openscience

Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science, ερευνητές από το ιατρικό κέντρο NYU Langone δείχνουν για πρώτη φορά ότι ο ύπνος μετά τη μάθηση ενθαρρύνει την ανάπτυξη των δενδριτικών αγκαθιών, των μικροσκοπικών προεξοχών από τα κύτταρα του εγκεφάλου που συνδέονται με άλλα εγκεφαλικά κύτταρα και διευκολύνει τη μεταβίβαση πληροφοριών μέσω των συνάψεων, των συνδέσεων στις οποίες συναντώνται τα κύτταρα αυτά. Επιπλέον, η δραστηριότητα των κυττάρων του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια βαθέος ή βραδέων κυμάτων ύπνου μετά τη μάθηση είναι κρίσιμης σημασίας για αυτήν την ανάπτυξη.

Τα ευρήματα, σε ποντίκια, παρέχουν σημαντικές υλικές αποδείξεις που υποστηρίζουν την υπόθεση ότι ο ύπνος βοηθά στην εδραίωση και ενίσχυση νέων αναμνήσεων και δείχνουν για πρώτη φορά τον τρόπο με τον οποίο η μάθηση και ο ύπνος προκαλούν φυσικές αλλαγές στον κινητικό φλοιό, μια περιοχή του εγκεφάλου που είναι υπεύθυνη για τις εκούσιες κινήσεις.

"Γνωρίζουμε εδώ και καιρό ότι ο ύπνος παίζει σημαντικό ρόλο στη μάθηση και τη μνήμη. Εάν δεν κοιμάσαι καλά, δεν θα μάθεις καλά", σημειώνει ο επικεφαλής ερευνητής δρ. Wen-Biao Gan, καθηγητής νευροεπιστήμης και φυσιολογίας και μέλος του Ινστιτούτου Βιομοριακής Ιατρικής Skirball στο ιατρικό κέντρο NYU Langone. "Αλλά ποιος φυσικός μηχανισμός ευθύνεται για το φαινόμενο αυτό; Εδώ δείξαμε τον τρόπο με τον οποίο ο ύπνος βοηθά τους νευρώνες να σχηματίσουν πολύ συγκεκριμένες συνδέσεις σε δενδριτικούς κλάδους που μπορούν να διευκολύνουν τη μακροπρόθεσμη μνήμη. Επίσης, δείχνουμε πώς διαφορετικοί τύποι μάθησης σχηματίζουν συνάψεις σε διαφορετικούς κλάδους των ίδιων νευρώνων, γεγονός που υποδηλώνει ότι η μάθηση προκαλεί πολύ συγκεκριμένες δομικές αλλαγές στον εγκέφαλο".

Σε κυτταρικό επίπεδο, ο ύπνος μόνο ξεκούραστος δεν είναι: εγκεφαλικά κύτταρα που είναι εξαιρετικά ενεργά καθώς αφομοιώνουμε νέες πληροφορίες κατά τις ώρες που είμαστε ξύπνιοι, επαναλαμβάνουν τη διαδικασία κατά τη διάρκεια του βαθέος ύπνου, γνωστού και ως ύπνου βραδέων κυμάτων, όταν τα κύματα του εγκεφάλου επιβραδύνουν και παύει η ταχεία κίνηση των ματιών, όπως και τα όνειρα. Οι επιστήμονες από καιρό πίστευαν ότι αυτή η νυκτερινή επανάληψη μάς βοηθά να διαμορφώσουμε και να θυμηθούμε νέες αναμνήσεις, εντούτοις οι δομικές αλλαγές που υποστηρίζουν αυτή τη διαδικασία παρέμεναν ελάχιστα κατανοητές.

