À l’aide d’un modèle de réseau neuronal, la neuroscientifique de Penn Anna Schapiro et ses collègues ont découvert que lorsque le corps se déplace entre les cycles de sommeil paradoxal et à ondes lentes, l’hippocampe et le néocortex interagissent de manière essentielle à la formation de la mémoire.
Quel rôle jouent les étapes du sommeil dans la formation des souvenirs ? « Nous savons depuis longtemps qu’un apprentissage utile se produit pendant le sommeil », déclare Anna Schapiro, neuroscientifique à l’Université de Pennsylvanie. « Vous encodez de nouvelles expériences pendant que vous êtes éveillé, vous vous endormez et lorsque vous vous réveillez, votre mémoire a été en quelque sorte transformée. »
Pourtant, la manière précise dont les nouvelles expériences sont traitées pendant le sommeil est restée pour la plupart un mystère. À l’aide d’un modèle informatique de réseau neuronal qu’ils ont construit, Schapiro, Penn Ph.D. l’étudiante Dhairyya Singh et Kenneth Norman de l’Université de Princeton ont maintenant un nouvel aperçu du processus.
Dans une recherche publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesils montrent que lorsque le cerveau effectue un cycle de sommeil à ondes lentes et à mouvements oculaires rapides (REM), qui se produit environ cinq fois par nuit, l’hippocampe enseigne au néocortex ce qu’il a appris, transformant des informations nouvelles et fugaces en mémoire durable.
Ce n’est pas seulement un modèle d’apprentissage dans les circuits locaux du cerveau. C’est ainsi qu’une région du cerveau peut enseigner à une autre région du cerveau pendant le sommeil, un moment où il n’y a aucune orientation du monde extérieur. C’est aussi une proposition sur la façon dont nous apprenons avec élégance au fil du temps à mesure que notre environnement change. »
Anna Schapiro, professeure adjointe au département de psychologie de Penn
De manière générale, Schapiro étudie l’apprentissage et la mémoire chez l’homme, en particulier comment les gens acquièrent et consolident de nouvelles informations. Elle a longtemps pensé que le sommeil jouait un rôle ici, quelque chose qu’elle et son équipe ont testé dans un laboratoire, enregistrant ce qui se passe dans le cerveau pendant que les participants dorment.
Son équipe construit également des modèles de réseaux de neurones pour simuler les fonctions d’apprentissage et de mémoire. Pour ce travail en particulier, Schapiro et ses collègues ont construit un modèle de réseau neuronal composé d’un hippocampe, le centre du cerveau pour les nouveaux souvenirs, chargé d’apprendre les informations épisodiques quotidiennes du monde, et le néocortex, responsable de facettes comme le langage, supérieur -niveau de cognition et stockage de mémoire plus permanent. Pendant le sommeil simulé, les chercheurs peuvent observer et enregistrer les neurones simulés qui se déclenchent lorsqu’ils se trouvent dans ces deux zones, puis analyser ces schémas d’activité.
L’équipe a exécuté plusieurs simulations de sommeil à l’aide d’un algorithme d’apprentissage inspiré du cerveau qu’ils ont construit. Les simulations ont révélé que pendant le sommeil à ondes lentes, le cerveau revisite principalement récent incidents et données, guidés par l’hippocampe, et pendant le sommeil paradoxal, il rejoue principalement ce qui s’est passé précédemmentguidé par le stockage de la mémoire dans les régions néocorticales.
« Alors que les deux régions du cerveau se connectent pendant le sommeil non paradoxal, c’est à ce moment-là que l’hippocampe enseigne réellement le néocortex », explique Singh, doctorant en deuxième année au laboratoire de Schapiro. « Puis, pendant la phase REM, le néocortex se réactive et peut rejouer ce qu’il sait déjà », solidifiant la prise des données dans la mémoire à long terme.
L’alternance entre les deux stades du sommeil est également importante, dit-il. « Lorsque le néocortex n’a pas la possibilité de rejouer ses propres informations, nous constatons que les informations y sont écrasées. Nous pensons que vous devez alterner sommeil REM et non-REM pour qu’une forte formation de mémoire se produise. »
Les résultats sont cohérents avec ce qui est connu dans le domaine, bien que certains aspects du modèle soient encore théoriques. « Nous devons encore tester cela », déclare Schapiro. « L’une de nos prochaines étapes consistera à mener des expériences pour comprendre si le sommeil paradoxal évoque vraiment de vieux souvenirs et quelles implications cela pourrait avoir pour intégrer de nouvelles informations dans vos connaissances existantes. »
Étant donné que les simulations actuelles étaient basées sur un adulte typique ayant une bonne nuit de sommeil, elles ne sont pas nécessairement transférées à d’autres types d’adultes ou à des habitudes de sommeil moins que stellaires. Ils n’offrent pas non plus un aperçu de ce qui se passe avec les enfants, qui ont besoin de quantités et de types de sommeil différents de ceux des adultes. Schapiro dit qu’elle voit un grand potentiel pour son modèle pour répondre à certaines de ces questions en suspens. « Avoir un outil comme celui-ci vous permet d’aller dans de nombreuses directions, en particulier parce que l’architecture du sommeil change tout au long de la vie et dans divers troubles, et nous pouvons simuler ces changements dans le modèle », dit-elle.
À long terme, une meilleure compréhension du rôle des stades du sommeil dans la mémoire pourrait aider à éclairer les traitements des troubles psychiatriques et neurologiques dont les déficits de sommeil sont un symptôme. Singh dit qu’il pourrait également y avoir des implications pour l’apprentissage en profondeur et l’intelligence artificielle. « Notre algorithme d’inspiration biologique pourrait fournir de nouvelles directions pour un traitement de la mémoire hors ligne plus puissant dans les systèmes d’IA », dit-il. Ce travail de preuve de concept reliant le sommeil et la formation de la mémoire rapproche le domaine de ces objectifs.
