براساس نتایج مطالعه‌ی جدید پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در سان‌فرانسیسکو، الگوهای متمایز فعالیت الکتریکی مغز حین خواب، روی این مسئله که انسان مهارت جدیدی را که روز گذشته یاد گرفته‌، به خاطر بسپارد یا فراموش کند، نقش دارد. پژوهشگران توانستند با دستکاری این امواج در زمان خواب، روی نحوه‌ی یادگیری یک مهارت جدید در موش‌ها تأثیر بگذارند. این نتیجه نشان‌دهنده‌ی کاربردهای بالقوه‌ی روش مذکور در تقویت حافظه‌ی انسان یا کمک به فراموشی تجارب آسیب‌زننده است.

در مطالعه‌ی جدید که به‌تازگی در مجله‌ی Cell منتشر شده است، گروهی از پژوهشگران تحت هدایت کارونش گانگولی، استاد عصب‌شناسی و عضو مؤسسه‌ی علوم اعصاب ویل دانشگاه کالیفرنیا، از تکنیکی به نام اپتوژنتیک برای مهار انواع خاصی از فعالیت‌های مغز حین خواب موش‌های صحرایی استفاده کردند. پژوهشگران دریافتند، دو نوع متمایز از امواج مغزی که حین خواب دیده می‌شوند، یعنی نوسانات آهسته و امواج دلتا برانگیختگی سلول‌های عصبی درگیر در یادگیری مهارت جدید را تقویت یا تضعیف می‌کنند. گانگولی گفت:

وقتی متوجه شدیم که می‌توانیم با مهار انواع مشخصی از امواج مغزی در زمان خواب، یادگیری را بهتر یا بدتر کنیم، شگفت‌زده شدیم. امواج دلتا قسمت بزرگی از خواب هستند اما کمتر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و کسی نقشی برای آن‌ها شناسایی نکرده است. ما معتقدیم که این دو نوع امواج آهسته در طول خواب برای تعیین اینکه اطلاعات جدید تلفیق شده و ذخیره شوند یا اینکه فراموش شوند، با هم رقابت می‌کنند. ارتباط دادن نوع خاصی از امواج مغزی به فراموشی یک مفهوم جدید است. بیشتر مطالعات روی تقویت خاطرات انجام شده است و مطالعات کمتری موضوع فراموشی را مورد بررسی قرار داده‌اند و معمولا این دو مسئله به‌طور جدا از هم مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. چیزی که داده‌های ما نشان می‌دهد، این است که رقابت مداومی بین این دو وجود دارد و تعادل بین آن‌ها تعیین‌کننده‌ی چیزی است که انسان به خاطر می‌آورد.

طی دو دهه‌ی گذشته، شواهد زیادی در حمایت از این حدس قدیمی که خواب در تشکیل خاطرات نقش دارد، به دست آمده است. مطالعات حیوانی نشان می‌دهند، همان نورون‌هایی که در تشکیل حافظه‌ی اولیه از یک وظیفه‌ یا تجربه‌ی جدید نقش دارند، در جریان خواب نیز به‌منظور تثبیت این خاطرات مجددا فعال می‌شوند.

بسیاری از دانشمندان بر این باورند که فراموشی نیز عملکرد مهمی از خواب است و شاید روشی برای پاک‌سازی مغز و حذف اطلاعات بی‌اهمیت باشد. نوسانات آهسته و امواج دلتا ویژگی‌های بارز خواب NREM هستند که حداقل در انسان، نصف خواب شبانه‌ را تشکیل می‌دهند. شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد، خواب NREM در تثبیت انواع مختلفی از حافظه ازجمله یادگیری مهارت‌های حرکتی نقش دارد؛ برای مثال پژوهشگران دریافته‌اند که در انسان‌ها، زمان سپری‌شده در مراحل اولیه‌ی خواب NREM با یادگیری بهتر یک قطعه‌ی ساده از پیانو مرتبط است.

گروه گانگولی به‌عنوان بخشی از تلاش درجهت توسعه‌ی ایمپلنت‌های عصبی که به افراد مبتلا به فلجی کمک کند تا با اطمینان بیشتری اندام رباتیک خود را با مغز کنترل کنند، به مطالعه‌ی نقش خواب در یادگیری پرداختند. در آزمایش‌های اولیه‌ی آن‌ها روی حیوانات آزمایشگاهی، بیشترین پیشرفت در توانایی حیوان برای کنترل این رابط‌های مغزی و کامپیوتری زمانی رخ می‌داد که آن‌ها در فاصله‌ی بین جلسات آموزش، خواب بودند. گانگولی گفت:

ما متوجه شدیم برای درک این موضوع که چگونه سیستم‌های مصنوعی را کاملا در مغز تلفیق کنیم، باید درک کنیم که یادگیری و فراموشی در خواب چگونه اتفاق می‌افتد.

