Laut den Forschern fand diese Studie den deutlichsten Hinweis auf eine Wiederholung des motorischen Kortex während des menschlichen Schlafs, der jemals beobachtet wurde.
Neue Einblicke in die Gehirnaktivität während des Schlafs könnten dazu beitragen, Werkzeuge für Menschen mit neurologischen Erkrankungen oder Verletzungen zu entwickeln
Warum schlafen Menschen? Diese Frage wird seit Hunderten von Jahren von Wissenschaftlern diskutiert, aber eine aktuelle Studie von Forschern des Massachusetts General Hospital (MGH), die in Zusammenarbeit mit Experten der Brown University, dem Department of Veterans Affairs und mehreren anderen Institutionen durchgeführt wurde, fügt neue Hinweise hinzu, die es zu lösen gilt dieses Geheimnis. Ihre Forschung, kürzlich veröffentlicht in der Zeitschrift für Neurowissenschaften, kann helfen zu erklären, wie sich Personen an Dinge erinnern und neue Fähigkeiten erlernen. Es kann auch bei der Erstellung von Hilfsmitteln für Menschen mit neurologischen Störungen oder Verletzungen helfen.
Laut dem leitenden Forschungsautor und Neurologen Dr. Daniel Rubin vom Center for Neurotechnology and Neurorecovery des MGH wissen Wissenschaftler seit langem, dass während des Schlafs ein Phänomen auftritt, das als „Replay“ bekannt ist. Das Korrekturlesen wird als ein Mechanismus betrachtet, der vom Gehirn verwendet wird, um sich an neue Informationen zu erinnern. Wenn eine Maus lernt, durch ein Labyrinth zu navigieren, können Überwachungsgeräte anzeigen, dass ein bestimmtes Muster von Gehirnzellen oder Neuronen feuert, wenn sie dem richtigen Weg folgt. „Später, während das Tier schläft, können Sie sehen, wie diese Neuronen in derselben Reihenfolge erneut feuern“, sagt Rubin. Wissenschaftler glauben, dass das Gehirn auf diese Weise neu erworbenes Wissen im Schlaf übt, wodurch Erinnerungen gefestigt, also von Kurzzeit- in Langzeiterinnerungen umgewandelt werden können.
Das Korrekturlesen wurde jedoch nur bei Versuchstieren korrekt gezeigt. „In der neurowissenschaftlichen Gemeinschaft gab es eine offene Frage: Inwieweit ist dieses Modell, wie wir Dinge lernen, beim Menschen wahr? Und gilt das für verschiedene Arten des Lernens? fragt Neurologe Sydney S. Cash, MD, Ph.D., Co-Direktor des Center for Neurotechnology and Neurorecovery am MGH und Co-Hauptautor der Studie. Wichtig ist laut Cash, dass das Verständnis, ob beim Erlernen motorischer Fähigkeiten eine Wiederholung auftritt, dazu beitragen könnte, die Entwicklung neuer Therapien und Instrumente für Menschen mit neurologischen Erkrankungen und Verletzungen zu lenken.
Forscher haben in einer neuen Studie den ersten Hinweis auf Wiederholung im menschlichen motorischen Kortex gefunden, der willkürliche Bewegungen steuert. Dies könnte Entwicklern von Hilfsmitteln für Menschen mit Lähmungen Einblicke geben und auch Einblicke in die Art und Weise geben, wie wir lernen und Langzeiterinnerungen schaffen. Bildnachweis: Massachusetts General Hospital
Um zu untersuchen, ob das Korrekturlesen im menschlichen motorischen Kortex stattfindet – der Region des Gehirns, die Bewegungen steuert – schrieben Rubin, Cash und ihre Kollegen einen 36-jährigen Mann mit Tetraplegie (auch Tetraplegie genannt) ein, was bedeutet, dass er sich nicht bewegen kann seine oberen und unteren Gliedmaßen, in seinem Fall aufgrund einer Rückenmarksverletzung. Der in der Studie als T11 identifizierte Mann nimmt an einer klinischen Studie mit einem Gehirn-Computer-Schnittstellengerät teil, das es ihm ermöglicht, einen Computercursor und eine Tastatur auf einem Bildschirm zu verwenden. Das experimentelle Gerät wird vom BrainGate Consortium entwickelt, einem Gemeinschaftsprojekt von Klinikern, Neurowissenschaftlern und Ingenieuren aus mehreren Institutionen mit dem Ziel, Technologien zur Wiederherstellung der Kommunikation, Mobilität und Unabhängigkeit von Menschen mit neurologischen Erkrankungen, Verletzungen oder Verlust von Gliedmaßen zu entwickeln. Das Konsortium wird von Leigh R. Hochberg, MD, Ph.D., von der MGH, Brown University, und dem Department of Veterans Affairs geleitet.