Για να ρίξει φως σε αυτή τη διαδικασία, ο δρ. Gan και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ποντίκια γενετικά τροποποιημένα να εκφράζουν μια φθορίζουσα πρωτεΐνη στους νευρώνες. Χρησιμοποιώντας ένα ειδικό μικροσκόπιο σάρωσης λέιζερ που φωτίζει τις λαμπερές φθορίζουσες πρωτεΐνες στον κινητικό φλοιό, οι επιστήμονες κατάφεραν να παρακολουθήσουν και να απεικονίσουν την ανάπτυξη των δενδριτικών αγκαθιών κατά μήκος επιμέρους κλάδων δενδριτών, προτού και αφότου τα ποντίκια έμαθαν να ισορροπούν σε μία ράβδο περιστροφής. Με την πάροδο του χρόνου τα ποντίκια έμαθαν πώς να ισορροπούν στη ράβδο, καθώς αυτή σταδιακά γύριζε γρηγορότερα. "Είναι σαν να μαθαίνεις να κάνεις ποδήλατο", λέει ο δρ. Gan. "Μόλις μάθεις, δεν το ξεχνάς ποτέ".

Μετά την τεκμηρίωση ότι τα ποντίκια, στην πραγματικότητα, ανέπτυξαν νέα αγκάθια κατά μήκος δενδριτικών κλάδων μέσα σε έξι ώρες μετά την εξάσκηση στην περιστρεφόμενη ράβδο, οι ερευνητές επιχείρησαν να κατανοήσουν πώς ο ύπνος θα επηρέαζε αυτή την φυσική ανάπτυξη. Εκπαίδευσαν λοιπόν δύο ομάδες ποντικών: η μία εκπαιδεύτηκε στην περιστρεφόμενη ράβδο για μία ώρα και στη συνέχεια κοιμήθηκε για 7 ώρες. Η δεύτερη εκπαιδεύτηκε τον ίδιο χρόνο στη ράβδο, αλλά έμεινε ξύπνιο για 7 ώρες. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι τα ποντίκια που δεν κοιμήθηκαν, εμφάνισαν σημαντικά μικρότερη ανάπτυξη δενδριτικών αγκαθιών από ό,τι εκείνα που ξεκουράστηκαν αρκετά. Επιπλέον, παρατήρησαν ότι το είδος της εργασίας που έμαθαν τα ποντίκια, καθόρισε ποια αγκάθια δενδριτικών κλάδων θα μεγάλωναν.

Το τρέξιμο προς τα εμπρός στην περιστρεφόμενη ράβδο, για παράδειγμα, ώθησε την ανάπτυξη αγκαθιών σε διαφορετικούς δενδριτικούς κλάδους από ό,τι εκείνο προς τα πίσω, γεγονός που υποδηλώνει ότι η εκμάθηση συγκεκριμένων καθηκόντων προκαλεί συγκεκριμένες δομικές αλλαγές στον εγκέφαλο.

"Πλέον γνωρίζουμε πως όταν μαθαίνουμε κάτι καινούριο, ο νευρώνας αναπτύσσει νέες συνδέσεις σε ένα συγκεκριμένο κλάδο", αναφέρει ο δρ. Gan. "Φανταστείτε ένα δέντρο που πετά φύλλα (αγκάθια), σε ένα κλαδί, αλλά όχι σε κάποιο άλλο. Όταν μαθαίνουμε κάτι καινούριο, είναι σαν να βλασταίνουμε φύλλα σε ένα συγκεκριμένο κλάδο".

Τέλος, οι επιστήμονες έδειξαν ότι τα κύτταρα του εγκεφάλου στον κινητικό φλοιό που ενεργοποιούνται, όταν τα ποντίκια μάθουν μια εργασία, επανενεργοποιούνται κατά τη διάρκεια του βαθέος ύπνου βραδέων κυμάτων. Η διακοπή αυτής της διαδικασίας εμποδίζει την ανάπτυξη των δενδριτικών αγκαθιών. Τα ευρήματά τους προσφέρουν μια σημαντική εικόνα για το λειτουργικό ρόλο της νευρωνικής επανάληψης – δηλαδή της διαδικασίας με την οποία ο κοιμώμενος εγκέφαλος επαναλαμβάνει τα καθήκοντα που έμαθε κατά τη διάρκεια της ημέρας – η οποία παρατηρείται στον κινητικό φλοιό.

"Τα στοιχεία μάς δείχνουν ότι η νευρωνική επανενεργοποίηση κατά τη διάρκεια του ύπνου είναι αρκετά σημαντική για την ανάπτυξη συγκεκριμένων συνδέσεων στον κινητικό φλοιό", συμπληρώνει ο δρ. Gan.