کشف فعال شدن خود به خودی الگوهای عصبی و تثبیت حافظه مرتبط با پاداش در طول خواب با استفاده از ترکیب داده‌های هوش مصنوعی، EEG و MRI

مقدمه

دانشمندان دانشگاه ژنو سوئیس، با استفاده از یک رویکرد هوش مصنوعی که قادر به رمزگشایی فعالیت مغز در هنگام خواب است، توانستند یافته‌هایی مهم از فعالیت مغز هنگام خواب را کشف کنند. این تیم تحقیقاتی با ترکیب یافته‌های حاصل از تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) و الکتروانسفالوگرافی (EEG)، شواهدی بی‌سابقه‌ای‌ را ارائه می‌کنند که نشان می‌دهد وظیفه مرتب‌سازی هزاران قطعه از اطلاعات پردازش شده در طول روز طی خواب عمیق انجام می‌شود. در واقع در این زمان، مغز که محرک‌های خارجی دیگری را دریافت نمی‌کند، می‌تواند تمام این خاطرات را ارزیابی کند تا فقط مفیدترین آنها را حفظ کند و برای انجام این کار یک گفت‌و‌گوی داخلی بین مناطق مختلف خود برقرار می‌کند. علاوه بر این، از طریق ایجاد ارتباط ویژه میان یک پاداش با اطلاعات خاص مرتبط با آن، مغز را تشویق به به خاطرسپاری طولانی مدت آن اطلاعات می‌سازد.

این نتایج که در نشریه‌ي Nature Communications ارائه شد، برای اولین بار پنجره‌ای وسیع را به روی ذهن انسان در خواب باز می‌کند. در طول خواب عمیق، هیپوکامپ، ساختاری از لوب گیجگاهی مغز که آثار رویدادهای اخیر را موقتا ذخیره می‌کند، اطلاعاتی را که در طول روز ذخیره کرده به قشر مغز می فرستد و سپس دیالوگی در  مغز برقرار می‌شود که با پخش مجدد رویدادهای روز، حافظه را تثبیت می‌کند و بنابراین پیوند بین نورون‌ها را تقویت می‌کند.

روش کار

دانشمندان برای انجام این آزمایش، داوطلبان را در اوایل شب در یک اسکنر MRI  قرار دادند و از آن‌ها خواستند دو بازی ویدیویی انجام دهند، یک بازی تشخیص چهره "حدس بزن کیه؟" و بازی دیگر طرح پیچ و خم سه بعدی که باید خروجی آن پیدا می‌شد. این بازی‌ها به این دلیل انتخاب شدند که نواحی بسیار متفاوتی از مغز را فعال می‌کنند و بنابراین تشخیص آن‌ها در تصاویر MRI آسان‌تر است. علاوه بر این، بازی‌ها بدون اطلاع داوطلبان به صورتی دستکاری می‌شد تا آن ها فقط در یکی از دو بازی برنده شوند و نه در هر دو (نیمی از داوطلبان یک بازی را بردند و نیمی دیگر در بازی دومی پیروز شدند) تا مغز، احساس مثبت برد را تنها با یکی از آن بازی‌ها مرتبط کند. سپس داوطلبان یک یا دو ساعت یعنی به مدت یک چرخه خواب در اسکنر MRI خوابیدند و فعالیت مغز آن ها دوباره ثبت شد.

دانشمندان EEG مراحل مختلف خواب را اندازه‌گیری کردند و با یافته‌های MRI عملکردی که هر دو ثانیه یک بار از فعالیت مغز ثبت می‌شد، ترکیب کردند و سپس از یک رمزگشای عصبی با استفاده از الگوریتم هوش مصنوعی استفاده کردند تا مشخص کنند که آیا الگوی فعالیت مغز مشاهده‌شده در طی بازی در زمان بیداری، آیا به‌طور خود به خودی در طول خواب هم ظاهر می‌شود یا خیر.

یافته‌ها

با مقایسه یافته‌های MRI از مراحل بیداری و خواب، دانشمندان مشاهده کردند که در طول خواب عمیق، الگوهای فعال‌سازی مغز بسیار شبیه به موارد ثبت‌شده در بازی طی بیداری است و مغز به وضوح، با فعال کردن مجدد نواحی مورد استفاده خود در هنگام بیداری، تنها بازی برد و نه بازی باخت را دوباره در طی خواب عمیق هم زنده کرد. به محض خوابیدن داوطلبان دوباره شروع به فکر کردن در مورد هر دو بازی کردند، و سپس در طول خواب عمیق تقریبا به طور انحصاری تنها در مورد بازی منجر به برد، فکر کردند.

دو روز بعد داوطلبان یک تست حافظه انجام دادند، همه چهره‌های بازی تشخیص چهره را تشخیص دادند و نقطه برد بازی پیچ و خم را پیدا کردند. در اینجا مجدداً مشاهده شد که هر چه مناطق مغز مربوط به بازی برد در طول خواب بیشتر فعال شوند، عملکرد حافظه هم بهتر می‌شود. بنابراین، عملکرد حافظه مرتبط با پاداش زمانی که به طور خود به خود در طول خواب دوباره فعال شود، ارتقا می‌یابد. تیم تحقیقاتی دیدگاه جدیدی را در مطالعه فعالیت مغز طی خواب و وظایف باورنکردنی که هر شب انجام می‌دهد ارائه دادند.

بحث و نتیجه‌گیری

خواب باعث فعال شدن مجدد الگوهای عصبی و تثبیت خاطرات اخیر مرتبط با پاداش می‌شود. با این حال، نحوه انتخاب مغز برای پردازش مجدد داده‌ها با وجود حجم عظیم از اطلاعات ناشناخته باقی مانده است. از منظر تکاملی، احتمالا افراد باید اطلاعاتی مانند اجتناب از خطرات، یافتن غذا، یا به دست آوردن تمجید و پاداش یا پول را حفظ کنند.

در این پژوهش بررسی شد که آیا خاطرات پاداش (در مقایسه با غیر پاداش) برای فعال‌سازی مجدد در طول خواب اولویت دارند یا خیر. با استفاده از MRI عملکردی، الکتروانسفالوگرام و یک رویکرد رمزگشایی مغز با الگوریتم هوش مصنوعی، نشان داده شد که الگوهای فعالیت مغز در بیداری به‌طور خود به خودی در طول مرحله موج آهسته خواب نیز ظاهر می‌شوند و منجر به فعال‌سازی مجدد الگوهای عصبی مرتبط با یک پاداش (یعنی برنده شدن در یک بازی پیچیده) خواهند شد. علاوه بر این، در طول خواب، فعالیت در مناطق مربوط به پاداش در مغز با عملکرد بهتر حافظه پس از خواب نیز مرتبط است. این مطالعه نوعی مکانیسم عصبی را نشان داد که به موجب آن تجربیات پاداش‌ها در هنگام خواب قویا تکرار و تثبیت می‌شوند.

منبع:  doi.org/10.1038/s41467-021-24357-5

مترجم: 

سیده فاطمه سادات مدنی

دانشجوی دکترای حرفه‌ای پزشکی دانشگاه علوم پزشکی اصفهان