Исследователи разработали технологию, позволяющую отслеживать размер зрачков во время сна. Это дало возможность идентифицировать новые подстадии сна, изменения в которых совпадали с колебаниями диаметра зрачков. Наиболее значимым открытием стало то, что последовательность этих стадий оказывает прямое влияние на процессы хранения и систематизации воспоминаний в головном мозге. Эти данные открывают перспективы применения полученных знаний для улучшения когнитивных функций и диагностики нарушений памяти.
С чего начинается биохакинг сна?
Учёные из Корнеллского университета установили наличие различных фаз сна с расширением и сужением зрачков, а также их связь с механизмами запоминания. Это исследование позволило по-новому взглянуть на когнитивные процессы, происходящие во время сна, и открыло возможности для разработки методов, направленных на укрепление памяти. В то же время, базовым условием для функционирования памяти остаётся полноценный и регулярный сон. Ключевым аспектом здесь является соблюдение режима, необходимого для синтеза мелатонина — гормона, регулирующего циркадные ритмы и обеспечивающего засыпание.
Физиология сна делит его на две основные фазы: небыстрый сон (non-REM или NREM) и быстрый сон (REM), каждая из которых играет особую роль в формировании памяти. В рамках NREM-сна различают три стадии (N1, N2 и N3), отражающие переход от лёгкого ко сну глубокой фазы. Именно в этих стадиях исследователи зафиксировали новую форму нейронной активности, связанную с запоминанием информации.
Во время NREM-сна происходит ключевая консолидация воспоминаний. Эти процессы реализуются в течение крайне коротких промежутков — порядка 100 миллисекунд. При этом остаётся открытым вопрос: как мозг управляет столь стремительными изменениями, сохраняя при этом чёткость разграничения между недавней и накопленной информацией?
Доцент Азахара Оливия, соавтор исследования.
Биохакинг сна: начало экспериментов
В экспериментальной части работы мышам предлагались задания, направленные на оценку кратковременной и долговременной памяти: Т-образный лабиринт и поиск цели на специальной доске. Эти тесты позволили исследователям изучить активность гиппокампа — ключевого участка мозга, ответственного за обучение и запоминание, как в момент выполнения задач, так и в фазах сна.
Изменения в размере зрачков мышей, отражающие уровень активации или расслабления, стали маркером внутренних когнитивных процессов. Однако подобные наблюдения требуют высокой точности и технической поддержки.
Для получения объективных данных применялись специальные устройства: миниатюрные камеры и сенсоры мозговой активности. Инфракрасные камеры фиксировали размеры зрачков, в то время как имплантированные в гиппокамп кремниевые зонды регистрировали сигналы нейронов, включая волны высокой частоты, известные как рябь острых волн (SWR). Эти данные синхронизировались для анализа взаимосвязи между зрительной активностью и механизмами памяти.
Параллельно исследователи применили методы оптогенетики — технологии, позволяющей с помощью света воздействовать на определённые группы нейронов. Это позволило проверить, как вмешательство в естественные процессы сна влияет на восстановление памяти после пробуждения.
Результаты первых экспериментов
Использование этих методик позволило зафиксировать воспроизведение новых воспоминаний в одной из подстадий фазы NREM, совпадающей с фазой сужения зрачков. В то время как расширение зрачков свидетельствовало о другой подстадии, связанной с актуализацией долговременных воспоминаний. Эти два чередующихся режима сна, по сути, способствуют тому, чтобы новые данные не затёрли ранее сохранённую информацию, предотвращая когнитивные конфликты.
Представьте слоёный пирог: новый опыт, старая информация, новый опыт, старая информация. Такие фазы чередуются всю ночь, создавая временную структуру, отделяющую недавние события от устойчивых знаний.
Доцент Азахара Оливия.
Насколько это применимо к человеку? Результаты показали, что структура сна у мышей во многом аналогична человеческой. Когда экспериментаторы искусственно нарушали последовательность фаз сна, способность к воспроизведению усвоенной информации значительно снижалась. Это касалось как краткосрочных, так и долговременных форм памяти.
Фаза NREM характеризуется микроструктурой, отвечающей за упорядоченное воспроизведение воспоминаний. Изменение диаметра зрачков в пределах одной минуты свидетельствует о чередовании сетевых состояний гиппокампа. При этом только фазы с сужением зрачков ассоциированы с воспроизведением недавней информации.
Фрагмент из научной публикации.
Эксперименты показали, что если прервать активность в подстадии с расширенными зрачками, это не оказывает значительного влияния на краткосрочную память. В то же время нейронная активность во время подстадии суженных зрачков играет ключевую роль в актуализации недавно полученных знаний.
Таким образом, было выявлено наличие отдельных подсостояний сна, каждое из которых отвечает за воспроизведение разных типов информации. Это открытие представляет ценность как для фундаментальной нейробиологии, так и для разработки алгоритмов в области искусственного интеллекта. В частности, оно может быть использовано для предотвращения так называемых катастрофических помех — эффекта, при котором новые знания вытесняют старые. Кроме того, это создаёт возможности для создания неинвазивных технологий, направленных на улучшение человеческой памяти.
Из научного отчёта.
Проведённое исследование существенно расширяет понимание механизмов сна и их роли в обучении. Полученные данные могут лечь в основу будущих методик по оптимизации фаз сна и коррекции нарушений памяти, а также служат платформой для дальнейших нейротехнологических разработок.