چرا انسان ها می خوابند؟ دانشمندان سرنخ هایی برای حل این معمای قدیمی پیدا کردند

بینش جدید در مورد فعالیت مغز هنگام خواب ممکن است به ایجاد ابزارهایی برای کسانی که از بیماری یا آسیب عصبی رنج می برند کمک کند.

چرا انسان ها می خوابند؟ این موضوع صدها سال است که توسط دانشمندان مورد بحث بوده است، اما مطالعه اخیر محققان بیمارستان عمومی ماساچوست (MGH) که با همکاری کارشناسان دانشگاه براون، دپارتمان امور کهنه سربازان و چندین موسسه دیگر انجام شده است، سرنخ های جدیدی را برای این موضوع اضافه می کند. حل این معما تحقیقات آنها، که اخیراً در مجله علوم اعصاب منتشر شده است، ممکن است به توضیح اینکه چگونه افراد چیزها را به خاطر می آورند و مهارت های جدیدی را به دست می آورند، کمک کند. همچنین ممکن است به ایجاد ابزارهای کمکی برای افرادی که دارای شرایط عصبی یا آسیب هستند کمک کند.

به گفته نویسنده اصلی این تحقیق و متخصص مغز و اعصاب دانیل روبین، دکترای MGH مرکز نوروتکنولوژی و بازیابی عصبی MGH، دانشمندان مدت‌هاست می‌دانند که در طول خواب، پدیده‌ای به نام «بازپخش» رخ می‌دهد. تصور می شود که بازپخش مکانیزمی است که مغز برای یادآوری اطلاعات جدید از آن استفاده می کند. هنگامی که به موش یاد می‌شود که در یک هزارتو حرکت کند، تجهیزات نظارتی ممکن است نشان دهند که الگوی دقیقی از سلول‌های مغز یا نورون‌ها در حالی که مسیر مناسب را دنبال می‌کنند، روشن می‌شوند. روبین می گوید: «سپس، بعداً، در حالی که حیوان خواب است، می توانید ببینید که آن نورون ها دوباره به همان ترتیب شلیک می کنند. دانشمندان این تئوری را مطرح می‌کنند که مغز از این طریق دانش تازه به‌دست‌آمده را در طول خواب تمرین می‌کند و اجازه می‌دهد تا خاطرات تثبیت شوند، یعنی از خاطرات کوتاه‌مدت به خاطرات بلندمدت تبدیل شوند.

با این حال، پخش مجدد فقط در حیوانات آزمایشگاهی به درستی نشان داده شده است. یک سوال باز در جامعه علوم اعصاب وجود دارد: این مدل برای چگونگی یادگیری چیزها در انسان تا چه حد درست است؟ و آیا برای انواع مختلف یادگیری درست است؟» دکتر سیدنی اس. کش، متخصص مغز و اعصاب، مدیر مرکز نوروتکنولوژی و بازیابی عصبی در MGH و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه، می پرسد. کش می‌گوید نکته مهم این است که درک اینکه آیا بازی مجدد با یادگیری مهارت‌های حرکتی اتفاق می‌افتد می‌تواند به توسعه درمان‌ها و ابزارهای جدید برای افراد مبتلا به بیماری‌ها و آسیب‌های عصبی کمک کند.

محققان در یک مطالعه جدید اولین شواهد بازپخش را در قشر حرکتی انسان، که حرکات ارادی را کنترل می کند، پیدا کردند. این ممکن است بینش هایی را به توسعه دهندگان ابزارهای کمکی برای افراد فلج بدهد و همچنین اطلاعاتی در مورد نحوه یادگیری و ایجاد خاطرات طولانی مدت ارائه دهد. اعتبار: بیمارستان عمومی ماساچوست

روبین، کش و همکارانشان برای بررسی اینکه آیا پخش مجدد در قشر حرکتی انسان – ناحیه مغزی که حرکت را کنترل می‌کند یا نه – یک مرد 36 ساله مبتلا به تتراپلژی (که چهار پلژی نیز نامیده می‌شود) را به خدمت گرفتند، به این معنی که او نمی‌تواند قسمت بالایی خود را حرکت دهد. اندام تحتانی، در مورد او به دلیل آسیب نخاعی. مردی که در این مطالعه با نام T11 شناسایی شد، شرکت کننده در آزمایش بالینی یک دستگاه رابط مغز و رایانه است که به او اجازه می دهد از مکان نما و صفحه کلید رایانه روی صفحه استفاده کند. این دستگاه تحقیقاتی توسط کنسرسیوم BrainGate، یک تلاش مشترک شامل پزشکان، دانشمندان علوم اعصاب و مهندسان در چندین مؤسسه با هدف ایجاد فناوری‌هایی برای بازگرداندن ارتباطات، تحرک و استقلال برای افراد مبتلا به بیماری‌های عصبی، آسیب یا از دست دادن اندام در حال توسعه است. این کنسرسیوم توسط Leigh R. Hochberg، MD، کارگردانی شده است.

