Nuevas investigaciones demostraron que durante el sueño, una región cerebral enseña a otra, convirtiendo datos nuevos en recuerdos duraderos.
Un grupo de neurocientíficos de la Universidad de Pensilvania descubrieron que a medida que alternamos entre los ciclos de sueño REM y de ondas lentas, el hipocampo y el neocórtex interactúan de formas que son clave para la formación de los recuerdos.
El mecanismo de aprendizaje
Hace tiempo que se sabe que el el aprendizaje efectivo ocurre durante el sueño. Codificamos nuevas experiencias mientras estamos despiertos, nos vamos a dormir al despertar, la memoria de alguna manera se ha transformado. Sin embargo, la forma exacta en que se procesan las nuevas experiencias durante el sueño seguía siendo un misterio.
Para desentrañar el misterio, el equipo dirigido por la neurocientífica Anna Schapiro, construyó un modelo computacional de red neuronal que les proporcionó una nueva visión del proceso.
En su investigación, demostraron que unas cinco veces por noche, el cerebro alterna entre los ciclos de sueño de ondas lentas y REM y es en ese punto donde el hipocampo le enseña al neocórtex lo que aprendió, transformando la información nueva y efímera recogida durante el día en recuerdos perdurables.
Lo sorprendente de este mecanismo es el descubrimiento de que el proceso de aprendizaje se realiza de forma interna en el cerebro sin influencia del mundo exterior.
El modelo computacional de la memoria
El equipo de Anna Schapiro se dedica a estudiar el aprendizaje y la memoria en humanos, y más concretamente, cómo las personas adquieren y consolidan nueva información. Durante mucho tiempo supieron que el sueño desempeñaba un papel importante es este proceso, y consiguieron probarlo en un laboratorio, registrando lo que sucede en el cerebro mientras las personas duermen.
Para este estudio en concreto sin embargo, construyeron un modelo computacional de red neuronal compuesto por un hipocampo, y un neocórtex.
El hipocampo se encuentra en el lóbulo temporal del cerebro y es el centro neurálgico de la memoria, que se encarga de recoger la información del día a día, mientras que el neocórtex, que se sitúa en la corteza cerebral, se relaciona con capacidades como el lenguaje y el almacenamiento de la memoria permanente.
Las simulaciones con el modelo neuronal artificial
Durante el sueño simulado en el modelo de red neuronal, los investigadores podían observar y registrar qué neuronas se activaban en cada una de estas dos áreas para posteriormente analizar los patrones de actividad.
Después de ejecutar varias simulaciones de sueño utilizando un algoritmo de aprendizaje inspirado en el cerebro, descubrieron que durante el sueño de ondas lentas, el cerebro principalmente revisa incidentes recientes y datos, guiado en todo momento por el hipocampo, y durante la fase de sueño REM, en su vuelve a revivir lo que sucedió anteriormente, guiado por el almacén de memoria de las regiones neocorticales.
Durante la fase de sueño no REM, cuando las dos regiones del cerebro se conectan entre sí, es el momento en el que el hipocampo está enseñando al neocórtex, posteriormente, durante la fase REM, el neocórtex se reactiva y ya es capaz reproducir lo que sabe, consolidando la retención de datos en la memoria a largo plazo.
La alternancia entre las dos etapas del sueño es muy importante para el aprendizaje ya que cuando el neocórtex no tiene la oportunidad de reproducir su propia información, la información que almacena se sobrescribe y desaparece, por lo que es necesario alternar el sueño REM y no REM para que se consolide el aprendizaje.
Nuevos descubrimientos
Estos descubrimientos son coherentes con lo que se sabe en este campo, a pesar de que los aspectos del modelo aún son teóricos. Uno de los próximos pasos a seguir será realizar experimentos para comprender si el sueño REM realmente recupera recuerdos antiguos y qué implicaciones podría tener para integrar nueva información en el conocimiento preexistente.
Estas simulaciones se basaron en un adulto típico que tuvo una noche de sueño saludable, por lo que no necesariamente se pueden extrapolar a adultos con patrones de sueño distintos, o incluso niños, que requieren diferentes cantidades y tipos de horas de sueño que los adultos.
Aplicaciones futuras del modelo
Los excelentes resultados obtenidos por el modelo de red neuronal computacional desarrollado para este estudio, permitirán a los científicos simular los cambios en los patrones del sueño que se producen a lo largo de la vida, o debido a distintos trastornos, ya que será posible simularlos informáticamente y recopilar información.
A largo plazo, una mejor comprensión del papel de las etapas del sueño en la memoria podría ayudar a valorar los tratamientos para los trastornos psiquiátricos y neurológicos para los cuales los déficits de sueño son un síntoma. También podría haber implicaciones para el aprendizaje profundo y la inteligencia artificial.
Este nuevo algoritmo de aprendizaje, inspirado en la biología, podría proporcionar nuevos enfoques para un procesamiento de memoria más potente en los sistemas de inteligencia artificial, ya que esta prueba de concepto que conecta el sueño y la formación de la memoria nos acerca un paso más hacia estos objetivos.
Biografía
· Schapiro, A.C., McDevitt, E.A., Rogers, T.T., Mednick, S.C., & Norman, K.A. (2018). La reproducción del hipocampo humano durante el descanso prioriza la información débilmente aprendida y predice el rendimiento de la memoria. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6156217/