In der Studie wurde T11 gebeten, eine Gedächtnisaufgabe ähnlich dem elektronischen Spiel Simon durchzuführen, bei der ein Spieler ein Muster blinkender farbiger Lichter beobachtet und sich dann an diese Sequenz erinnern und sie reproduzieren muss. Er steuerte den Cursor auf dem Computerbildschirm, indem er einfach über die Bewegung seiner eigenen Hand nachdachte. Sensoren, die in den motorischen Kortex von T11 implantiert wurden, maßen neurale Triggermuster, die die Bewegung seiner Hand widerspiegelten, was es ihm ermöglichte, den Cursor auf dem Bildschirm zu bewegen und an gewünschten Stellen darauf zu klicken. Diese Gehirnsignale wurden aufgezeichnet und drahtlos an einen Computer übertragen.
In dieser Nacht, als T11 zu Hause schlief, wurde seine Motorkortexaktivität aufgezeichnet und drahtlos an einen Computer übertragen. „Was wir fanden, war ziemlich erstaunlich“, sagt Rubin. „Er hat das Spiel praktisch über Nacht im Schlaf gespielt.“ Bei mehreren Gelegenheiten, sagt Rubin, stimmten die neuronalen Feuermuster von T11 während des Schlafs genau mit den Mustern überein, die auftraten, während er früher am Tag das Memory-Matching-Spiel durchführte.
„Dies ist der direkteste Beweis für die Wiedergabe des motorischen Kortex, der jemals beim Menschen im Schlaf beobachtet wurde“, sagt Rubin. Die meisten der in der Studie festgestellten Wiederholungen traten während des Slow-Wave-Schlafs auf, einer Phase des Tiefschlafs. Interessanterweise war es viel unwahrscheinlicher, dass Wiederholungen erkannt wurden, während sich T11 im REM-Schlaf befand, der Phase, die am häufigsten mit Träumen in Verbindung gebracht wird. Rubin und Cash sehen diese Arbeit als Grundlage, um mehr über das Korrekturlesen und seine Rolle beim menschlichen Lernen und Gedächtnis zu erfahren.
„Wir hoffen, dass wir diese Informationen nutzen können, um bessere Gehirn-Computer-Schnittstellen zu entwickeln und Paradigmen zu entwickeln, die Menschen dabei helfen, schneller und effizienter zu lernen, um nach einer Verletzung die Kontrolle wiederzuerlangen“, sagt Cash und betont die Wichtigkeit, diese Linie zu verschieben der Untersuchung von Tieren zu menschlichen Subjekten. „Diese Art von Forschung profitiert enorm von der engen Interaktion, die wir mit unseren Teilnehmern haben“, fügt er mit Dankbarkeit gegenüber T11 und den anderen Teilnehmern der klinischen BrainGate-Studie hinzu.
Hochberg stimmt zu. „Unsere großartigen BrainGate-Teilnehmer liefern nicht nur wertvolles Feedback für die Schaffung eines Systems zur Wiederherstellung von Kommunikation und Mobilität, sondern geben uns auch die seltene Gelegenheit, grundlegende menschliche Neurowissenschaften voranzubringen – zu verstehen, wie das menschliche Gehirn auf der Ebene der Schaltkreise einzelner Neuronen funktioniert.“ er sagt, „und diese Informationen zu nutzen, um restaurative Neurotechnologien der nächsten Generation zu entwickeln.“
Rubin ist außerdem Dozent für Neurologie an der Harvard Medical School (HMS). Cash ist außerordentlicher Professor für Neurologie an der HMS. Hochberg ist Dozent für Neurologie an der HMS und Professor für Ingenieurwissenschaften an der Brown University.
Die Studie wurde vom National Institute of Neurologic Disease and Stroke, der American Academy of Neurology, dem National Institute of Mental Health, Conquer Paralysis Now, Department of Veterans Affairs, dem MGH-Deane Institute und dem Howard Hughes Medical Institute der Stanford University finanziert.
Referenz: „Erlernte motorische Muster werden während des Schlafs im menschlichen motorischen Kortex wiederholt“ von Daniel B. Rubin, Tommy Hosman, Jessica N. Kelemen, Anastasia Kapitonava, Francis R. Willett, Brian F. Coughlin, Eric Halgren, Eyal Y Kimchi, Ziv M. Williams, John D. Simeral, Leigh R. Hochberg und Sydney S. Cash, 22. Juni 2022, Zeitschrift für Neurowissenschaften.
DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2074-21.2022