در این مطالعه، از T11 خواسته شد تا یک کار حافظه شبیه به بازی الکترونیکی Simon انجام دهد، که در آن بازیکن الگوی نورهای رنگی چشمک زن را مشاهده می کند، سپس باید آن دنباله را به خاطر بیاورد و بازتولید کند. او فقط با فکر کردن به حرکت دست خود مکان نما را روی صفحه کامپیوتر کنترل کرد. حسگرهای کاشته‌شده در قشر حرکتی T11 الگوهای شلیک عصبی را اندازه‌گیری می‌کردند که حرکت دست مورد نظر او را منعکس می‌کرد و به او اجازه می‌داد مکان‌نما را روی صفحه حرکت دهد و روی آن در مکان‌های مورد نظرش کلیک کند. این سیگنال های مغزی ضبط و به صورت بی سیم به کامپیوتر منتقل می شد.

در آن شب، در حالی که T11 در خانه می خوابید، فعالیت در قشر حرکتی او ثبت شد و به صورت بی سیم به کامپیوتر منتقل شد. روبین می گوید: «آنچه ما پیدا کردیم بسیار باورنکردنی بود. او اساساً یک شبه در خواب بازی می کرد.» روبین می‌گوید که در چندین مورد، الگوهای شلیک عصبی T11 در طول خواب دقیقاً با الگوهایی مطابقت داشت که در اوایل آن روز هنگام اجرای بازی تطبیق حافظه رخ داد.

روبین می‌گوید: «این مستقیم‌ترین شواهد بازپخش از قشر حرکتی است که تا به حال در هنگام خواب در انسان دیده شده است. بیشتر تکرارهای شناسایی شده در این مطالعه در طول خواب با موج آهسته، مرحله خواب عمیق رخ داده است. جالب توجه است، زمانی که T11 در خواب REM بود، مرحله ای که معمولاً با رویا دیدن همراه است، احتمال کمتری وجود داشت که تشخیص داده شود. روبین و کش این کار را به عنوان پایه ای برای یادگیری بیشتر در مورد بازپخش و نقش آن در یادگیری و حافظه در انسان می دانند.

کش با اشاره به اهمیت جابجایی این موضوع می‌گوید: «امید ما این است که بتوانیم از این اطلاعات برای کمک به ایجاد رابط‌های بهتر مغز و رایانه استفاده کنیم و به الگوهایی دست پیدا کنیم که به افراد کمک می‌کند سریع‌تر و کارآمدتر یاد بگیرند تا کنترل را پس از آسیب به دست آورند.» خط تحقیق از حیوانات تا موضوعات انسانی او با قدردانی از T11 و سایر شرکت‌کنندگان در کارآزمایی بالینی BrainGate می‌افزاید: «این نوع تحقیقات از تعامل نزدیکی که با شرکت‌کنندگان‌مان داریم به‌شدت سود می‌برد.

هوخبرگ موافق است. شرکت‌کنندگان باورنکردنی BrainGate ما نه تنها بازخورد مفیدی را در خصوص ایجاد سیستمی برای بازگرداندن ارتباطات و تحرک ارائه می‌کنند، بلکه به ما فرصت نادری را برای پیشبرد علوم اعصاب بنیادی انسان می‌دهند – تا بفهمیم مغز انسان چگونه در سطح مدارهای افراد کار می‌کند. او می‌گوید: «نرون‌ها و استفاده از آن اطلاعات برای ساختن نسل بعدی فناوری‌های عصبی ترمیمی».

روبین همچنین یک مدرس نورولوژی در دانشکده پزشکی هاروارد (HMS) است. کش دانشیار نورولوژی در HMS است. هاخبرگ یک مدرس ارشد نورولوژی در HMS و استاد مهندسی در دانشگاه براون است.