NREM sleep consists of sleep stages 1–4, and is where movement can be observed. A person can still move their body when they are in NREM sleep. If someone sleeping turns, tosses, or rolls over, this indicates that they are in NREM sleep. REM sleep is characterized by the lack of muscle activity. Physiological studies have shown that aside from the occasional twitch, a person actually becomes paralyzed during REM sleep. Procedural memories are a form of nondeclarative memory, so they would most benefit from the fast wave REM sleep. procedural memories have been shown to benefit from sleep. Subjects were tested using a tapping task, where they used their fingers to tap a specific sequence of numbers on a keyboard, and their performances were measured by accuracy and speed. This finger tapping task was used to simulate learning a motor skill. The first group was tested, retested 12 hours later while awake, and finally tested another 12 hours later with sleep in between. The other group was tested, retested 12 hours later with sleep in between, and then retested 12 hours later while awake. The results showed that in both groups, there was only a slight improvement after a 12 hour wake session, but a significant increase in performance after each group slept. This study gives evidence that REM sleep is a significant factor in consolidating motor skill procedural memories, therefore sleep deprivation can impair performance on a motor learning task. This memory decrement results specifically from the loss of stage 2, REM sleep. Declarative memory has also been shown to benefit from sleep, but not in the same way as procedural memory. Declarative memories benefit from the slow waves nREM sleep. was conducted where the subjects learned word pairs, and the results showed that sleep not only prevents the decay of memory, but also actively fixates declarative memories. Two of the groups learned word pairs, then either slept or stayed awake, and were tested again. The other two groups did the same thing, except they also learned interference pairs right before being retested to try to disrupt the previously learned word pairs. The results showed that sleep was of some help in retaining the word pair associations, while against the interference pair, sleep helped significantly. After sleep, there is increased insight. This is because sleep helps people to reanalyze their memories. The same patterns of brain activity that occur during learning have been found to occur again during sleep, only faster. One way that sleep strengthens memories is by weeding out the less successful connections between neurons in the brain. This weeding out is essential to prevent overactivity. The brain compensates for strengthening some synapses (connections) between neurons, by weakening others. The weakening process occurs mostly during sleep. This weakening during sleep allows for strengthening of other connections while we are awake. Learning is the process of strengthening connections, therefore this process could be a major explanation for the benefits that sleep has on memory. Research has shown that taking an afternoon nap increases learning capacity. A study tested two groups of subjects on a nondeclarative memory task. One group engaged in REM sleep, and one group did not (meaning that they engaged in NREM sleep). The investigators found that the subjects who engaged only in NREM sleep did not show much improvement. The subjects who engaged in REM sleep performed significantly better, indicating that REM sleep facilitated the consolidation of nondeclarative memories. demonstrated that a procedural task was learned and retained better if it was encountered immediately before going to sleep, while a declarative task was learned better in the afternoon. based on electrophysiological recordings of large ensembles of isolated cells in the prefrontal cortex of rats revealed that cell assemblies that formed upon learning were more preferentially active during subsequent sleep episodes. More specifically, those replay events were more prominent during slow wave sleep and were concomitant with hippocampal reactivation events. This study has shown that neuronal patterns in large brain networks are tagged during learning so that they are replayed, and supposedly consolidated, during subsequent sleep. There have been other studies that have shown similar reactivation of learning pattern during motor skill and neuroprosthetic learning. Notably, new evidence is showing that reactivation and rescaling may be co occurring during sleep.

Сон в отношении школы

Сон напрямую связан с успеваемостью учеников. Каждый четвертый школьник в США признается, что засыпает на уроках хотя бы раз в неделю. Как следствие, исследования показали, что те, кто спит меньше, демонстрируют худшие результаты. В Соединенных Штатах недосыпание распространено среди учащихся, поскольку почти во всех школах занятия начинаются рано утром, и многие ученики либо предпочитают бодрствовать до поздней ночи, либо не могут иначе из-за синдрома отсроченной фазы сна. В результате студенты, которым необходимо от 8,5 до 9,25 часов сна, спят всего 7 часов. Вероятно, именно из-за этого недосыпания их успеваемость снижается и ухудшается концентрация внимания. На основании исследований, показывающих влияние недосыпания на оценки и различные особенности сна подростков, одна школа в Новой Зеландии в 2006 году перенесла начало занятий на 10:30, чтобы дать ученикам возможность соблюдать режим, обеспечивающий более продолжительный сон. В 2009 году в средней школе Монкситон в Северном Тайнсайде 800 учеников в возрасте 13–19 лет начали уроки в 10 утра вместо обычных 9 утра, и сообщили о снижении общей посещаемости на 8% и хронической прогуливании на 27%. Подобным образом, одна из средних школ Копенгагена взяла на себя обязательство предоставлять хотя бы один класс в год, который будет начинаться в 10 утра или позже. Студенты колледжей – одна из наиболее подверженных недосыпанию групп населения. Только 11% американских студентов хорошо высыпаются, а 40% чувствуют себя отдохнувшими лишь два дня в неделю. Около 73% сталкивались хотя бы с эпизодическими проблемами со сном. Считается, что этот недостаток сна серьезно влияет на их способность к обучению и запоминанию информации, поскольку мозг лишается времени, необходимого для консолидации информации, что крайне важно для процесса обучения.