در مطالعه‌ی جدید، الکترودهایی در مغز چندین موش صحرایی کاشته شد که برانگیختگی گروه کوچکی از نورون‌های انتخاب‌شده را در قشر حرکتی مغز که در ادراک و اجرای حرکات ارادی نقش دارد، ثبت می‌کرد. ایجاد الگوی خاصی از برانگیختگی عصبی به موش‌ها اجازه داد که یک لوله‌ی حاوی آب را در قفس خود کنترل کنند. اساسا، موش‌ها درحال انجام نوعی بازخورد زیستی بودند؛ هر موش یاد می‌گرفت چگونه گروهی از نورون‌ها را در الگوی منحصر‌به‌فرد جدیدی به‌منظور حرکت توپی و گرفتن آب فعال کند. گروه گانگولی همان الگوی برانگیختگی جدید را در مغز حیوانات هنگام خواب دیدند. شدت فعال‌سازی مجدد در جریان خواب، تعیین‌کننده‌ی این موضوع بود که موش‌ها تا چه حد می‌توانند توپی را در روز آینده کنترل کنند.

پژوهشگران از این موضوع فراتر رفتند. آن‌ها می‌خواستند بدانند که نحوه‌ی کنترل مغز روی فرایند فراموشی یا به‌خاطرسپردن وظیفه‌ی جدیدی که موش‌ها طی روز با آن مواجه شده‌اند، به چه صورت است. پژوهشگران برای دستکاری اثر امواج مغزی در جریان خواب NREM، نورون‌های موش‌ها را ازلحاظ ژنتیکی تغییر دادند تا ژن حساس به نوری در آن‌ها بیان شود (تکنیک کنترل اپتوژنتیک). این امر به پژوهشگران امکان داد تا بتوانند از لیزر و فیبر نوری برای کاهش فوری فعالیت مغزی مرتبط با انتقال امواج مغزی خاص استفاده کنند. دانشمندان با زمان‌بندی دقیق و میلی‌ثانیه‌ای لیزر، در آزمایش‌های جداگانه، امواج نوسان‌کننده آهسته و امواج دلتا را در بخش کوچکی از مغز که در اطراف مدار حافظه‌ی جدید قرار داشت، تضعیف کردند. اختلال در امواج دلتا موجب تقویت فعال‌سازی مجدد فعالیت عصبی مرتبط با وظیفه در جریان خواب شد و با عملکرد بهتر هنگام بیداری همراه بود. درمقابل، اختلال در نوسانات آهسته منجر به عملکرد ضعیف‌تر هنگام بیداری شد. گانگولی گفت:

به‌نظر می‌رسد که نوسانات آهسته از الگوهای جدید برانیختگی نورون‌ها پس از یادگیری محافظت می‌کنند، درحالی‌که امواج دلتا آن‌ها را پاک کرده و موجب فراموشی می‌شوند.

نتایج تجزیه‌و‌تحلیل‌های بیشتر نشان داد که به‌منظور حمایت از یادگیری، نوسانات آهسته باید با دوک‌های خواب هم‌زمان باشند. دوک‌ خواب یک انفجار دارای فرکانس بالا و کوتاه‌مدت از فعالیت است که از تالاموس منشا می‌گیرد و سپس به قسمت‌های دیگر مغز پراکنده می‌شود. آن‌ها با تثبت خاطره مرتبط هستند و نبود دوک‌های طبیعی خواب با اختلالات مغزی نظیر اسکیزوفرنی و تأخیر در توسعه و نیز با پیری همراه است. گانگولی گفت:

پژوهش ما نشان می‌دهد که یک محرک قوی برای فراموشی حین خواب وجود دارد. جفت شدن دوک‌های خواب و نوسانات آهسته می‌تواند بر فراموشی ناشی از امواج دلتا غلبه کرده و یادگیری را حفظ کنند اما تعادل بین این دو بسیار ظریف است. حتی آشفتگی‌های کوچک در این رویدادها منجر به فراموشی می‌شود. هنوز مشخص نیست که نقطه‌ی تعادل بین فراموشی ناشی از امواج دلتا و یادگیری ناشی از نوسانات آهسته کجا است، اما واضح است که درک بهتر این فرایند می‌تواند تأثیر زیادی روی مطالعه‌ی یادگیری و حافظه‌ی انسان داشته باشد. خواب واقعا موجب تغییرات قابل‌توجهی در مغز می‌شود. درک این تغییرات برای تلفیق رابط‌های مصنوعی و مغز حیاتی است و شاید روزی به ما اجازه دهد تا مدارهای عصبی را برای کمک به بازیابی حرکات مثلا پس از سکته تغییر دهیم.